2022年, 第49卷, 第4期　刊出日期：2022-07-20

  

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综述
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  水声吸声材料与吸声结构研究进展

  颜天, 赵秀英, 宋昊, 王克俭

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 1-12. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.001

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  低频探测技术的发展对水下航行器的隐身性能提出了新的挑战。为了提高水下航行器的生存能力，通常会在其表面敷设水声吸声材料以吸收声纳发出的探测声波。本文综述了水声吸声材料及吸声结构的研究进展，介绍了基体材料改性、不同吸声结构对吸声性能的影响以及声学超材料在水声吸声领域中的应用，并总结了吸声材料和吸声结构中存在的问题与不足。
化学与化学工程
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  导向立体喷射复合塔板的流体力学及传质性能研究

  李子栋, 李洋, 李义, 王炎齐, 吴乔愚, 李群生

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 13-20. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.002

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  设计了一种低压降、大通量、高传质效率的导向立体喷射复合塔板（FVJT），在直径为800 mm的圆形塔内进行冷模实验，测得FVJT的干、湿板压降，雾沫夹带率，漏液率，清液层高度等流体力学数据，并通过富氧水解析实验分析塔板的传质性能；最后，根据干、湿板压降数据拟合得到压降关联式。对比研究了3种不同立体帽罩倾角对塔板性能的影响，结果表明：与新型垂直筛板（New VST）和F1浮阀塔板相比，本文所设计的FVJT干、湿板压降分别降低约20%~30%和10%~20%，传质效率提高了13%~17%，其中立体帽罩倾斜角为6°时传质效率最高。
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  基于重组分占优的热泵隔壁塔最佳拓扑结构

  罗逸航, 黄克谨

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 21-30. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.003

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  在隔壁塔（DWC）分离重组分占优宽沸点三元物系的过程中，重组分的分离产生的大量高温过热蒸汽可以被蒸汽再压缩热泵（VRHP）加以利用，进而形成不同的热泵隔壁塔（VRHP-DWC）拓扑结构。根据DWC的稳态运行特征，提出VRHP-DWC的最佳拓扑结构，包括两个VRHP：第一个VRHP用来压缩过热蒸汽并将其潜在热量释放至预分离塔的再沸器或公共再沸器；另一个VRHP用来压缩由第一个VRHP产生的高温冷凝液体和塔底产品流预热后的塔顶蒸汽，并将其潜在热量释放至预分离塔的再沸器或公共再沸器。用苯/甲苯/邻二甲苯和正戊烷/正己烷/正庚烷两组物系验证了所提出结构的经济性能，结果表明，对于隔板在中部的DWC （DWC with a middle partition，DWCM），两个例子的年度总成本（TAC）分别下降了17.22%和7.11%；而当隔板位于顶部（DWC with a top partition，DWCT）和底部（DWC with a bottom partition，DWCB）时，TAC也都有不同程度的降低。此外，还讨论了不同隔板位置对DWC性能的影响，对于两个例子而言，DWCT显示出的性能最差，而DWCM与DWCB在稳态与动态上的性能表现各有优劣。VRHP-DWC最佳拓扑结构的预先确定可以大大降低化工过程开发阶段的复杂性和乏味性，并对过程中强化技术的应用具有重要意义。
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  石油磺酸盐对玻璃纤维聚结脱水性能的影响

  邓朋飞, 李方俊, 康敬欣, 曹家铭, 冯乐晖

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 31-38. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.004

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  目前，关于纤维表面水滴聚结与脱落过程的研究多为定性分析，缺乏相关实验数据，并且各种因素对纤维聚结脱水效果的影响并不清晰。针对以上问题，搭建了一套可视化微流道实验系统；在航空煤油-水体系中加入表面活性剂石油磺酸盐，制备了两种不同界面张力的乳状液；利用建立的实验系统观测在不同界面张力下纤维表面水滴的聚结与脱落过程，并讨论了影响水滴聚结与脱落的主要因素。结果表明：在18 mN/m的界面张力下，最大水滴粒径在前3 min增长较快，在3 min后增长较为缓慢；在8 mN/m的界面张力下，在前6 min最大水滴粒径的增长趋势较为平缓，6 min后最大水滴粒径几乎不再增长，并且在聚结初始阶段水滴呈单侧分布；水滴单位面积的表面活性剂分子数存在饱和值，当达到饱和值时，水滴被表面活性剂分子完全包围，很难与其他水滴发生聚结行为；在18 mN/m的界面张力下，流场流速是引起水滴断裂脱落的主要原因；在8 mN/m的界面张力下，水滴的断裂脱落不仅受流场流速的影响，而且还与表面活性剂的含量有关。
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  团簇NiPS₃光谱性质的密度泛函分析

  宋静丽, 方志刚, 毛智龙, 井润田, 曾鑫渔, 刘立娥

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 39-47. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.005

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  运用密度泛函理论，在B3LYP/def2-tzvp水平下，对团簇NiPS₃的初始构型进行优化计算，获得9种优化构型。从红外光谱、偶极矩、拉曼光谱和极化率这4个方面对团簇NiPS₃的光谱学性质进行分析，结果表明：团簇NiPS₃的所有优化构型均为C1对称，二重平面非对称构型1^（2）最为稳定；二重立体戴帽三角锥构型5^（2）和四重立体戴帽三角锥构型3^（4）的红外活性和拉曼活性均相近；二重立体三角双锥构型2^（2）、四重立体三角双锥构型1^（4）的红外特征振动最高峰以及二重平面非对称构型4^（2）、四重立体戴帽三角锥构型3^（4）的拉曼特征振动最高峰均发生了红移现象；团簇NiPS₃的红外活性受其几何形态的影响，拉曼活性受其极化率张量大小的影响。
材料科学与工程
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  泡沫灭火剂热老化机理研究

  吴刘锁, 张建成, 马子涵, 张美琪, 张孝阿, 颜庆祥, 王成忠

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 48-55. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.006

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  水成膜泡沫灭火剂在长期储存过程中存在由于老化而导致性能下降的问题。为了研究泡沫灭火剂的老化降解机理，分别在60℃和90℃下对灭火剂进行加速热老化192 h，研究了灭火剂在老化前后的性能变化；采用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS），通过灭火剂在老化前后的离子流变化分析了碳氢表面活性剂的降解情况；采用核磁共振氢谱法（¹H NMR）定量分析了不同pH环境对碳氢表面活性剂稳定性的影响。结果表明：在60℃和90℃下加速热老化192 h后，泡沫灭火剂的发泡倍率明显下降，pH值显著升高，表面张力未发生明显变化；在90℃下热老化192 h后，烷基链长度在C₁₂以下的碳氢表面活性剂发生了明显降解，烷基链长度为C₁₄和C₁₆的碳氢表面活性剂相对稳定；在90℃下热老化192 h后，糖苷类表面活性剂在酸性和碱性环境下的降解率大于中性环境，甜菜碱类表面活性剂在碱性环境下的降解率大于酸性和中性环境，因此在实际应用时应避免添加导致体系pH大幅升高的组分。
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  天然杜仲胶乳的制备及表征

  孙泉, 苏琳, 刘桂杰, 邓琳僡, 向万坤, 赵秀英

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 56-64. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.007

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  采用溶液乳化法制备了杜仲胶乳，考察了乳化配方及乳化工艺对乳化效果的影响，确定了如下制备条件：以杜仲胶的环己烷溶液（杜仲胶的质量分数为6%）为油相胶液，采用1% Brij-52、0.5% Tween-20、0.5%十二烷基苯磺酸钠的三相复配乳化剂体系，油水体积比为1：1.5，乳化方式为高速搅拌（8 000 r/min，10 min），除溶剂方式为旋转蒸发（-0.09 MPa，40℃），浓缩方式为离心浓缩（10 000 r/min，10 min）。在优化条件下制备的杜仲胶乳的固含量可达54%，粒径约为330 nm，Zeta电位的绝对值可达57 mV。采用X射线衍射法（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱法（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和偏光显微镜（POM）对制备的杜仲胶乳进行了表征，结果表明：乳化没有破坏杜仲胶的结晶性能，杜仲胶乳中仍存在大量的微结晶，杜仲胶乳的晶型中以β晶型为主。
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  空气等离子体炬改性连续玻纤束的工艺研究

  张林, 夏章川, 何亚东, 信春玲, 王瑞雪, 任峰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 65-72. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.008

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  玻璃纤维表面光滑且呈化学惰性，聚丙烯缺少极性官能团，导致玻璃纤维与聚丙烯之间的界面润湿性能较差。为了提升玻璃纤维增强聚丙烯（GFRP）复合材料的界面结合性能，设计并搭建了空气等离子体炬处理装置，通过该装置在连续玻璃纤维束表面沉积SiO_x纳米颗粒，并测定了改性玻璃纤维的润湿性能和GFRP复合材料的界面剪切强度；采用响应曲面法（RSM）分析了喷嘴与纤维间的距离、载气流量、处理时间对玻璃纤维润湿性能的影响，并对这些工艺参数进行了优化。结果表明：当处理距离为20 mm、载气流量为1.5 L/min、处理时间为6 s时，与对照组相比，改性后的玻璃纤维与聚丙烯的接触角降低了49.8%，GFRP复合材料的界面剪切强度提高了94.7%；载气流量对玻璃纤维润湿性能的影响程度最大，处理时间次之，处理距离的影响最小。优化后的工艺参数为：喷嘴与纤维间的距离为18 mm，载气流量为1.7 L/min，处理时间为7 s。在此工艺条件下制备了空气等离子体炬改性的玻璃纤维，实测的接触角（24.6°）与预测值（25.0°）之间的偏差仅为1.6%。
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  WO₃/碳点/TiO₂复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

  王超越, 徐鑫, 赵鹏杰, 崔骏

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 73-82. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.009

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  采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列（TNAs），然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层，得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极（TCW），并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法（UV-Vis DRS）和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能，并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比，TCW的吸收边从紫外光区（384 nm）扩展至可见光区（426 nm），带隙宽度（E_g）从3.23 eV降低到2.91 eV，对光的吸收能力显著提升；可见光响应电流密度提高了6.85倍，达到157 μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后，阴极表面的稳态光响应电流密度达到101 μA/cm²；与耦合前相比，其自腐蚀电位降低了0.41 V （vs.Ag/AgCl），电化学电流噪声（ECN）振幅增大，腐蚀过程受到明显抑制。以上结果表明TCW对Q235碳钢具有优异的光致阴极保护作用。
机电工程和信息科学
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  相变蓄热水箱蓄热性能数值模拟研究

  田源, 陈聪, 卢涛, 杨洪润, 罗彦, 成翔

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 83-90. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.010

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  在封闭静止的蓄热水箱中添加相变材料可以增加水箱热容量、延长水箱升温时间。分别建立了有、无相变单元蓄热水箱的物理模型，利用有限体积分析法对蓄热水箱加热过程进行数值模拟，探讨了封闭水箱加热过程中相变单元的熔化规律和相变单元对水箱温升的影响规律。研究结果表明相对于纯水蓄热水箱，当蓄热水箱中加入占水箱容积9.05%（体积分数）的相变单元、其平均温升29 K时，蓄热水箱的整体热容量提高了25.58%，加热时间延长了1 100 s；蓄热水箱内只在垂直方向上存在热分层，导致含有相变单元的蓄热水箱较高位置处的相变单元先熔化，降低了较高位置处水的温升速率，使得相变蓄热水箱和纯水蓄热水箱的热分层剧烈程度存在差别；以最大温差值作为判断水箱热分层剧烈程度的依据，不同加热功率下相变蓄热水箱的热分层特征变化规律大致相同，但加热功率越大，热分层现象越剧烈。
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  螺杆结构对熔融金属挤压成型流场分布的影响研究

  于天艺, 曹曾, 徐红兵, 张冰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 91-95. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.011

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  基于无限大平板模型进行挤出过程的压力公式推导，开展单螺杆结构对于熔融金属挤出过程的流场分布影响研究。将机头压力损耗计算所得压力数值与单螺杆挤出机建压数值进行对比，从而判断单螺杆挤出机挤出能力。采用ANSYS中的POLYFLOW模块对挤出过程进行仿真模拟，该模块采用网格叠加技术，模拟熔融状态下金属锡的挤出，其中忽略了惯性和重力影响的三维计算，对螺杆进行最优化设计。研究发现减小挤出机的机筒间隙及螺距可以增加螺杆元件对物料的输送能力，且由于金属具有超高流动性，在挤出中并不需要有完整的固体塞段。通过理论分析得到最优螺杆设计参数并完成样机制备，通过实验验证设备的可行性，最终结果表明所设计小型单螺杆挤出机能够实现金属锡的连续均匀挤出。
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  轮胎带束层接头缺陷在线检测研究

  苑诗帅, 焦冬梅, 杨世豪, 王同坤, 杨化林

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 96-104. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.012

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  轮胎带束层在线贴合时，接头对接质量是影响轮胎安全性的关键因素，也是企业质量把控的关键环节。目前企业中对于带束层接头质量的检测方式主要是人工及少部分传统视觉检测，人工检测的评价结果受人的主观意识影响较大，导致误判率、错判率高，而传统视觉检测因为胎面粗糙度、接头缺陷性质等因素，容易出现误检率高、效率低等现象。为解决上述问题，提出一种基于机器视觉及线激光辅助的轮胎带束层接头缺陷在线检测技术，建立了一种将积分法初定位与斜率均值法精提取相结合的特征点提取方法，有效消除了带束层表面粗糙度对特征点提取精度的干扰；建立了精度校正模型，减少了伪特征点对测量精度的影响。最后通过实验验证了本文方法应用于带束层接头缺陷在线检测的有效性，实验结果表明所提方法的平均检测时间为3.35 s、误检率低于5%，相较于传统的检测方法具有更高的效率与准确率。
管理与数理科学
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  增强的张量鲁棒主成分分析模型及其应用

  赵奉营, 杨宏伟, 赵丽娜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 105-116. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.013

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  鲁棒主成分分析（RPCA）是处理图像恢复和背景建模问题的常用模型。针对原始RPCA及其改进模型对输入数据低秩结构的依赖性过强问题，提出一个增强的张量鲁棒主成分分析模型（E-TRPCA）并构造了一个新的增强张量核范数（E-TNN）正则项。E-TNN基于张量数据的低维子空间投影约束其低秩性，可以更真实地反映张量数据的潜在结构，增强模型的泛化性。利用交替方向乘子算法（ADMM）对目标函数进行优化求解，在图像去噪和背景建模上的实验结果表明所提方法在图像恢复效果和运行时间方面要优于当前的其他方法。
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  三维可压缩Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组Cauchy问题的适定性

  王静, 侯东杰, 陈亚洲

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(4): 117-123. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.04.014

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  研究了一类刻画具有扩散界面的非混相两相流模型，即可压缩Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组的Cauchy问题。在初始小扰动的条件下，通过能量估计的方法证明了三维Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组全局强解的存在唯一性。