2021年, 第48卷, 第5期　刊出日期：2021-09-20

  

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综述
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  沼气制氢工艺研究进展

  丁川, 羊省儒, 李叶青, 周红军, 江皓, 徐泉, 冯璐

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 1-10. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.001

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  沼气是具有巨大发展潜力的清洁可再生能源，可作为生物天然气的来源。利用沼气提纯得到天然气品质的甲烷制氢或沼气原料直接制氢具有可持续和环境友好等优点，而沼气中杂质的去除、催化剂以及操作条件的优化是提高沼气制氢反应效率和选择性的重点。系统综述了目前主要的几种沼气制氢工艺的研究进展。较优的沼气制氢工艺包括：将沼气提纯得到的甲烷通过催化裂解法制氢，可避免生成CO_x；消耗沼气主要成分CO₂和CH₄制氢的干重整法；能够结合H₂的分离和纯化、CO₂捕集和热整合的化学链重整技术。通过高效的工艺利用沼气制取氢气，对促进生物天然气产业的发展、提高可再生能源的使用率以及实现碳减排具有重要意义。
化学与化学工程
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  甲醇-丁酮共沸物萃取精馏的模拟与优化

  安永胜, 谢小强, 胡南, 张鑫海, 孙雪飞, 冯凯, 刘亮, 李群生

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 11-16. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.002

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  针对甲醇-丁酮二元共沸物难以分离的问题，以氯苯为溶剂，采用萃取精馏技术进行了流程设计和模拟计算。分别计算比较了苯甲醚、甲苯、氯苯3种萃取剂存在下甲醇-丁酮的无限稀释相对挥发度，结果表明氯苯的分离效果最优，并从剩余曲线角度分析了萃取精馏工艺的可行性。以全年总费用（TAC）为目标函数，对萃取剂用量、原料进料位置、萃取剂进料位置、总理论板数等参数进行了优化，模拟结果表明，氯苯的加入可以实现甲醇-丁酮体系的有效分离，产品纯度可达99.9%以上。从节能角度对萃取精馏工艺进行了优化，与节能前的工艺相比，设备费用增加3.28万元，能耗降低43.86万元，TAC降低42.77万元。
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  碱预处理促进椰衣纤维厌氧消化产气研究

  魏宝程, 王立功, 王珏, 刘广青, 陈畅

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 17-23. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.003

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  针对当前存在的椰衣纤维量大且难处理的问题，研究了NaOH、KOH、Ca （OH）₂和碱性H₂O₂（AHP）预处理对其厌氧消化性能的影响。结果表明，碱预处理可以缩短椰衣纤维厌氧消化反应的迟滞期，提高累积沼气产量。采用7% NaOH和7% AHP预处理可显著去除木质素，累积产气量（基于挥发性固体含量，VS）可达218.3 mL/g和217.8 mL/g，较未预处理的椰衣纤维（累积产气量为101.1 mL/g）提升了115.9%和115.4%。
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  团簇Co₃FeP异构化反应的热力学与动力学研究

  毛智龙, 方志刚, 秦渝, 许友, 侯欠欠

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 24-32. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.004

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  为了寻找团簇Co₃FeP的稳定性、结构和内部作用力等规律，利用密度泛函理论，在B3LYP/Lanl2dz的量化水平下对团簇Co₃FeP进行理论计算，得到5种优化构型，并从化学反应热力学与动力学的角度对其异构化反应中的反应物、过渡态和生成物进行了讨论分析。结果表明，所有构型均为C1对称且构型的空间结构对其熵值有影响；构型的稳定性主要由金属原子与非金属原子所决定，并且在常温常压下构型1^（3）、2^（3）和3^（3）可以稳定存在，是大部分异构化反应的最终产物。因此，在实际材料的开发中，不仅需要注意金属原子与非金属原子之间的作用力以确保构型的稳定性，还应首先考虑对稳定构型1^（3）、2^（3）和3^（3）进行相关研究。
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  粗糙多孔保温层的热质耦合传递分形研究

  高伟业, 张赛, 张杰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 33-40. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.005

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  粗糙多孔保温层内部的热质耦合传递过程广泛存在于能源利用、机械隔热等工程中，为了更加真实地体现该热质耦合传递过程，将粗糙的孔隙通道描述为短周期正弦变化的毛细管道，根据达西定律、能量守恒定律和牛顿冷却定律，同时考虑粗糙度和粗糙密集度两个影响因素，提出了粗糙毛细管道的渗流系数和对流换热系数模型，分析了粗糙表面对渗流系数和对流换热系数的影响。结果表明，渗流系数模型的理论预测值与实验数据相吻合；渗流系数与面积分形维数、粗糙密集度呈正相关，与迂曲分形维数、粗糙度呈负相关；对流换热系数与渗流系数、粗糙度和粗糙密集度呈正相关，与面积分形维数、迂曲分形维数呈负相关。
材料科学与工程
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  聚酰胺连续纤维浸渍复合加工的停留时间理论模型

  周磊磊, 信春玲, 陈剑昭, 任峰, 何亚东

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 41-49. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.006

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  采用停留时间分布（RTD）函数和自行设计的弯曲流道浸渍模具，对连续纤维增强聚酰胺复合材料加工过程中的停留时间进行研究，建立了弯曲流道停留时间的数学模型，并通过实验验证了模型的可靠性，结果表明该模型可以准确预测树脂在浸渍模具中的停留时间。采用Box-Behnken响应面法设计5因素3水平的试验方案，模拟了模具结构对加工过程中外部累积体积分数为95%时所对应的停留时间（t₉₅）的影响，结果表明，流道单元长度和流道单元个数对t₉₅的影响最大。通过模拟优化试验得到了浸渍模具结构的最优参数为：流道单元长度12.5 mm，流道圆角半径3 mm，流道单元个数10个，流道单元夹角160°，模具间隙1.4 mm。
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  冷却单螺杆内聚合物熔体传热模型

  费腾, 尹龙, 信春玲, 何亚东

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 50-58. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.007

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  基于聚合物熔体在冷却单螺杆内传热，引入平均温度表征螺槽深度方向的熔体温度变化，将黏性生热简化为内热源，建立聚合物熔体传热理论分析模型；基于模型分析了冷却单螺杆的结构参数与工艺参数对聚合物熔体冷却过程的影响规律，并通过计算流体动力学（CFD）模拟验证模型的准确性。结果表明，当螺槽深度为5~9 mm、螺纹升角为30°~50°时，通过增大螺槽深度和螺纹升角，同时降低螺杆转速和减少产量，能够有效增强冷却单螺杆内聚合物熔体的冷却效果，此时模型能够满足冷却单螺杆内聚合物熔体的降温需求。数值模拟值与模型计算值的最大相对误差为1.21%，表明聚合物熔体传热模型能够预测冷却单螺杆内聚合物熔体的冷却过程，可以为串联挤出发泡系统中冷却单螺杆的设计提供一定的理论参考。
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  液化石油气中硫化物对铜腐蚀的影响及机理研究

  易飞, 陆原, 赵景茂

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 59-65. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.008

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  液化石油气（LPG）中极少量的硫化物会对铜质设备造成严重的腐蚀，影响LPG的生产、销售和使用，因此研究LPG中硫化物对铜腐蚀的影响具有重要的实际意义。研究了LPG中不同含量的羰基硫、乙硫醇及硫化氢对铜片腐蚀的影响，并通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和全反射红外光谱法（ATR）对腐蚀产物进行了表征和分析，探究了这3种硫化物对铜片腐蚀的机理。结果表明，当LPG中羰基硫和乙硫醇的含量为20 μg/g时开始腐蚀铜片，硫化氢的含量为5 μg/g时开始腐蚀铜片，随着硫化氢含量的增加，腐蚀程度加剧；当3种硫化物的含量为20 μg/g时，铜片均出现明显的腐蚀产物，腐蚀以局部腐蚀为主。羰基硫和乙硫醇的腐蚀产物中含有机化合物成分，硫化氢的腐蚀产物主要为无机物Cu₂S和Cu₂O；羰基硫对铜的腐蚀过程为铜原子与羰基硫中的硫和碳成键，形成羰基硫化铜，或者铜原子与硫成键，形成缔合后的复杂腐蚀产物。
生物技术与环境工程
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  基于网络药理学研究雷公藤抗肝癌的分子机制及初步验证

  刘澍, 卢建东, 吕祎彤, 喻长远, 熊国良

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 66-75. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.009

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  基于中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP）筛选雷公藤抗肝癌的有效成分，采用GeneCards、OMIM、Drugbank、GEO等疾病数据库筛选差异性表达基因，找到相互映射的核心物质及靶点，构建药效成分-靶点（C-T）网络、蛋白互作网络（PPI），进行gene ontology （GO）和Kyoto encyclopedia of genes and genomes （KEGG）富集分析，获知其生物学机制，并利用分子对接技术和生物学实验进行验证。结果表明，雷公藤的主要药效成分为雷公藤甲素和雷公藤红素，PTGS2、CXCL8、TGFB1、STAT3等核心靶点主要富集于癌症及多条炎症因子的相关通路中，雷公藤甲素与PTGS2以及雷公藤红素与PTGS2、CXCL8、STAT3有着很强的结合活性，雷公藤甲素和雷公藤红素可以抑制PTGS2和STAT3蛋白的表达。以上结果表明，雷公藤可能作用于这些靶点，通过调控细胞的增殖和凋亡，发挥抗炎、调节免疫的作用，从而抑制肝癌的恶化。
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  近红外光响应香豆素基复合载体的构建及性能

  信富华, 田梦媛, 孙芳

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 76-83. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.010

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  采用可逆加成-断裂链转移自由基（RAFT）聚合法制备了香豆素基紫外光响应凝胶（PG），然后通过简单的共混法，利用上转换纳米粒子（UC）和PG构建了近红外光响应复合载体（UC-PG）。通过透射电子显微镜（TEM）表征了UC-PG的微观形貌，分别利用紫外分光光度计、荧光光度计及四甲基偶氮唑盐比色法（MTT法）研究了UC-PG的光化学性能、药物释放行为及HeLa细胞毒性。结果表明，UC-PG的紫外吸收光谱与荧光发射光谱有一定的重叠，可以实现近红外刺激响应。在近红外光（980 nm）照射下，UC-PG可以有效地释放模拟药物香豆素102；照射20 min后，香豆素102的累积释放率达72.6%，远高于PG在紫外光（365 nm）下照射20 min时的累积释放率（51.3%）。在光响应复合载体的存在下以及复合载体在20 min的释药过程中，复合载体对HeLa细胞的毒性均较低。以上结果表明所构建的近红外光响应香豆素基复合载体在药物释放领域具有潜在的应用前景。
机电工程和信息科学
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  改进变分模态分解在发动机气门间隙异常故障诊断中的应用

  张进杰, 常坤, 刘峰春, 程贵健, 魏琨竺, 茆志伟

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 84-93. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.011

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  基于振动监测信号的故障诊断技术，对于船舶、油气田、核电等关键领域中大型高速柴油机的健康管理和智能运维具有重要意义。针对柴油发动机气门间隙异常故障，提出了基于振动数据驱动的故障诊断方法。首先，提出模态数量和惩罚因子均为自动优选的改进变分模态分解（VMD）方法，克服了传统VMD方法中上述参数需凭经验预设的缺点；进一步，对VMD分量进行多域特征提取，利用核密度估计方法进行特征敏感性的排序和选择；最后，构建全连接网络分类模型，将优选后的故障敏感特征通过分类模型进行故障识别。利用故障模拟实验台验证了不同工况下的气门间隙异常数据，结果表明本文所提的基于改进变分模态分解的气门间隙异常诊断方法故障识别率超过86%，具有良好的应用效果。
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  不同动量比对T型管冷热流体掺混及管道热疲劳的影响

  陈柏宇, 周照春, 孙燕, 陈爽, 欧阳斌, 卢涛

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 94-101. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.012

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  为探究主支管流体不同动量比对T型管道内冷热流体掺混过程及管道热疲劳程度的影响，通过对T型管内不同主支管流体动量比工况下冷热流体的掺混过程进行大涡模拟（LES），计算得到管道壁面及管道内流体的温度波动情况，并使用同一套T型管网格模型进行了流固耦合计算，得到了动量比对T型管道热应力及热疲劳寿命的影响规律。计算结果表明，当动量比变化使得T型管内流体的搅混流型发生变化时，动量比对管道热疲劳的影响明显，其中，搅混流型为偏转流时，管道的热疲劳现象相较于搅混流型为壁面流的热疲劳现象得到明显的改善，预测热疲劳寿命从8.81×10^-4年提高到5.40×10¹⁵年。因此，随着主支管流体动量比的降低，流体搅混流型从壁面流转变为偏转流，管道的热疲劳寿命得到明显提高。
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  基于心率变异性特征和PCA-SVR的PAD维度情感预测分析

  韩永明, 张明星, 耿志强

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 102-110. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.013

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  对于PAD （pleasure：愉悦度；arousal：唤醒度；dominance：优势度）维度情感预测和分析中的数值预测问题，结合心率变异性（heart rate variability，HRV）特点，提出了基于主成分分析（principal component analysis，PCA）和支持向量回归（support vector regression，SVR）的PAD维度情感预测模型（PCA-SVR）。通过柔性离子传感器以音乐和视频的诱导方式采集了12名志愿者在放松和焦虑两种情感状态下的心率和心率间期数据，利用PAD量表进行标注，通过均值和方差计算等统计方法、Welch功率谱、Poincaré散点图等分别提取HRV的时域、频域和非线性特征，然后利用PCA模型对HRV特征降维，最后利用降维后的HRV特征作为SVR模型的输入特征进行训练和预测。实验结果表明，结合HRV特征的PCA-SVR模型在PAD的3个维度上均有良好的预测效果，其平均一致性相关系数达到了0.51。同时对比了SVR、极限学习机（extreme learning machine，ELM）和基于PCA的ELM这3种预测方法，结果显示所提方法相对于以上3种方法在一致性相关系数上分别提升了0.14、0.10和0.04，表明该方法能够细致地划分情感，结合可穿戴设备，在情感识别和分析方面有一定补充作用，为在日常生活中针对情感的识别和预测带来了可能。
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  基于流水线架构的卷积神经网络FPGA实现

  崔江伟, 周勇胜, 张帆, 尹嫱, 项德良

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 111-118. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.014

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  卷积神经网络（CNN）已被广泛用于图像处理领域，且通常在CPU和GPU平台上进行计算，然而在CNN推理阶段存在CPU计算速度慢和GPU功耗高的问题。鉴于现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）能够实现计算速度和功耗的平衡，针对当前在卷积结构设计、流水线设计、存储优化方面存在的问题，设计了基于FPGA的卷积神经网络并行加速结构。首先将图像数据和权值数据定点化为16 bit定点数，一定程度上减少了乘加运算的复杂性；然后根据卷积计算的并行特性，设计了一种高并行流水线卷积运算电路，提高了卷积运算性能，同时也对与片外存储进行数据交互的流水线存储结构进行了优化，以减少数据传输的时间消耗。实验结果表明，整体加速器在ImageNet数据集上的识别率达到94.6%，与近年来相关领域的报道结果相比，本文在计算性能方面有一定的优势。
管理与数理科学
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  一类带恐惧效应的三物种食物链模型的分支分析

  王彩宇, 常玉, 陈晓楠

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 119-123. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.015

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  主要研究了恐惧效应对三物种食物链模型中分支动态的影响，运用中心流形定理和局部分支理论分析了Hopf分支、transcritical分支和saddle-node分支的存在性，并给出相应的数值模拟结果。研究结果表明，分支是种群发生失稳和周期性振荡的根本原因，从而揭示了恐惧效应是维持种群稳定的重要因素。
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  一类带小扰动的Raman散射的数学模型研究

  肖蕊梅, 江新华, 李明远

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(5): 124-128. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.05.016

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  研究一类带小扰动的Raman散射的数学模型的相关问题，使用积分方程和Banach不动点定理证明初值问题的解的存在唯一，并利用多重尺度法求解渐近解，再借助积分方程和Gronwall不等式得到渐近解的余项估计，从而证明了渐近解的一致有效性。