2022年, 第49卷, 第3期　刊出日期：2022-05-20

  

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化学与化学工程
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  中心切割气相色谱法测定丁二烯抽提装置尾气全组成

  蒋力维, 王安

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 1-6. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.001

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  建立了一种利用中心切割二维气相色谱法准确测定丁二烯抽提装置尾气全组成的分析方法。采用INNOWax毛细管色谱柱与Al₂O₃毛细管色谱柱串联，在线速度为30 cm/s，初始温度为48℃保持6 min、以8℃/min速率升温至150℃并保持10 min的程序升温色谱条件下，通过外标法和校正面积归一法，对丁二烯抽提装置尾气中碳四烃类和乙腈进行了测定。结果表明：在本文的实验条件下，碳四烃类和乙腈的分离效果良好；各组分的检出限（LOD）在1.2~2.4 mg/kg之间，相对标准偏差（RSD）均小于4.0%；本方法和已有方法测得的各物质含量接近，并且精密度不存在统计学上的差异。本方法仅需一次进样即可完成测定，检测速度快，结果准确可靠，适合丁二烯抽提装置尾气中全组分的测定。
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  木质纤维素基生物炭对葡萄糖厌氧消化性能的影响及机理研究

  孙子滟, 李叶青, 潘君廷

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 7-15. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.002

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  生物炭是提高厌氧消化性能的有效添加剂，由于生物炭性质的多样性和厌氧体系的复杂性，生物炭对厌氧消化的促进机理尚未得到全面认识。以生物质纯组分——纤维素、半纤维素和木质素为原料，分别采用水热法和热解法制备了生物炭，考察了生物炭对葡萄糖厌氧消化的影响，并从微生物分析、官能团组成和电导率等方面探究了其作用机理。结果表明：与对照组相比，生物炭的添加能加快葡萄糖厌氧消化速率，提高消化效率；相较于纤维素和半纤维素，以木质素为原料制备的生物炭的效果更好；以木质素为原料制备的水热炭和热解炭均能在一定程度上富集互养型发酵细菌，这可能有助于促进直接种间电子转移（DIET）机制的建立，从而提高产甲烷速率；生物炭丰富的表面含氧官能团和较大的电导率可能是其强化厌氧消化效果的关键特性；通过变异性分析发现，相较于制备方法，累积产甲烷量对生物炭原料的依赖性更大。
材料科学与工程
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  电泳沉积海藻酸钠/碳纳米管修饰高模碳纤维表面

  田艳红, 魏旭峰, 张学军

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 16-21. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.003

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  采用纳米材料增加碳纤维（CF）的表面粗糙度及活性官能团，不仅可以改善CF增强复合材料的界面结合状态，而且不会对CF本体造成损伤，是一种极具发展潜力的新型CF表面改性手段。使用电泳沉积技术（EPD）将碳纳米管（CNTs）沉积在高模CF表面，然后与环氧树脂（EP）复合，制备了单向纤维增强层压板（CF/EP复合材料）。使用万能拉力机测试CF/EP复合材料的层间剪切强度（ILSS），结果表明，在电压为6 V时制备的CF/EP复合材料的ILSS为58.9 MPa，与未经EPD处理的CF/EP复合材料（ILSS=52.2 MPa）相比提高了12.8%。同时，通过EPD制备了海藻酸钠与CNTs共沉积修饰的高模CF，海藻酸钠的加入增加了CNTs与CF表面的黏附性及氧含量，提高了纤维表面对树脂基体的浸润性。当CNTs的质量浓度为0.3 mg/mL、海藻酸钠的质量浓度为1 mg/mL、EPD电压为8 V时，所制备的CF/EP复合材料的ILSS可达68.3 MPa，与未经EPD处理的CF/EP复合材料相比提高了30.8%。
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  含氰基和乙炔基苯并噁嗪树脂的固化行为及性能研究

  李泽宇, 王志德, 周权

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 22-29. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.004

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  以4-氨基苯氧邻苯二甲腈（BZN）、间氨基苯乙炔（APA）和多聚甲醛为原料制备了含氰基和乙炔基的苯并噁嗪树脂（BZ-BPA）。利用差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱法（F T-IR）、热重分析法（TGA）分析了BZ-BPA的固化行为，得到：BZ-BPA在固化反应过程中存在两个放热峰（225℃和274℃）；在氮气氛围下，BZ-BPA固化物热失重5%的温度（T _d5）为502.6℃，800℃时质量残留率为79.8%；在空气氛围下，T _d5为506.0℃，800℃时质量残留率为29.6%。采用Kissinger法计算得到两个固化反应的表观活化能（E）：E₁=228.31 kJ/mol，E₂=87.97 kJ/mol；由Ozawa法计算得到：E₁=225.98 kJ/mol，E₂=92.26 kJ/mol；固化反应接近一级反应。考察了石英纤维增强的BZ-BPA复合材料（QF/BZ-BPA）的力学性能和耐热性能，结果显示：QF/BZ-BPA的玻璃化转变温度（T_g）为476℃；在常温下其弯曲强度为764.2 MPa，层间剪切强度为57.3 MPa；在400℃热处理2 h后，其弯曲强度为614.5 MPa，层间剪切强度为38.1 MPa；400℃热处理10 h后，其质量损失仅为2.4%。以上结果表明BZ-BPA复合材料具有优异的力学性能和耐热性能。
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  含硅氧烷链段和聚苯醚结构的芳香族聚酰胺的制备及其对环氧树脂的增韧改性

  张津怡, 白小陶, 刘敏, 王芳, 周权

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 30-39. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.005

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  以端氨基聚二甲基硅氧烷（ATPDMS）和聚苯醚（PPO）为原料，采用一锅缩聚法合成了一种含硅氧烷链段和聚苯醚结构的芳香族聚酰胺（PAPM），并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）对其进行了结构表征。将PAPM作为增韧改性剂，与固化剂甲基六氢苯酐（MHHPA）一起加入环氧树脂（E51）中制备了E51/MHHPA/PAPM固化物。测试了PAPM和E51的相容性，结果表明，当添加量为5%~15%（质量分数）时，PAPM与E51在固化后的相容性良好，没有发生宏观可见光尺度上的相分离。力学性能测试结果表明：当PAPM添加量为15%时，环氧固化物的临界应力强度因子（K_IC）相比不添加PAPM的环氧体系增加了112.2%；当PAPM添加量为5%时，环氧固化物的储能模量相比不添加PAPM的环氧体系增加了56.6%。采用扫描电子显微镜（SEM）对增韧改性材料的断面形貌进行了分析，结果表明其断裂面呈现漩涡状裂纹结构，断裂表现为韧性断裂。差示扫描量热法（DSC）测试结果表明，当PAPM添加量为15%时，环氧固化物的玻璃化转变温度（T_g）相对于不含PAPM的环氧体系提高了28.2℃。
生物技术与环境工程
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  天然酵母菌利用海藻酸生成乙醇的代谢机理研究

  张雯, 李晨, 章俊杰, 张元晶

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 40-46. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.006

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  天然酵母菌利用褐藻生成乙醇可以规避传统生物乙醇生产方法的不足，正在成为能源领域关注的热点之一，但是其代谢机理尚不明确。考察了不同碳源对季也蒙酵母（Meyerozyma guilliermondii）发酵生产乙醇的影响；通过高效液相色谱法（HPLC）和气相色谱法（GC）测定了海藻酸代谢过程中重要中间产物含量的动态变化。结果表明：季也蒙酵母可以直接利用甘露糖醛酸和古洛糖醛酸这两种单体进行乙醇发酵；在发酵过程中，中间产物丙酮酸、3-磷酸甘油醛和乙醛的浓度均呈现先增大后减小的趋势，但3-磷酸甘油醛的浓度变化较小。建立了海藻酸的代谢途径模型，并通过乙二胺四乙酸（EDTA）添加试验和镁离子浓度控制试验初步验证了该模型，推测海藻酸的代谢途径为：酵母菌产生胞外海藻酸裂解酶，将海藻酸裂解成寡聚海藻酸，随后进一步降解为低聚体；进入酵母菌细胞后，低聚体转化为糖醛酸单体等前体物质，随后转化为3-磷酸甘油醛、丙酮酸等中间产物，然后在丙酮酸脱羧酶及乙醇脱氢酶的作用下，最终生成乙醇。
机电工程和信息科学
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  基于GA优化的VMD-SVM识别角度头故障特征

  陈建, 姚剑飞, 赵洪杰, 刘争, 张素燕

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 47-54. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.007

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  提出一种基于遗传算法优化的变分模态分解（variational mode decomposition，VMD）-支持向量机（support vector machine，SVM）方法来识别机床角度头故障特征。首先采用遗传算法对VMD算法的输入参数进行优化，将优化后的VMD算法用于振动信号的分解，得到各本征模态函数（IMF）后，求得对应的能量熵；然后通过SVM算法筛选出有效故障数据，再利用峭度和相关系数相结合的方法将其中的IMF筛选出来并重构信号；最后，对该信号作频谱分析，分析相关特征信息，识别并诊断出故障。根据仿真和实验结果，所提方法对于故障角度头的有效信号筛选正确率高，对于噪声抑制效果良好，特征提取快速有效，可用于机床故障诊断领域。
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  变工况下基于加权理论的气阀泄漏诊断方法研究

  张登路, 周纪武, 王瑶, 张进杰, 孙旭

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 55-62. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.008

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  往复式压缩机是石油化工等行业中不可或缺的关键设备，而压缩机结构复杂、故障率高，其中气阀故障是其主要的故障形式之一。同时，负荷调节工况与气阀故障工况的相互耦合使得示功图变化规律更加复杂，增加了故障诊断的难度。为此，探究了变负荷及气阀故障工况下示功图几何特征的变化规律，提出一种针对变负荷与气阀故障耦合工况下的气阀故障诊断方法。该方法利用反向传播（BP）神经网络进行特征分类，首先分别依据示功图几何特征（包括面积、形心和形心主惯性矩等）以及灰度矩阵统计特征得到压缩机的负荷，再进一步结合故障特征判断气阀的故障类型。为提高诊断结果的准确度，将加权证据融合理论应用于故障分类过程，最终获得精准的气阀故障评估结果。基于实验台数据，对不同泄漏率的气阀故障进行实验验证，负荷预测的准确率为97.5%，气阀泄漏故障识别的准确率为96.1%。
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  内置转子圆管管内沸腾强化传热数值模拟研究

  黎昊为, 左夏华, 张岱凌, 温馨, 阎华, 杨卫民

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 63-69. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.009

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  利用Fluent软件中欧拉多相流模型下的Rensselaer Polytechnic Institute （RPI）沸腾模型对内置单元组合转子换热管和光管在过冷沸腾工况下的传热过程进行数值模拟，得到换热管内汽相分布、速度场、努赛尔数以及进出口压降等参数，并通过综合评价因子（PEC）对内置转子换热管的综合传热性能进行评价。结果表明：加装了组合转子后，管内流体由单一的轴向运动变为复杂的螺旋运动；在入口流速0.1~0.5 m/s的模拟范围内，随着入口流速的减小，内置螺旋三叶片转子换热管的汽相体积分数比光管提高2.7%~25.8%，努塞尔数提高了约8.1%~10.79%；在不同入口流速下螺旋三叶片转子和低流阻转子的PEC值均大于1，内置低流阻转子换热管的汽相体积分数比光管提高1.13%~13%，努塞尔数提高约3.6%~8%。螺旋三叶片转子和低流阻转子均具有强化传热效果，且螺旋三叶片转子的强化传热效果要优于低流阻转子。
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  大直径磁性液体密封新结构的优化设计

  杨晟, 李德才, 赵云翔

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 70-76. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.010

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  磁性液体密封应用于大轴径的工况下时，环形永磁体作为磁性液体密封的磁源结构，存在因直径过大导致充磁不均匀进而引发的密封耐压能力降低的问题。为解决这一问题，设计了一种轴上永磁体的磁性液体密封结构，该结构的环形永磁体设计在轴上，与传统的磁性液体密封相比减小了环形永磁体的直径，同时减小了结构总体的轴向尺寸，使其具有结构紧凑的特点。通过有限元仿真对环形永磁体的几何参数进行优化，同时对比了新结构在极靴上开极齿和在环形永磁体上开极齿两种方式耐压能力的区别。通过模拟分析得到所设计密封结构磁通密度在极齿上的分布以及大小，并计算出理论耐压能力，证明了所设计密封结构的合理性。
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  基于自适应滑模的气量调节系统执行器故障工况下的自愈调控策略

  洪槐斌, 端木君, 冀杰, 李彪, 王瑶

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 77-84. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.011

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  针对往复式压缩机气量调节系统中存在的执行器失效、偏移等问题，提出一种基于滑模变结构容错控制的自适应自愈调控方法。首先，通过推导气量调节系统的热力学公式，得到输出缓冲罐压力与可调负荷之间的非线性状态空间方程；然后，通过引入自适应控制参数在线调节控制器输出，在确保设定值跟踪性能的前提下提高其对外部干扰和执行器故障的鲁棒性；随后基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性；最后通过数值仿真验证了所提的自适应滑模控制策略能够有效地对执行器故障工况下的往复式压缩机气量调节系统进行自愈调控，为系统的稳定性和鲁棒性提供保障。
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  沥青带材流延工艺冷却过程数值模拟

  卢涛, 方洋, 孙伟成, 单涛, 马祖恺

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 85-90. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.012

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  为了探究沥青带材在流延加工时的冷却过程以及优化生产工艺，通过计算流体力学（CFD）数值模拟，将沥青带材的流延加工过程简化成2D高黏度流体与传热过程，建立了多层沥青带材-冷却辊二维模型，并分析了带材厚度、进料位置和辊筒直径对沥青流延工艺传热过程的影响。结果表明：沥青厚度对辊筒冷却段的降温过程影响显著，第一层流延沥青的厚度越小，辊筒对其冷却效果越好，越有利于第二层覆膜；适当前移第一次沥青流延的进料位置，并缩短两次进料的间距，能够改善辊筒的冷却效果；增大冷却辊筒直径可以增加冷却时间，提高冷却效果。
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  基于海林格距离加权关键主元的流程工业故障检测研究

  赵成, 苏圣超

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 91-101. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.013

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  在采用主成分分析（principal component analysis，PCA）算法进行故障检测时，主元的选取及处理直接影响其故障检测的表现。对此，提出一种基于全变量表达（full variable expression，FVE）和海林格距离（Hellinger distance，HD）的故障检测方法。首先，利用FVE得到所有关键主元，即保留所有变量信息；然后考虑到与故障相关主元的重要性，定义基于海林格距离的变化率，用来衡量正常工况下主元与异常工况下主元的差异；对与故障发生更相关的主元进行加权，以突出与故障相关主元对于后续故障检测的影响；最后，考虑到降维后数据通常服从非高斯分布，利用改进的局部离群因子（local outlier factor，LOF）构建统计量，其相应控制限通过核密度估计（kernel density estimation，KDE）确定。数值实例及带钢热连轧实际生产数据验证了所提方法的有效性与优越性。
管理与数理科学
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  最大度至多为3的图上极大分离集的最大数目

  李雨欣, 苏贵福

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 102-107. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.014

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  给定图G=（V，E），若顶点子集F在图G中的导出子图的最大度至多为1，则称F为图G的一个分离集；若F不是其他分离集的真子集，则称F为一个极大分离集。对极大分离集计数问题进行研究，证明了在所有n个顶点且最大度至多为3的图上最多有\begin{document}${6^{\frac{\mathit{n}}{{\rm{4}}}}}$\end{document}个极大分离集，并刻画了相应的极图结构。
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  含有三阶色散和自频移与自陡峭项的立方-五次非线性薛定谔方程的孤子解

  练少鹏, 李威

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(3): 108-114. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.03.015

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  研究了含有三阶色散、自频移与自陡峭项的立方-五次非线性薛定谔方程。根据齐次平衡原则，运用Riccati方程-展开法、Riccati方程-倒数展开法、Exp-展开法得到非线性薛定谔方程的几种精确解，即亮-孤立波、激波、周期波，图示了解的波形结构，并比较了3种方法的关联性。