工程科學學報

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期刊信息

月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

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2014年第36卷第2期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與建筑

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資源與開發

頁巖氣滲流特征及壓裂井產能

宋洪慶, 劉啟鵬, 于明旭, 吳鵬, 張雨

2014, 36(2): 139-144. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.001

[摘要](291)

[PDF 479KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
依據分子運動學理論，對含納米孔隙頁巖儲層氣體滲流規律進行理論分析，建立適用于多尺度介質的氣體運動方程和頁巖氣輸運數學模型，得到徑向流條件下的壓力分布公式，形成頁巖氣井控制區域計算方法，建立了壓裂井三區耦合非線性滲流產能方程.采用牛頓迭代法進行數值計算，研究分析了生產壓差、裂縫半長、裂縫導流能力、擴散系數等參數對頁巖氣井產量的影響.計算結果表明：氣井產量隨擴散系數的增大而增大，對于含納米孔隙的頁巖儲層中擴散效應對氣井的產量貢獻不容忽視；在一定的儲層和生產條件下，氣井產量隨裂縫半長的增大而先快速增大后趨于平緩，因此存在一個最佳范圍，各參數應進行定量的、合理的優化配置.

考慮固液分子作用的多孔介質動態網絡模型

王小鋒, 朱維耀, 鄧慶軍, 劉啟鵬, 隋新光, 婁鈺, 高英, 張雪齡

2014, 36(2): 145-152. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.002

[摘要](274)

[PDF 692KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
根據質量守恒定律，從固液分子力作用出發，結合巖心的孔喉分布特征，建立考慮固壁與流體分子作用的動態網絡模型.利用模型模擬得到不同時間步的孔隙壓力變化，分析了固液分子間力、喉道半徑、潤濕性等因素對剩余油飽和度分布和水驅相滲曲線的影響.研究結果表明，考慮固液分子間力作用時剩余油飽和度增大，巖石骨架與流體間的分子作用在多孔介質的孔隙流動中不可忽略.

含碳酸鹽鐵礦石一步反浮選中藥劑的作用

印萬忠, 王紀鎮, 王乃玲, 羅溪梅, 王余蓮

2014, 36(2): 153-160. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.003

[摘要](357)

[PDF 573KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
探索了礦漿pH值、分散劑和輔助捕收劑對含碳酸鹽鐵礦石一步直接反浮選影響.浮選實驗結果表明，礦漿pH值由11.0增加到11.8時鐵精礦品位陡增，pH值等于11.8時品位達到最高，此后品位變化不明顯.礦漿pH值為12.0時，三聚磷酸鈉是有效分散劑，十二烷基磺酸鈉是KS-Ⅲ有效輔助捕收劑，兩種藥劑都可同時提高鐵精礦的品位和回收率.理論計算表明，浮選實驗結果與菱鐵礦的浮選溶液化學行為以及顆粒間的相互作用有關.藥劑結構性能計算表明，十二烷基磺酸鈉在鐵礦石陰離子反浮選中有良好的選擇性、乳化性和溶解性.

冶金與材料

鋁熱法冶煉釩鐵渣的熔化性能

曹敏, 宋波, 宋明明, 劉豐強, 陳煉

2014, 36(2): 161-166. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.004

[摘要](294)

[PDF 603KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱力學軟件FactSage中的Equilib和Phase Diagram模塊分別對Al₂O₃-CaO-MgO三元渣系的熔化性能及添加助熔劑后對渣系熔點的影響進行理論分析，并實驗測定渣系的實際熔點.發現渣系熔點隨w（Al₂O₃）/w（CaO）比的升高先降低后升高，w（MgO）為4%～5%時渣系熔點最低.對于w（Al₂O₃）/w（MgO）>3的渣系，w（CaO）<30%時渣系熔點隨w（CaO）增加而降低.2<w（Al₂O₃）/w（CaO）<2.5，w（MgO）為15%～18%時，釩鐵渣中加2.29%AlCl₃、4.86% Fe₂O₃或4.77% Na₂O時均可降低原渣熔化性溫度約100℃.

Fe—Cr—O體系碳還原產物的形態

劉洋, 張延玲, 魏文潔

2014, 36(2): 167-176. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.005

[摘要](256)

[PDF 942KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研究了不同溫度和不同時間條件下C還原Fe-Cr-O體系所得產物的形態，樣品主要包括FeCr₂O₄+C和Fe₂O₃+2Cr₂O₃+C兩種體系.兩種樣品的還原度均隨溫度升高而升高，反應接近平衡時還原率均在90%以上.C還原FeCr₂O₄和Fe₂O₃-Cr₂O₃的過程大致相同，且最終還原產物基本組成均為Fe-Cr-C合金和金屬碳化物（主要為Cr₇C₃）.針對最終還原產物中Fe-Cr-C合金和金屬碳化物的含量提出了一種估算方法，其估算結果與理論計算結果基本吻合.結果顯示，最終產物中Fe-Cr-C合金量隨溫度升高而升高，碳化物含量隨溫度升高而降低，且不同溫度條件下所獲得的Fe-Cr-C合金成分不同.

脈沖電流參數對過共晶高鉻鑄鐵近液相線熔化后凝固組織的影響

陳華, 周榮鋒, 張玲, 周榮

2014, 36(2): 177-182. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.006

[摘要](293)

[PDF 614KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
對過共晶高鉻鑄鐵近液相線溶化后的凝固過程進行脈沖電流處理，研究了脈沖電流參數（脈沖電壓和頻率）對凝固組織的影響.發現脈沖頻率和電壓的增大都有助于過共晶高鉻鑄鐵凝固組織中碳化物的細化和粒化.脈沖頻率的增大促進大量細小顆粒狀初生碳化物的析出，離異共晶現象變得更加明顯，層片狀共晶碳化物減少.脈沖電壓的增加促進初生碳化物細化和粒化，片狀共晶碳化物變短.過高的電壓也促進離異共晶，導致更多的初生碳化物的形成.

Q345B和AH32連鑄板坯不同部位的高溫延塑性

曾強國, 張博, 王福明

2014, 36(2): 183-188. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.007

[摘要](285)

[PDF 842KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過Gleeble-1500熱模擬試驗機，分別對取自同一塊Q345B鋼板坯的橫向、縱向、豎向和中心四個方位的試樣和AH32鋼板坯表面及其厚度1/4處的六組不同部位的縱向試樣進行了高溫延塑性的研究.采用了金相顯微鏡和掃描電鏡方法對斷口和附近的組織進行了觀察.研究結果發現：Q345B鋼板坯四個方位的試樣低溫區域（950℃以下）高溫延塑性曲線變化較小，而高溫區域（950℃以上）的延塑性曲線變化相對較大.AH32鋼板坯表面的三組縱向試樣的高溫延塑性曲線變化規律相同，斷面收縮率沒有出現特別大的波動；而厚度1/4處的三組試樣的高溫延塑性曲線與表面的三組試樣差異較大，斷面收縮率發生了很大波動，其原因主要是試樣位于發達的柱狀晶區，較表面的等軸晶區更容易出現微裂紋、元素的偏析、鑄坯組織疏松等缺陷.

高強TRIP鋼的動態力學性能

朱超群, 徐超, 何燕霖, 朱娜瓊, 李麟

2014, 36(2): 189-193. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.008

[摘要](281)

[PDF 460KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
將Si-Mn系雙相鋼（DP鋼）作為對比鋼種，分析研究了高應變速率下600 MPa級Si-Mn系TRIP鋼及含Al、Ni的1000 MPa級TRIP鋼的顯微組織及其動態力學性能.對DP鋼而言，其抗拉強度隨著應變速率的增大而升高，斷裂延伸率則由于絕熱溫升的作用也呈上升趨勢；對TRIP鋼而言，隨著應變速率的增大，其抗拉強度不斷增大，斷裂延伸率先減小后增大，但無法達到其靜態拉伸時的塑性水平，這是由于在動態拉伸條件下奧氏體向馬氏體的漸進式轉變被抑制造成的.此外，在相同應變速率下測得的TRIP鋼的絕熱溫升始終比DP鋼高，而這部分高出的熱量應當來自于在動態變形條件下TRIP鋼中發生TRIP效應后釋放的相變潛熱.

RPV模擬鋼中相界面處原子的偏聚特征

馮柳, 周邦新, 劉文慶, 王均安, 王曉姣

2014, 36(2): 194-199. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.009

[摘要](298)

[PDF 595KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用原子探針層析技術研究了核反應堆壓力容器模擬鋼中AlN相/α-Fe基體、富Cu相/α-Fe基體和AlN相/富Cu相三種相界面處Ni、Mn、P和C原子的偏聚特征.壓力容器模擬鋼經890℃保溫0.5 h水淬，然后在500℃進行了20 h的時效處理.分析結果表明：Ni、Mn、C和P原子在富Cu相/AlN相界面上不發生偏聚；而在AlN相/α-Fe基體和富Cu相/α-Fe基體兩種相界面上都會發生偏聚，且偏聚特征無明顯區別，都是Mn的偏聚傾向大于Ni，C的偏聚傾向大于P.

含Cr管線鋼的力學性能和耐蝕性能

許立寧, 朱金陽, 謝云, 張玉楠, 常煒, 路民旭

2014, 36(2): 200-205. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.010

[摘要](216)

[PDF 606KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
基于國內油氣工業管線應用需要，采用控軋控冷工藝，研制了強韌性匹配優良的2%Cr低合金管線鋼，并測試了其組織和力學性能.以針狀鐵素體和多邊形鐵素體為主的含2%Cr管線鋼具有良好的強韌性組合.采用高溫高壓冷凝釜模擬濕氣管線中的CO₂頂部腐蝕環境試驗方法，研究含2%Cr低合金管線鋼的抗CO₂頂部腐蝕性能.相較于傳統管線鋼，添加2%Cr后，其CO₂腐蝕產物膜是一層連續、致密的富Cr膠泥狀非晶態產物膜，從而提高了其抗CO₂頂部腐蝕性能.

類金剛石薄膜在錐形納米壓頭作用下的斷裂分析

付昆昆, 鄭百林, 殷永柏, 胡騰越, 葉林, 壽大華

2014, 36(2): 206-212. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.011

[摘要](193)

[PDF 665KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
硬薄膜往往具有較脆的特性，在過載時易發生脆性斷裂.本文研究了硬薄膜/軟基體在錐形納米壓頭作用下的斷裂模式.利用等離子體化學沉積法在聚二醚酮基體上沉積生成類金剛石薄膜.使用納米壓痕法對其進行實驗研究，實時記錄納米壓頭壓入樣品過程中所受的載荷以及位移.載荷位移曲線中有若干間斷點，代表著裂紋的形成和擴展.壓痕實驗完成后，通過掃描電子顯微鏡和聚焦離子束觀察發現，類金剛石薄膜壓痕處出現規則的貫穿厚度的環形裂紋和徑向裂紋.最后，利用有限元法分析了硬薄膜/軟基體在錐形壓頭作用下的應力分布，通過cohesive單元模擬環形裂紋的起始和擴展.結果表明：環形裂紋是由薄膜表面較高的徑向拉應力引起的，較高的徑向拉應力發生于壓頭和薄膜表面接觸區域的外側；徑向裂紋則是由薄膜在界面附近較大的拉應力引起的.并且，各圈環形裂紋的半徑基本呈線性遞增，這和實驗觀測基本相符.

PVA水凝膠在不同人體模擬液中的壓縮蠕變行為

高立軍, 高瑾, 李曉剛, 林均利, 曹漢輝

2014, 36(2): 213-217. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.012

[摘要](195)

[PDF 378KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過冷凍-解凍循環方法制備出聚乙烯醇（PVA）水凝膠人工髓核材料，研究了其在生理鹽水和Hanks溶液兩種模擬體液及去離子水中的壓縮蠕變性能并進行了蠕變黏彈性模型分析.PVA水凝膠在不同模擬體液中都表現出良好的黏彈性能，達到蠕變平衡的快慢和應變量大小都與體液中的離子含量有關.等時線法的研究表明，水凝膠的力學行為符合線性黏彈性行為，選取的Kelvin-Voigt模型能夠很好地模擬PVA水凝膠蠕變行為.擬合結果表明：體液中的一些鹽離子抑制了水凝膠內部小尺寸單元的運動，蠕變平衡時間延長；體液中的Na⁺鹽離子會促進水凝膠內部大尺寸單元的運動，使其快速達到蠕變平衡，滿足臨床醫學使用要求.

高鋁微珠/環氧樹脂復合材料沖蝕磨損特性

陳平, 馬峰, 梅華鋒, 趙海林, 佘建民

2014, 36(2): 218-225. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.013

[摘要](166)

[PDF 857KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用從高鋁粉煤灰中提取的空心微珠為填料制備了高鋁微珠/環氧樹脂復合材料，并研究了復合材料的沖擊強度及其沖蝕磨損特性.從沖蝕磨損機理、耐磨性能以及沖擊性能方面分析，確定聚酰胺650是環氧樹脂比較理想的固化劑.硅烷偶聯劑改善了空心微珠與環氧樹脂基體的相容性，有效地提高了環氧樹脂的耐沖蝕磨損性能.當空心微珠的加入量較少時，復合材料的沖擊強度及耐沖蝕磨損性能并沒有得到明顯改善；當空心微珠質量分數達到3%時，復合材料的沖擊強度達到最大值，耐沖蝕磨損性能也有明顯的提高，而在空心微珠質量分數為4%時復合材料的耐沖蝕磨損性能最佳，從而最終確定高鋁粉煤灰空心微珠合適的填充量為3%～4%.

設備與能源

高爐煤粉燃燒率通用模型

陳川, 程樹森

2014, 36(2): 226-234. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.014

[摘要](212)

[PDF 636KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
建立了煤粉燃燒率通用模型，模型可以根據煤粉的工業分析值計算燃燒動力學參數并預測煤粉燃燒率.通過對比前人的實驗數據，驗證了模型的準確性，同時研究了影響高爐煤粉燃燒率的若干因素.研究結果表明：在高爐噴煤過程中，煤粉顆粒在2 ms左右就可以達到熱風速度，由于煤粉顆粒在直吹管內停留時間短并且溫度較低，因此在直吹管內煤粉不會發生燃燒.煤粉進入風口回旋區后，揮發分瞬間全部析出，并且顆粒粒徑越小，揮發分開始析出時間越早.降低煤粉粒徑和增加氧氣體積分數均有利于提高煤粉燃燒率.氧氣體積分數每增加1%，燃燒率提高2%.隨著噴煤量的增加，煤粉燃燒率逐漸降低.當提高煤粉噴吹量時，為了保證較高的燃燒率，實際操作過程中應提高富氧率并適當降低煤粉粒徑.

活性炭煙氣脫硫催化反應速率實驗研究

劉應書, 王海鴻, 張輝, 范菲, 劉文海

2014, 36(2): 235-240. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.015

[摘要](168)

[PDF 447KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對活性炭煙氣脫硫過程，以吸附質濃度沿床層分布曲線實驗為基礎，對活性炭脫除SO₂的催化反應速率的影響因素進行了探討.研究發現SO₂質量濃度和CO₂體積分數對活性炭催化反應速率有顯著影響.SO₂質量濃度對活性炭催化反應速率影響最大，隨著SO₂質量濃度升高催化反應速率將顯著增加，但高SO₂質量濃度下催化反應速率將不再增加；體積分數在15%以內的CO₂對催化反應速率呈線性抑制，使得活性炭催化反應速率降低約30%；煙氣線速度在0.14～0.3 m·s^-1之間變化時對催化反應速率的影響效果不大.

TRB薄板變厚度軋制中前滑理論模型和數值模擬

余偉, 孫廣杰

2014, 36(2): 241-245. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.016

[摘要](202)

[PDF 436KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
根據變厚度軋制特點和前滑定義，推導了一種變厚度軋制的前滑值的理論模型.用MARC軟件建立變厚度軋制的有限元模型，針對四種不同變厚度區形狀的軋件在軋制摩擦因數為0.08和0.1工況條件下的軋制過程進行了數值模擬.此外，采用軋制試驗方法實測了總前滑量.對比分析結果表明：前滑理論模型的計算值與有限元數值模擬結果接近，兩種方法計算所得前滑值的差值小于0.005.與常規恒厚度軋制中穩定前滑值不同，在變厚度區軋制時，前滑值在0.02～0.10波動.變厚度區的壓下率越大，其前滑值也越大；較小變厚度區斜度設計和低的摩擦因數會使變厚度軋制有更好的軋制穩定性和小的前滑波動范圍.TRB變厚度軋制試驗也驗證了前滑理論模型的精度.減薄軋制實測前滑值和計算值偏差大與變形區應變狀態及增加的打滑趨勢有關.

齒廓間相對滑動對滾軋齒輪齒廓金屬流動的影響

朱小星, 王寶雨, 楊樂毅, 左斌, 李智

2014, 36(2): 246-251. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.017

[摘要](163)

[PDF 531KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于范成擠壓原理，采用梯形面積近似代替軋件長高齒形面積，對齒廓間的相對滑動進行了理論求解分析；從齒廓的相對滑動狀況分析了其對軋件齒廓所受剪切摩擦方向的影響.通過仿真和實驗相結合的方法驗證了齒廓間相對滑動對齒廓金屬流動方向的影響，證實了齒廓金屬拉起和所受摩擦方向的一致性.

齒輪系統的溫度場預測方法

薛建華, 李威

2014, 36(2): 252-259. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.018

[摘要](207)

[PDF 712KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
通過封閉功率流齒輪試驗臺測量了齒輪系統溫度，首次將有限元法和熱彈流法綜合起來求解齒輪系統的溫度場，在有限元分析理論中引入了黏度-壓力-溫度和密度-壓力-溫度方程，精確地確定了對流換熱系數.以有限元法得到的本體溫度作為熱彈流計算的初始溫度，得到了嚙合線上各點的最高溫度和閃溫，并且分析了最高溫度和閃溫沿嚙合線的分布規律.結果表明：有限元仿真的本體溫度和試驗結果吻合良好，熱彈流方法計算出來的閃溫分布與ISO閃溫較為接近，齒輪最高溫度區域隨著變位系數的增大向齒頂移動.

控制與決策

多元時序模糊聚類分段挖掘算法

于重重, 吳子珺, 譚勵, 涂序彥, 楊揚, 王璐

2014, 36(2): 260-265. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.019

[摘要](213)

[PDF 429KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
工業監控系統所采集到的多元時間序列在利用數據挖掘技術獲取內部存在的未知模式的過程中，經常會出現原始數據龐雜、分段結果重復、交集過多和界限不清晰等問題，導致含有突變變量或數據間相關性差的數據集進行模式挖掘結果不理想.針對上述問題，本文提出了一種新的多元時序模糊聚類分段挖掘算法.實驗結果表明，該算法克服了Gath-Geva算法聚類精度易受初始值影響的不足，能夠較好地反映出原始數據中潛在的過程變化，從而有效地處理時間序列的分段問題并得到理想的挖掘結果.

土木與建筑

懸臂樁支護基坑開挖對鄰近埋地管線的影響

王樹和, 袁驥, 張舉兵

2014, 36(2): 266-273. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.020

[摘要](144)

[PDF 711KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用MIDAS GTS軟件建立了三維有限元模型，分析開挖深度、樁徑、樁心距、管線與樁的距離、管線埋深、土體彈性模量等因素對地埋管線的影響.結果表明：管線水平和豎向位移在基坑角點處約為基坑中部的1/2；管線埋深在基坑深度1/3位置時，水平位移最大，而豎向位移隨埋深的增大而減小；當樁徑由0.6 m增大到1.2 m時，水平位移變化較小，管線中央豎向位移則減少為原來的1/2；土體彈性模量增大時，管線中間位移明顯減小，水平位移約為豎向位移的4倍.