2021年, 第48卷, 第4期　刊出日期：2021-07-20

  

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综述
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  液相有机氢载体的催化研究与应用

  刘安鼐, 任靖, 赵保槐, 杨振钰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 1-18. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.001

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  氢能清洁高效、能量密度高，是理想的能源载体，也是公认的未来能源发展方向之一。氢气的存储是氢能利用的关键环节，目前仍没有完美适配所有场景的储氢材料，储氢技术的选择势必要以使用场景为导向。液相有机氢载体（liquid organic hydrogen carriers，LOHCs）作为一种液相储氢材料，在运输方面具有独特的应用优势。本文介绍了常见的液相有机储氢材料，重点探讨了适用于运输工具（车、船、航空器等）的LOHCs，综述其加氢/脱氢的催化研究进展、应用技术难点，并展望了其应用前景。
化学与化学工程
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  Lightnin静态混合器内瞬态流场POD分析及混合特性研究

  禹言芳, 李中根, 孟辉波, 刘振江, 吴剑华

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 19-26. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.002

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  为了研究Lightnin静态混合器（LSM）内的瞬态流场结构和混合特性，以水为工质采用ANSYS FLUENT V16.1中的大涡模拟（large eddy simulation，LES）湍流模型对不同长径比和雷诺数下LSM内的湍流流动进行数值模拟，并用本征正交分解（POD）方法对流场结构进行模态分解以提取流场相干结构。结果表明：当采样数量达到2 000时，低阶模态蕴含流场主要的旋涡结构信息；混合段内横截面平均涡量分布呈正弦状周期性变化，在z/l=5.0~6.0范围内，Re=3 981、5 971和7 962时的平均涡量相较于Re=1 990时增长148.5%~322.7%，拉伸率提高11.5%~18.9%；小长径比的LSM中流体被拉伸的概率更大。
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  2-丁烯原料中硫、氯、氧和丁二烯杂质的脱除

  赵福军, 傅送保, 陈和, 侯章贵, 吴青

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 27-32. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.003

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  采用活性氧化铝和氧化锌脱除煤基2-丁烯原料中的硫和氯杂质，采用载铜活性炭脱除氧，选择性催化加氢脱除微量氧和1，3-丁二烯，并对净化后的煤基2-丁烯原料进行铑/双亚膦酸酯均相催化氢甲酰化反应的工业侧线评价。结果表明，在20℃、液相空速900 g/（h·L）的条件下脱除硫、氯、氧杂质，其含量均未检出；在40℃、液相空速2 100 g/（h·L）、氢气与1，3-丁二烯的物质的量比为1.05的条件下脱除1，3-丁二烯，其含量也未检出。在161 h的工业侧线评价试验期间，戊醛收率平稳保持在85.1%左右，正戊醛和异戊醛的物质的量比一直高于15.0，表明该均相催化剂具有良好的催化性能和稳定性，2-丁烯原料经净化后并未使该均相催化剂中毒失活。
材料科学与工程
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  葡萄糖酸钠与二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺复配对碳钢缓蚀性能的影响

  常佳宇, 陆原, 赵景茂

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 33-39. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.004

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  将葡萄糖酸钠（SG）、二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺（DMAPMA）及其复配体系应用于循环冷却水中碳钢的缓蚀。通过失重法、电化学法分别测试了SG、DMAPMA单独使用和复配使用的缓蚀性能。通过光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）和分子动力学模拟，探讨了缓蚀机理；通过计算协同参数（S）来衡量SG和DMAPMA协同效应的强弱。结果表明，当体系的总质量浓度为100 mg/L时，复配缓蚀剂的缓蚀率可达到95%以上，当复配缓蚀剂含有50 mg/L SG和50 mg/L DMAPMA时缓蚀效果最好。SG和DMAPMA复配使用具有良好的缓蚀协同作用，可以相互促进吸附，使得其在钢片表面形成致密的保护膜。
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  三维g-C₃N₄/Ni_xP复合光催化剂的制备及其可见光下产氢性能的研究

  王世强, 康自虎, 郑言贞, 陶霞

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 40-47. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.005

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  以三聚氰胺和三聚氰酸为原料，以水为溶剂采用超分子自组装法制备三维互联框架形貌的3D g-C₃N₄（DCN）。以次磷酸钠和硫酸镍作为磷源和镍源，采用原位光沉积法在3D g-C₃N₄上沉积Ni_xP，制备了3D g-C₃N₄/Ni_xP复合光催化剂。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等手段对样品进行了表征，结果表明，3D g-C₃N₄/Ni_xP复合光催化剂上均匀负载着直径几十纳米的Ni_xP颗粒并且Ni_xP表现为无定形结构；与体相g-C₃N₄（BCN）和3D g-C₃N₄相比，复合光催化剂有着更好的可见光吸收能力。以三乙醇胺为牺牲剂，在波长λ≥420 nm的可见光下进行产氢试验，研究了3D g-C₃N₄/Ni_xP复合光催化剂的光催化性能。结果表明，光沉积20 min得到的3D g-C₃N₄/Ni_xP复合光催化剂的光催化产氢速率可达1 720 μmol/（g·h），远远大于纯DCN（7 μmol/（g·h））和光沉积20 min得到的BCN/Ni_xP复合光催化剂（15 μmol/（g·h）），并且在经历5个光催化循环产氢测试后其循环性能没有明显降低。
生物技术与环境工程
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  基于灵芝双向固体发酵雷公藤减毒持效的研究

  何栾樱, 林子淳, 卢建东, 熊国良, 王诗卉

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 48-56. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.006

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  传统中药雷公藤具有抗炎和免疫抑制的作用，但因毒性强而极大地限制了其临床应用。以灵芝为药用真菌，采用双向固体发酵技术发酵雷公藤，并对发酵过程中得到的灵雷菌质进行抗炎活性和肝毒性评价。结果表明，接种量10 mL/100 mL、发酵30天得到的灵雷菌质（N2-G30）在3.75 μg/mL的质量浓度下表现出减毒持效的作用，相比于雷公藤，可抑制脂多糖诱导的小鼠RAW264.7细胞释放促炎因子TNF-α和IL-6，并且可减轻对人正常肝细胞L02增殖的抑制作用。通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析雷公藤发酵前后主要成分的含量变化，结果显示，与发酵前相比，发酵后雷公藤甲素、雷公藤红素、雷酚内酯的含量增加，雷公藤内酯甲的含量减少，这些成分的含量变化与N2-G30的减毒持效作用有关。
机电工程和信息科学
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  基于EMD与坐标寻优的松脱件定位方法

  张柳, 鞠燕娜, 马波

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 57-63. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.007

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  针对目前松脱件定位方法普遍存在的定位误差大的问题，采用多传感器布局方案，提出一种基于经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）与坐标寻优的松脱件定位方法。EMD处理可分离信号不同振动波成分并提取信号主要本征模函数（intrinsic mode function，IMF）分量，使到达时间提取及波速计算更为准确；多传感器布局能有效降低定位偏差，通过制定传感器选取策略选择最优的传感器组合用于定位分析，实现定位的进一步优化。最后搭建平板试验台并与不同定位方法进行对比，结果显示本文方法定位精度最高，最小定位偏差在0.1 m左右。
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  基于复Morlet变换和改进AlexNet神经网络的柴油机气门间隙异常故障诊断方法

  赵志坚, 茆志伟, 张进杰, 江志农

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 64-70. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.008

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  针对柴油机缸盖振动信号非线性、非平稳的特点，以及传统故障诊断方法需要先验知识且特征提取费时费力的缺点，提出了一种基于复Morlet变换和改进AlexNet神经网络的柴油机气门间隙异常故障诊断方法。首先通过复Morlet小波将柴油机缸盖振动信号转换为时频图，该变换包含了信号的时频域信息，比单一的时域或频域信号更适合分析柴油机缸盖振动这种非平稳信号；其次将时频图输入至AlexNet神经网络进行特征自动提取并建立故障诊断模型，解决了传统手工提取特征费时费力且需要专家经验的问题；然后通过Batch Normalization和Dropout技术改进网络结构，并优化神经网络超参数以提高模型的准确度和计算效率；最后将本文方法与传统的故障诊断方法应用于柴油机气门间隙异常故障诊断并进行对比，发现其诊断准确率最高，验证了所提方法的优越性。
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  不同曲率支管弯管对T型管湍流混合下热疲劳的影响

  周照春, 陈柏宇, 张琪琪, 张经豪, 田源, 卢涛

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 71-78. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.009

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  为了探究不同曲率支管弯管对T型管冷热流体混合下热疲劳的影响，分别对支管上游曲率为0.006、0.01、0.02这3种弯管结构的T型管内冷热流体的混合过程进行大涡模拟（LES），将计算得到的瞬时温度和压力载荷动态地加载到固体域进行流固耦合计算，得到管道的热应力分布情况；再利用雨流计数方法对获得的波动热应力进行统计学分析，根据线性疲劳损伤累计准则进行热疲劳评估，得到管道的无量纲累计疲劳损伤率。将各个结构的无量纲时均温度、无量纲均方根温度和无量纲热疲劳损伤率等进行对比，数值结果表明：3种结构的温度和应力的分布和波动相似；随着曲率的增大，温度波动变得剧烈，而相贯区热应力集中逐渐减弱，同时其无量纲累计疲劳损伤率呈降低趋势。
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  轮盘搭接干摩擦接触结构转子减振特性研究

  杨扬, 何立东, 张雨霏

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 79-85. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.010

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  轮盘搭接干摩擦接触结构转子广泛应用于航空发动机、燃气轮机等机械中，搭接结构在旋转时系统的振动响应发生变化，会影响设备的正常运转，因此有必要对搭接摩擦结构转子的振动特性进行研究。考虑到搭接结构的接触面的干摩擦特性，采用带有迟滞特性的宏观滑移模型模拟搭接结构的接触面摩擦，将转子工作时搭接结构接触面的非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼的影响。搭建搭接转子试验台，并与非搭接结构转子和螺栓连接结构转子进行对比，试验结果表明：当轮盘搭接结构转子旋转时，搭接接触面出现相对滑移，通过摩擦耗散振动能量，从而达到减振效果；螺栓连接结构和搭接结构均可降低转子振动加速度的最大值，且轮盘搭接结构转子的减振效果优于螺栓连接结构转子；增加搭接间隙会导致振动位移增大。
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  基于全局注意力引导的肺结节分割方法

  程奕鑫, 蔡磊, 陈曙光, 高敬阳

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 86-95. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.011

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  肺结节的精确分割能有效地辅助医生的治疗诊断工作，但由于不同患者所呈现的肺结节病灶形式多种多样，基于传统专家系统和统计学习的方法难以获得准确的肺结节分割结果。针对这种情况，提出一种由全局注意力引导的注意力机制，达到了从一张完整的胸部影像切片中自动定位并分割出肺结节的效果。该方法首先对目标区域进行肺实质分割，再利用区域建议网络（region proposal network，RPN）进一步缩小感兴趣区域，并生成注意力权重图，最后使用融合了残差网络（residual network，ResNet）与卷积长短期记忆网络（convolutional long short-term memory，ConvLSTM）的结构结合注意力权重进行肺结节分割。将所提方法在肺图像数据库联盟（lung image database consortium，LIDC-IDRI）数据集上进行了全面的评估，结果表明，本文方法分割结果的平均dice得分（标准差）为89.97%（8.9%），具有出色的分割性能，精度相较其他方法取得一定提升。进一步在相同数据集上将所提方法的肺结节分割结果与4位放射科医生的手工标注结果进行了比较，结果表明本文方法的分割结果与医生们的标注结果的一致性达到了85.81%，相较于医生们手工标注之间的一致性高出了3.39%。
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  基于ABC-SVM模型的固体氧化物燃料电池预测控制仿真研究

  靳方圆, 熊超, 周海峰, 黄元庆

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 96-104. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.012

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  为了满足直流负载电压的稳定性及固体氧化物燃料电池（SOFC）的耐用性和安全性的要求，设计了两个控制回路分别对SOFC的输出电压和燃料利用率进行控制。通过设计一个简单的控制回路来使燃料利用率保持在恒定值，并在此基础上开发了一个非线性模型预测控制器以控制SOFC的输出电压。该非线性模型预测控制器基于改进的支持向量机（SVM）预测模型，首先利用Lipschitz quotients准则确定SVM预测模型的结构，然后通过人工蜂群算法（ABC）优化SVM参数。仿真结果表明，所提的基于ABC-SVM模型的SOFC预测控制算法可以很好地跟踪电压设定值，证明了ABC-SVM模型在SOFC非线性动态建模中的有效性。
管理与数理科学
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  2D-3D异质结结构中超短耦合长度的研究

  梁海瑶, 张晶晶, 冯志芳

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 105-110. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.013

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  采用时域有限差分法分析、模拟和设计了2D-3D异质结结构中的定向耦合器，并且通过非平面和平面的优化设计实现了小于2a（a为晶格常数）的超短耦合长度。研究结果表明，当位于耦合区域的晶格常数由1.25a-1.25a-1.25a-1.25a变为1.5a-2.0a-1.5a时，获得的耦合长度小于3a；同时将位于输入波导和耦合波导之间介质柱的宽度减小到0.18a，可获得小于2a的超短耦合长度。该耦合长度对于实现密度集成电路的小型化非常重要。
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  基于新型滤波准直器的土壤重金属EDXRF检测方法

  王蕾越, 战可涛, 尹亮

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 111-118. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.014

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  能量色散X射线荧光光谱仪（EDXRF）的体积小、价格低，但测量土壤重金属含量的准确度和重复性较差。提出一种用于EDXRF的新型滤波准直器，设计了多档位滤光片以及可调啮合准直窗口，并验证了加装新型滤波准直器的EDXRF的测量重复性和准确性。结果表明，自制土壤样品测试中，加装滤波准直器后测得的Cr、Cu、Zn元素含量的标准差比安装前降低了50%以上；国家标准样品测试中，与加装滤波准直器前相比，加装后Cu、Zn、As、Pb、Cr、Hg元素含量的测量标准差分别降低了45.0%、42.8%、35.2%、23.1%、27.5%、91.7%，表明安装滤波准直器可以有效提升仪器测量的重复性；使用加装滤波准直器的EDXRF测定干燥土壤和含水率10%的土壤，发现降低含水率可以有效提升测量重复性。将自行设计的EDXRF与第三方检测机构的测试结果进行比较，发现二者测得的Pb、As、Cr、Zn、Cu元素含量基本一致或相差较小，说明自行设计的EDXRF对大部分元素含量具有较好的测量准确性。
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  一类非齐次Schrödinger-Poisson系统解的存在性

  蔡武晋, 边慎, 赵雷嘎

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(4): 119-124. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.04.015

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  研究一类非齐次Schr?dinger-Poisson系统$\left\{ {_{ - \Delta \phi = {u^2},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \in {R^3}}^{ - \Delta u + V(x)u + \phi (x)u = f(u) + g(x),\;\;\;x \in {R^3}}} \right.$。当V（x）为径向对称位势，非齐次扰动项g（x）的范数足够小时，通过Ekeland’s变分原理和结合单调性方法的山路定理，证明了该系统解的存在性；当V（x）为强制位势且f（u）为奇函数时，通过（sP.S）_c条件和对称山路引理构造一趋于无穷大的临界值序列，获得系统无穷多解的存在性。