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5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

考慮固壁作用力的微可壓縮流體納微米圓管流動分析

張雪齡, 朱維耀, 蔡強, 劉啟鵬, 王小鋒, 婁鈺

2014, 36(5): 569-575. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.001

[摘要](311)

[PDF 583KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
針對流體在納微米尺度下的流體流動規律不符合泊肅葉規律的理論依據不足的難題，研究了納微米圓管中流體的流動，將流體的微可壓縮和固壁對流體的作用同時考慮進來，并將固壁對流體的作用采用固壁作用力的形式引入到流體力學方程，采用渦函數流函數將方程解耦，并用正則攝動法求得一階精度的壓力和速度的解析解.結果發現：固壁作用力導致零階徑向壓力的出現，一階壓力的增強和一階速度的降低；量綱一的體積流量偏離了不可壓縮流體的體積流量，偏離效應受流體的微可壓縮性和固壁作用力的共同影響.體積流量在同尺度下偏離泊肅葉流動的流量大小隨著可壓縮系數和流體中和壁面產生作用的離子濃度增大而增大，隨著納微米圓管管徑減小而增大，納微米圓管管徑低于某一尺寸時，流體將不能流動.通過研究表明：納微米尺度下產生微尺度效應的原因是流體的微可壓縮性和壁面力的共同影響.

堅硬頂板群下工作面強礦壓顯現機理與支護強度確定

楊敬軒, 劉長友, 于斌, 魯巖

2014, 36(5): 576-583. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.002

[摘要](254)

[PDF 557KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用理論分析、物理相似模擬與工程實踐相結合的方法，對堅硬厚層頂板群結構的破斷沖擊效應進行了分析，得到了工作面采場沖擊來壓的主要影響因素、來壓特征及工作面合理支護強度等.研究表明：多分層堅硬頂板群結構的破斷沖擊載荷在短時間內會產生劇烈的震蕩；工作面來壓特征受多分層頂板垮斷的動、靜載荷聯合作用；采場沖擊來壓強度主要與頂板厚度、巖性及節理弱面有關，對于巖性相近的頂板巖層，厚度越大，對采場的礦壓沖擊影響也越劇烈，但厚層頂板垮斷后的結構對其上覆頂板巖層的沖擊載荷強度具有一定的緩沖.以大同礦區堅硬頂板群結構下的煤層開采為例，通過在綜放工作面選擇應用ZF15000/28/52型高強度支架，保證了首個關鍵層頂板破斷前后的安全開采；同時，采取水壓致裂輔助控制上部關鍵層頂板，有效減緩了工作面強礦壓的顯現.

冶金與材料

紅土鎳礦選擇性還原-熔分制備鎳鐵合金

郭亞光, 朱榮, 呂明, 郭明威, 王永威, 周春芳

2014, 36(5): 584-591. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.003

[摘要](277)

[PDF 608KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
以硅鎂型紅土鎳礦為原料，采用金屬化焙燒-熔分工藝，通過正交試驗制備金屬化球團，將所得金屬化球團在1500℃條件下熔融分離30 min提取鎳鐵合金，考察影響因素對實驗結果的影響.結果表明：在選擇性還原制備金屬化球團過程中，對金屬化率的影響程度從大到小的因素依次是C/O摩爾比、焙燒溫度、焙燒時間和堿度；實驗可獲得鎳品位19%的鎳鐵合金；在堿度為0.8-1.2范圍內，S和P分配比隨著堿度的升高而增大.利用X射線衍射和掃描電鏡對金屬化球團及熔融分離出的渣進行微觀分析，發現加入的石灰石與復雜礦相反應可釋放出簡單鎳氧化物和鐵氧化物，促進還原反應的進行，當石灰石不足時，少量鐵以Fe³⁺的形式存在于鐵金屬化率70%的金屬化球團中.

氧氣高爐循環煤氣加熱過程中的析碳行為

劉錦周, 薛慶國, 張仕洋, 佘雪峰, 王靜松

2014, 36(5): 592-596. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.004

[摘要](367)

[PDF 413KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
以氧氣高爐循環煤氣加熱工藝為背景，在實驗室條件下研究了CO和H₂體積分數較高的煤氣加熱時的析碳行為。實驗結果表明，溫度和CO₂體積分數是影響析碳反應的重要因素。在300-700℃范圍內，當溫度低于500℃時，析碳反應速度隨溫度的升高而增加；當高于此溫度時，反應速度隨溫度的升高而下降。析碳反應包括CO分解析碳反應以及CO和H₂的混合析碳反應。對比熱力學理論與實驗現象分析了析碳過程中以上兩個反應可能起到的作用。采用掃描電鏡，從微觀結構上觀察了500~700℃時加熱過程中析出碳的形態并研究了析碳行為。另外，隨著CO₂體積分數的增加，析碳反應速率逐漸降低。在500℃和600℃時，CO₂體積分數的增加對析碳行為有較大抑制作用，尤其在500℃時這種抑制作用更加明顯。

氬氣下Fe₂O₃-TiO₂體系的固相反應

任中山, 胡曉軍, 薛向欣, 周國治

2014, 36(5): 597-602. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.005

[摘要](298)

[PDF 559KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
在氬氣氣氛下，采用擴散偶法研究了1323~1473 K下的Fe₂O₃-TiO₂體系的固相反應.使用電子探針對擴散偶的微觀形貌進行觀察，并對Fe、Ti離子的擴散摩爾分數曲線進行定量分析.動力學分析表明，氬氣下體系的固相反應受鐵、鈦和氧離子的擴散控制.用Boltzmann-Matano法計算了體系的互擴散系數，其數量級在10^-13~10^-10 cm²·s^-1范圍內，并隨著溫度和Ti離子摩爾分數的增大而升高.氬氣氣氛下體系的擴散活化能約為356.06 kJ·mol^-1，遠比空氣下的大，表明外界氣氛中氧分壓對體系的反應機理有重要影響.

CaO-FeO-Al₂O₃-SiO₂渣熔化溫度特性實驗研究

邢薇, 吳龍, 李士琦, 姚力, 劉潤藻

2014, 36(5): 603-607. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.006

[摘要](283)

[PDF 416KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
采用FactSage理論計算以及熔點實驗對CaO-FeO-Al₂O₃-SiO₂無氟的環保型鐵水預處理脫磷渣系的熔化溫度特性進行了系統研究，考察了爐渣堿度、Al₂O₃和FeO質量分數三個因素渣系熔化溫度特性的影響.研究結果表明：FeO的質量分數對渣系熔點的影響最大；爐渣的最佳配比為堿度5.5，Al₂O₃質量分數10%，FeO質量分數45%，該配比下爐渣熔化特性在本實驗條件下能夠滿足鐵水預處理用渣的熔化溫度特性的要求.

混合LES-RANS模型在結晶器鋼液流場模擬中的應用

茅曉慧, 李京社, 張江山, 唐海燕, 吉傳波

2014, 36(5): 608-616. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.007

[摘要](296)

[PDF 920KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用了一種新的混合LES-RANS（大渦模擬-雷諾平均模型）湍流模型模擬結晶器中鋼液的流場.模型通過修正湍流黏度系數對水口和結晶器內湍流進行過濾，對大尺度的湍流直接采用Navier-Stokes方程求解計算，對小尺度的脈動采用標準k-ε模型進行計算.該模型能避免RANS的過分耗散并且能捕捉到更多的瞬態湍流信息.模型通過對連鑄結晶器內液態金屬GaInSn模型速度進行測量驗證，速度測量方法為超聲波多普勒測速儀（UDV）測速法.新模型與實驗測量值吻合程度明顯好于RANS模擬的結果，能更準確地預測結晶器和水口內的湍流行為.結晶器內瞬態流動特征表明，水口兩側流體呈周期性的偏流，周期約為5s.

枝晶凝固過程中的微觀偏析半解析數學模型

許志剛, 王新華, 景財良, 王萬軍

2014, 36(5): 617-624. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.008

[摘要](291)

[PDF 577KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
基于典型微觀凝固單元體內的溶質質量守恒，結合前人的研究工作，建立了一個適合于枝晶凝固方式的二元合金微觀偏析半解析模型.本模型同時考慮了反向擴散和粗化對微觀偏析的影響，并對枝晶臂間距的粗化直接進行計算，因此更為精確.若只考慮反向擴散的影響，本模型可以簡化為BF模型形式；而如果只考慮粗化的影響，本模型可簡化為Mortensen模型.本模型完整地統一了以BF模型為代表的反向擴散類模型和以Mortensen模型為代表的粗化模型.利用本模型同樣可以對多元合金的微觀偏析進行很好預測.以Fe-C-X（Si，Mn，P，S）合金體系為例對本模型的求解過程進行了詳細的闡述.本模型可以很好地預測Al-4.9%Cu二元合金的共晶分數以及Fe-C-X（Si，Mn，P，S）多元合金體系的零強度溫度和零塑性溫度，并與實測值吻合良好.

鉬微合金化低碳鋼的顯微組織與力學性能

高靜輝, 鄭為為

2014, 36(5): 625-632. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.009

[摘要](305)

[PDF 754KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
借助物理模擬系統采用四種不同的多道次變形及控制冷卻工藝，研究了成分為0.12C-0.78Si-1.42Mn-0.74Al-0.32Mo鋼的顯微組織和力學性能.結果顯示：使用物理模擬系統進行高溫區的多道次熱連軋，并結合控制冷卻處理，能夠得到不同的復相組織（鐵素體/貝氏體組織，貝氏體/馬氏體組織）.依貝氏體含量和形態的不同，鐵素體/貝氏體復相組織鋼的屈服強度為388~558 MPa，抗拉強度為681~838 MPa，總延伸率為15%~27%；貝氏體/馬氏體復相組織鋼的屈服強度為746 MPa，抗拉強度為960 MPa，總延伸率為19%.

430不銹鋼冷軋板高溫退火過程中再結晶織構的定量分析

王乃帥, 張雄, 溫治, 豆瑞鋒, 李志強

2014, 36(5): 633-638. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.010

[摘要](195)

[PDF 579KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
在750、800、825和850℃溫度下，利用Gleeble1500熱模擬試驗機對430不銹鋼冷軋薄板的等溫退火過程進行了詳細的實驗研究，分析了退火過程中再結晶織構和組織的變化規律，并對關鍵織構體積分數的演變進行了定量分析.結果發現：隨著退火過程的進行，α取向線上的織構強度逐漸減弱，而γ取向線上的織構強度則略有加強，并保持在較高的值；再結晶過程中，{111}和{112}<110>織構的體積分數逐漸降低，而{100}和隨機取向晶粒的體積分數逐漸增加.定量分析表明，退火溫度越低，完全再結晶后材料內部關鍵織構的體積分數越偏離冷軋態.最后，針對{111}、{112}<110>、{100}和隨機取向織構的體積分數在再結晶過程中的演變規律，建立了JMAK型再結晶織構演變動力學模型.

鋼的熱膨脹特性研究

操龍飛, 徐光, 鄧鵬, 王剛祥, 胡道勁

2014, 36(5): 639-643. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.011

[摘要](277)

[PDF 356KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
采用NETZSCH DIL 402C高溫熱膨脹儀對三種不同化學成分的鋼種在30-1150℃溫度范圍內的熱膨脹特性進行了測量，得到線性熱膨脹和瞬時線膨脹系數隨溫度的變化曲線。對實測的熱膨脹值進行定量計算和對比分析后發現，鋼在加熱過程中的線性熱膨脹及瞬時線膨脹系數隨溫度的變化過程可分為室溫至相變區、固態相變區和高溫奧氏體區三個階段，每個階段碳含量對熱膨脹的影響程度不同。在整個升溫過程中，物理熱效應引起的熱膨脹占主導作用，不同鋼種的物理熱膨脹總量基本相同，而相變引起的收縮量大約占整個膨脹絕對變化量的16%，且收縮總量隨碳含量的增加而減少，導致最終不同鋼種試樣的膨脹量不同。

熱老化對核電主管道Z3CN20.09M不銹鋼點蝕性能的影響

王永強, 董芳, 楊濱

2014, 36(5): 644-649. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.012

[摘要](148)

[PDF 526KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用極化曲線和電化學交流阻抗法研究了400℃長期熱老化對壓水堆核電站一回路主管道用Z3CN20.09M鑄造奧氏體不銹鋼點蝕性能的影響.結果顯示，材料的點蝕擊破電位和電荷轉移電阻隨著熱老化時間的延長而降低.熱老化材料經550℃退火處理1 h后的點蝕擊破電位和電荷轉移電阻值均恢復到未老化材料的水平.研究表明此時α'相已經回溶，G相仍然存在，導致熱老化試樣點蝕性能下降的主要原因是α'相的析出.

重熔過共晶Fe-C-B合金初生Fe₂B的凝固遺傳及消除

劉謹, 黎振華, 岑啟宏, 劉美紅

2014, 36(5): 650-655. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.013

[摘要](156)

[PDF 664KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過重熔和施加脈沖電流，研究了過共晶Fe-C-B合金凝固組織中初生Fe₂B的遺傳性和消除方法.當不施加電脈沖時，重熔難以有效消除過共晶Fe-C-B合金初生Fe₂B的凝固遺傳性.重熔溫度較低時施加電脈沖影響凝固組織中初生Fe₂B的空間分布但不改變其長桿狀形態.提高重熔溫度并施加電脈沖能消除凝固組織遺傳的影響，使Fe₂B由長桿狀轉變為顆粒狀，并明顯減少Fe₂B的析出.

外加應變對航空有機涂層損傷規律的影響

駱晨, 蔡健平, 董春蕾, 劉明, 趙亮亮, 孫志華, 湯智慧, 陸峰

2014, 36(5): 656-668. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.014

[摘要](191)

[PDF 1407KB](8) [施引文獻] ()

摘要:

借助有機涂層預應變施加方法，跟蹤觀察戶內加速試驗過程中受到外加應變的航空有機涂層表面形貌變化，利用環境掃描電子顯微鏡進行顯微組織表征，利用電化學阻抗譜進行特定頻率的阻抗模值分析，進而綜合研究航空有機涂層在外加應變和熱帶海洋大氣環境耦合作用下的損傷規律和失效模型.研究發現，外加拉應變導致有機涂層的防護性能下降，外加拉應變水平越高，有機涂層損傷越嚴重，防護性能下降越多.進行戶內加速試驗過程中，受到外加拉應變的涂層防護性能進一步下降，外加拉應變越大，下降越快.受外加拉應變的涂層防護性能下降的原因是相應的應力水平超過有機涂層材料的斷裂強度，從而在涂層內部形成微裂紋，構成外界溶液到達有機涂層/合金界面的通道.受到外加壓應變后，有機涂層的防護性能不發生明顯變化.進行戶內加速試驗過程中，受到外加壓應變的涂層防護性能緩慢喪失，受到外加壓應變水平越高，涂層防護性能下降越緩慢.

設備與能源

環境溫度對超音速氧氣射流特性影響的數值模擬

趙飛, 張延玲, 朱榮, 朱伶楓, 田冬東

2014, 36(5): 669-673. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.015

[摘要](178)

[PDF 437KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過數值模擬的方法研究了不同環境溫度條件下超音速氧氣射流的特性，并與前人的實驗結果進行了對比分析.研究結果表明：與低溫環境條件相比，高溫環境條件下超音速氧氣射流的速度衰減受到抑制，射流核心段長度得到延長；不同環境溫度條件下，氧氣射流的溫度隨著氧氣射流的擴散不斷升高，最終趨于環境溫度；射流的壓力分布趨勢與射流速度分布趨勢一致.數值模擬得到的射流速度、溫度和壓力結果與實測值吻合度較高.

熱帶鋼軋機軋輥熱變形的快速有限元模型

孔繁甫, 何安瑞, 邵健, 葛鮮玉

2014, 36(5): 674-679. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.016

[摘要](183)

[PDF 431KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
分析了解析法與簡化方法的缺點，采用有限元法建立軋輥熱變形計算模型.針對軋制過程中軋輥熱變形計算數據特點，將計算任務分為負責靜態數據準備的預計算和負責動態數據準備與熱變形求解的更新計算，換輥時進行預計算，計算任意時刻的熱變形時只需進行更新計算，計算量遠小于標準有限元程序.根據特殊處理的計算流程，編寫了基于軸對稱有限元法的軋輥熱變形程序，其計算結果與ANSYS結果一致，精度均高于簡化方法約30%.自編軋輥熱膨脹有限元程序計算精度高，耗時少，滿足在線熱膨脹預報要求.

控制與決策

基于奇函數的一類四維四翼混沌系統設計與電路實現

張曉丹, 高成

2014, 36(5): 680-687. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.017

[摘要](161)

[PDF 924KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于奇函數，提出了一類新的四維混沌系統，通過調整該系統的參數，使其在某些平面上形成四翼.對該類系統進行了數值模擬，對其一些基本的動力學行為進行了分析，如平衡點、耗散性和Lyapunov指數.研究了混沌系統的參數敏感性，討論了系統相圖隨參數變化所呈現的周期、混沌等狀態.設計了一個混動系統的振蕩電路，通過MULTISIM得到的相圖與數值模擬結果具有良好的一致性.

基于馬氏距離和模糊C均值聚類的摳圖算法與應用

張敏, 閔樂泉, 張群, 劉颯

2014, 36(5): 688-694. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.018

[摘要](191)

[PDF 607KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
基于馬氏距離和模糊C均值聚類算法提出了一種數字彩色圖像摳圖算法.該算法首先對彩色圖像像素的紅綠藍三種彩色分量進行正則化處理；然后在正則化圖像背景中選取適當的掩膜作為樣本集，計算各像素與樣本集之間的馬氏距離；再利用模糊C均值聚類算法對計算出的馬氏距離進行分類；最后利用填洞操作提高摳圖質量.對八幅彩色數字圖像進行對比實驗，結果顯示本算法可以自動摳圖，且結果優于馬氏距離算法、Grow-Cut算法和正則化線性回歸算法的相應摳圖效果.

保護私有信息的社交網絡合群判定

姚亦飛, 鄭榕, 尚偉昌

2014, 36(5): 695-700. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.019

[摘要](173)

[PDF 379KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決社交網絡中用戶申請加入群組的合適性判斷問題，將安全多方計算技術中的求和協議與秘密比較協議相結合提出了保護私有信息的合群判定協議.其中基礎協議解決一維線性模型下問題的安全求解，擴展協議對基于圓邊界的多維模型情況進行判定.針對單一申請者與網絡群組多用戶的特點，將問題轉換為兩方計算模型可實現的形式，在證明了協議正確性的基礎上分析協議的復雜度，并且利用安全視圖的方法逐步驗證了在協議執行過程中不會泄露任何個人的隱私數據.實際使用中協議能夠有效地回避盲目的系統推薦和管理員離線所產生的判定時延，同時保護申請者和群組成員的隱私數據.

土木與建筑

懸掛結構地震動力反應分析計算

高林, 李長洪, 葛楠, 陳海彬

2014, 36(5): 701-707. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.020

[摘要](149)

[PDF 607KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用拉格朗日方程建立了核筒懸掛結構體系運動方程.考慮到大位移非線性的影響，采用Runge-Kutta方法求解體系地震動力響應時程.計算結果表明懸掛體系能明顯減小樓層層間位移、速度及加速度，減震效率接近90%.核筒截面抗彎剛度對其截面內力與筒身水平位移影響最顯著，截面內力隨其增加而增加.吊桿長度及阻尼器的阻尼系數對截面內力的影響較小.阻尼系數對層間位移及截面內力存在優化值.樓層位移、樓層速度及加速度隨阻尼系數減小單調減小.