Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2017 Vol.18 No.3 P.163-244

<<< CONTENTS >>>

New technology

Report: Soft magnetic composites with enhanced performance and their key production technologies

Mi Yan, Chen Wu

DOI: 10.1631/jzus.A17NT001 Downloaded: 8640 Clicked: 64674 Cited: 0 Commented: 0(p.163-166) <Full Text> <PPT> 6816

Chinese summary <2396> 低功耗高性能軟磁複合材料及關鍵制備技術

概要：軟磁複合材料是軟磁金屬經制粉、絕緣處理、粘結、壓制和熱處理而制備的磁性複合材料，廣泛應用于能源、信息、交通和國防等重要領域，是國民經濟和國防建設的關鍵基礎材料。随着電力和電子裝備向高頻(pín)、高功率密度、節能和電磁兼容方向發展，軟磁複合材料的需求量越來越大(dà)，要求也越來越高。我(wǒ)國軟磁複合材料過去(qù)長期存在功率損耗大(dà)、磁通密度低、直流疊加性能差等嚴重問題，技術水平與國外(wài)差距巨大(dà)。2002年以來，浙江大(dà)學嚴密教授團隊與相關企業進行了長期的合作研究，原創性提出了制備多軟磁相核殼結構複合材料的技術思路，創新了絕緣包覆技術，大(dà)幅消除了顆粒間渦流損耗；建立了軟磁合金新體(tǐ)系，顯著提高了複合材料軟磁性能；創新和集成核心生(shēng)産技術，實現了規模化生(shēng)産和廣泛的實際應用。
創新點：1. 發明多軟磁相核殼結構複合材料和磁粉絕緣包覆新技術。降低以渦流損耗爲主的功率損耗，是軟磁複合材料的世界性難題。本項目提出了在軟磁粉末基體(tǐ)上原位生(shēng)成高電阻率軟磁殼層，制備多軟磁相核殼結構複合材料以降低渦流損耗的新思路，發明了Fe基軟磁合金基體(tǐ)與Fe₄N/Fe₃O₄、Fe₃O₄等高電阻率軟磁殼層組成的核殼結構材料。創新了磁粉絕緣包覆技術，發明了分(fēn)别适用于不同合金磁粉的非均勻形核、溶膠-凝膠和複合絕緣包覆技術。以上發明在保持高磁性能的同時，大(dà)幅度抑制了顆粒間渦流，顯著降低了功率損耗。2. 發明系列新型高性能軟磁合金。創新設計了Fe-Si-M、Fe-Ni-M（M爲Mo、Ni、Al或Co）新型晶态軟磁合金和Fe-Cu-Nb-Ti-Si-B、Fe-Ni-Al-Si-B納米晶/非晶軟磁新合金，掌握了成分(fēn)配方對合金相結構、顯微組織和磁性能的作用規律及機理，發明了系列新型高性能軟磁合金，制備出具有高磁通密度、高直流疊加等不同特性的高性能軟磁複合材料産品。3. 創新和集成核心生(shēng)産與應用技術。發明了新型耐高溫粘結劑和有機-無機複合粘結技術，創新和改進了針對不同合金的磁粉制備技術，系統集成相關發明與關鍵技術，建立了低功耗高性能軟磁複合材料成套生(shēng)産工(gōng)藝。
成果：項目創新成果已在合作企業全面應用，爲新能源汽車(chē)、高鐵、計算機及國防領域做出了重要貢獻，并獲得了2016年度國家技術發明獎二等獎。值得一(yī)提的是，這已是嚴密教授團隊獲得的第二個國家技術發明獎二等獎。2013年度，嚴密教授團隊完成的"钕鐵硼晶界組織重構及低成本高性能磁體(tǐ)生(shēng)産關鍵技術"項目亦獲得國家技術發明獎二等獎。

關鍵詞組：功耗；軟磁；複合材料

Articles

Investigation on critical equilibrium of trapped air pocket in water supply pipeline system

Wu-yi Wan, Chen-yu Li, Yun-qi Yu

DOI: 10.1631/jzus.A1600325 Downloaded: 3647 Clicked: 5190 Cited: 0 Commented: 0(p.167-178) <Full Text> <PPT> 1948

Chinese summary <26> 供水管路中(zhōng)駝峰氣阻的臨界平衡實驗研究

目的：輸水管道的駝峰氣阻是指由于管路高峰位置的滞氣作用使氣體(tǐ)不斷聚積在峰頂附近、産生(shēng)的氣體(tǐ)阻礙水流的局部水力現象。它能夠導緻管路過水斷面減小(xiǎo)、輸水能耗增加、輸送效率降低和管路壓力振蕩等後果，嚴重威脅海底管道輸水的穩定性和安全性。本文旨在分(fēn)析滞留氣團在供水管道中(zhōng)的力學平衡、能量損失、移動和溢出機理，研究水流流速對氣團的推移特性，提出預測和消除駝峰氣阻的方法，使輸水管道免受駝峰氣阻的危害，提高輸水管道的供水效率。
創新點：1. 設計了具有連續坡角變化的圓弧形駝峰管道實驗，該實驗可以定量模拟氣團體(tǐ)積和平衡角度；2. 建立了駝峰氣阻的水頭損失經驗公式和恒定流情況下(xià)駝峰氣阻的管道坡角和流速的對應關系式，可用于預測和消除駝峰氣阻的危害。
方法：1. 通過駝峰氣團的受力特性分(fēn)析，獲得滿足量綱和諧的力學平衡方程；2. 采用試驗觀察和測試獲得有無氣泡情況下(xià)的水頭損失和平衡狀态下(xià)的坡角，通過等價球體(tǐ)方法對測試數據進行無量綱拟合，獲得氣阻的水頭損失方程系數，并通過流速和平衡坡角建立恒定流情況下(xià)的臨界平衡方程；3. 基于試驗拟合獲得臨界平衡方程，建立預測和評估氣阻的準則系數，并提出消除氣阻的水流臨界流速。
結論：1. 當管路流速較小(xiǎo)時，供水管路的駝峰頂端可能滞留和聚集氣體(tǐ)，形成駝峰氣阻；氣體(tǐ)體(tǐ)積越大(dà)對水流阻礙越明顯，可能造成的水頭損失也越大(dà)；2. 利用等價球體(tǐ)法可以極大(dà)地簡化駝峰氣阻的形狀，并良好地模拟氣阻的平衡特性和阻力特性；3. 管道流速是影響駝峰氣阻臨界平衡位置的最重要因素，通過減小(xiǎo)管道起伏的坡角或增加水流流速可以防止和消除駝峰氣阻的危害。

關鍵詞組：駝峰管道；管流；滞留氣團；水力試驗；供水管道

A new approach to simulate the supporting arch in a tunnel based on improvement of the beam element in FLAC^3D

Wei-teng Li, Ning Yang, Ting-chun Li, Yu-hua Zhang, Gang Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1600508 Downloaded: 3522 Clicked: 4226 Cited: 0 Commented: 0(p.179-193) <Full Text> <PPT> 2000

Chinese summary <34> 基于FLAC^3D梁單元修正的隧道/巷道拱架支護模拟方法

目的：基于常用的數值模拟軟件FLAC^3D進行二次開(kāi)發，彌補現有數值模拟方法的缺陷，提出一(yī)種準确有效的隧道/巷道拱架支護數值模拟方法。
創新點：1. 引入抗彎和抗壓能力的相關性，改進梁單元壓彎極限判據；2. 通過FISH語言編程，實現梁單元修正和拱架精确模拟。
方法：1. 通過對FLAC^3D中(zhōng)梁單元支撐理論的分(fēn)析，明确其存在的缺陷，并利用算例進行證實（圖4~6）；2. 基于傳統強度理論，對梁單元現有壓彎極限判據進行改進（圖7和8）；3. 通過FISH語言編程，實現梁單元修正模型嵌入（圖9）；4. 通過算例分(fēn)析，對新模拟方法的效果進行驗證（圖10和13）。
結論：1. 改進了梁單元壓彎極限判據，通過FISH語言編程實現了梁單元的修正及拱架屈服失效的模拟。2. 構件壓彎試驗和巷道拱架支護實例分(fēn)析表明：修正模型體(tǐ)現了在壓彎組合荷載作用下(xià)梁單元屈服時彎矩和軸力的相關性；實現程序是有效的且靈敏度較高；提出的新模拟方法使計算偏差得到有效壓制，拱架模型呈現出的力學行爲及圍岩支護作用更加接近實際，計算精度和設計可靠度更高。

關鍵詞組：隧道；拱架；FLAC^3D；梁單元；屈服判據；修正模型

Study on the deformation theory of a parabolic part based on solid granules medium forming

Xiang-dong Jia, Chang-cai Zhao , Jian-chao Li, Liu-yang He

DOI: 10.1631/jzus.A1600408 Downloaded: 2541 Clicked: 4114 Cited: 0 Commented: 0(p.194-211) <Full Text> <PPT> 1962

Chinese summary <22> 抛物(wù)線型零件固體(tǐ)顆粒介質成形變形理論研究

目的：闆材固體(tǐ)顆粒介質成形工(gōng)藝作爲一(yī)種新型的軟模成形技術，是采用固體(tǐ)顆粒代替剛性凸模或凹模(或彈性體(tǐ)、液體(tǐ))對闆料進行成形加工(gōng)的工(gōng)藝。固體(tǐ)顆粒介質闆材拉深成形工(gōng)藝爲拉深和脹形兩種變形模式的複合成形，其變形過程與傳統拉深成形工(gōng)藝有很大(dà)的區别。以抛物(wù)線型零件爲研究對象，對其成形過程進行研究，建立固體(tǐ)顆粒介質闆材軟凸模拉深成形的幾何條件和應變計算公式。
創新點：1. 首次提出了描述固體(tǐ)顆粒介質闆材拉深成形變形機理的拉深權和脹形權的概念，并建立了相應的計算公式；2. 建立了固體(tǐ)顆粒介質抛物(wù)線型零件軟凸模拉深成形的幾何條件和應變計算公式。
方法：1. 通過對抛物(wù)線型零件固體(tǐ)顆粒介質拉深成形的變形過程分(fēn)析(圖1~3)，将變形過程和成形工(gōng)件的變形區進行劃分(fēn)；2. 将數學中(zhōng)權函數的思想引入到對抛物(wù)線型零件固體(tǐ)顆粒介質拉深成形的分(fēn)析中(zhōng)，提出拉深權和脹形權的定義及相應表達式(公式(1)和(2))；3. 通過理論推導，構建不同成形階段抛物(wù)線型零件拉深成形過程中(zhōng)的應變計算式(公式(28)~(30)和公式(62a)~(62c))和壁厚計算公式(公式(31)和(63))；4. 利用MATLAB編制抛物(wù)線型零件拉深成形應變計算程序(圖14)；5. 以某航空零件爲目标零件，通過試驗試制不同成形條件下(xià)不同階段的抛物(wù)線型工(gōng)件(表2和3)，将理論計算壁厚與實測厚度進行對比(圖19)，将試驗輪廓與理論計算輪廓進行對比(圖21)，驗證分(fēn)析過程中(zhōng)所提假設及理論計算的可行性和正确性；将試驗獲得成形工(gōng)件的幾何尺寸(表3)代入MATLAB計算程序中(zhōng)，對該航空零件的變形過程進行分(fēn)析(圖15、18、19、21和22)。
結論：1. 固體(tǐ)顆粒介質拉深成形過程是脹形和拉深的複合成形，通過對其變形過程分(fēn)析，首次提出了拉深權和脹形權的概念，并且給出了其計算公式。成形過程中(zhōng)，拉深權越大(dà)，工(gōng)件成形後的壁厚差越小(xiǎo)；脹形權則正好相反。2. 利用拉深權和脹形權，建立了固體(tǐ)顆粒介質軟凸模拉深成形變形區應變計算公式，且可以計算出應變分(fēn)界圓位置半徑，爲分(fēn)析固體(tǐ)顆粒介質軟凸模拉深成形工(gōng)藝變形過程提供了新的理論依據。3. 設置合理的成形條件、拉深權的提高和應變分(fēn)界圓半徑的縮小(xiǎo)可以降低拉深成形過程中(zhōng)底部的過度減薄，進而提高極限成形高度。

關鍵詞組：固體(tǐ)顆粒介質；軟模成形；拉深；拉深權；脹形權；應變

Numerical simulation of gas-liquid flow through a 90° duct bend with a gradual contraction pipe

Dong-fang Hu, Zheng-liang Huang, Jing-yuan Sun, Jing-dai Wang, Zu-wei Liao, Bin-bo Jiang, Jian Yang, Yong-rong Yang

DOI: 10.1631/jzus.A1600016 Downloaded: 2976 Clicked: 4244 Cited: 0 Commented: 0(p.212-224) <Full Text> <PPT> 1903

Chinese summary <28> 模拟研究氣液兩相在帶縮徑管的90°彎管内的流動

目的：90°彎管廣泛應用于工(gōng)業中(zhōng)的流體(tǐ)輸送，但是流體(tǐ)在經過彎頭時會由于離(lí)心力的作用而導緻彎頭下(xià)遊管道内出現流體(tǐ)分(fēn)布不均的現象，從而影響後續的生(shēng)産過程。本文将實驗和計算流體(tǐ)力學（CFD）模拟的方法結合研究縮徑管對經過彎頭後的流體(tǐ)整流作用并分(fēn)析原因，以期爲縮徑管在工(gōng)業中(zhōng)的應用提供一(yī)定的參考。
創新點：1. 提出在彎頭後的管路中(zhōng)增加縮徑管來調整流體(tǐ)的方法；2. 在冷模實驗數據驗證模拟結果的正确性的基礎上，根據CFD模拟得到的管道内的壓力、流體(tǐ)速度、相分(fēn)布及湍動能分(fēn)布詳細分(fēn)析了縮徑管能起整流作用的原因。
方法：1. 通過冷模實驗所得的壓力數據與模拟值進行對比，證明模拟所采用模型的正确性；2. 通過對不同流體(tǐ)入口條件模拟結果的比較，找到縮徑管的作用規律；3. 通過CFD模拟得到管道内的壓力、流體(tǐ)速度、相分(fēn)布及湍動能，分(fēn)析縮徑管的整流原理。
結論：1. 模拟所采用的模型可較好地反映管道内的流體(tǐ)流動情況；2. 縮徑管能起到很好的整流效果；3. 縮徑管可使流體(tǐ)加速，促進流體(tǐ)的快速混合，因此能夠使不穩定的流體(tǐ)快速達到穩定狀态。

關鍵詞組：90°彎管；縮徑管；CFD；均勻分(fēn)布；流體(tǐ)力學

Dual bed catalyst system for oxidative dehydrogenation of mixed-butenes: a synergistic mechanism

Xiao-yi Li, Dang-guo Cheng, Feng-qiu Chen, Xiao-li Zhan

DOI: 10.1631/jzus.A1600295 Downloaded: 2772 Clicked: 4020 Cited: 0 Commented: 0(p.225-233) <Full Text> <PPT> 1824

Chinese summary <21> 混合丁烯氧化脫氫雙層床催化劑體(tǐ)系的協同作用機理

目的：通過對混合丁烯氧化脫氫過程進行反應表征，對由ZnFe₂O₄和Co₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁組成的雙床層催化劑體(tǐ)系中(zhōng)存在的協同機理進行解釋；将異構化反應過程納入反應體(tǐ)系，得出混合丁烯轉化率和丁二烯收率上升的原因。
創新點：1. 提出基于丁烯異構體(tǐ)在床層之間濃度重分(fēn)布和異構化效應抑制作用的協同作用機理；2. 設計驗證實驗，從直觀角度證實機理，并優化了催化劑的裝填量和裝填順序。
方法：1. 通過單一(yī)丁烯和混合丁烯的氧化脫氫反應，對單一(yī)催化劑和雙床層催化劑進行反應評估，得到相關反應數據；2. 通過設計對比實驗，從改變參加反應物(wù)質的直觀角度對協同機理進行驗證和解釋；3. 對參加反應的雙層床催化劑中(zhōng)兩種催化劑的裝填量和裝填順序進行優化，爲進一(yī)步研究組合型催化劑提供實驗基礎。
結論：1. ZnFe₂O₄對兩種2-丁烯有更優的催化效果，而Co₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁對1-丁烯有更優的催化效果，由兩者組成的雙層床催化體(tǐ)系對單一(yī)丁烯和混合丁烯的反應效果都有所提升，證明兩種催化劑之間存在協同效應。2. 雙層床催化劑體(tǐ)系中(zhōng)，兩種催化劑之間的協同作用機理是：催化劑不同活性導緻丁烯異構體(tǐ)在床層之間的濃度發生(shēng)重分(fēn)布，同時由于多種異構體(tǐ)同時存在抑制了異構化反應。3. 對雙層床催化劑體(tǐ)系的裝填順序和裝填量的優化結果表明，ZnFe₂O₄裝填在上層，CCo₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁裝填在下(xià)層，且兩者比例處于4:6到6:4之間時催化效果最佳。

關鍵詞組：混合丁烯；氧化脫氫；雙層床催化劑體(tǐ)系；協同作用

Diversity in diversification: an analysis of shopping trips in six-week travel diary data

Yi-lin Sun, Ari Tarigan, Owen Waygood, Dian-hai Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1500198 Downloaded: 2372 Clicked: 3913 Cited: 0 Commented: 0(p.234-244) <Full Text> <PPT> 1757

Chinese summary <21> 多元化的多樣性：連續6周交通日志(zhì)的購物(wù)出行分(fēn)析

目的：探究個人的購物(wù)出行模式随時間的變化差異性。探讨個人在星期中(zhōng)的天變化，量化多樣化的特征和識别個體(tǐ)間的異質性。
創新點：1. 使用連續6周的數據進行動态交通行爲分(fēn)析；2. 建立二元邏輯回歸模型，識别個體(tǐ)間購物(wù)出行模式的異質性。
方法：1. 通過描述性統計分(fēn)析，解析不同群體(tǐ)之間的購物(wù)行爲的差異、每周購物(wù)天數的分(fēn)布以及每周每人購物(wù)天數的标準偏差（表1、圖1和2）；2. 通過回歸模型分(fēn)析，得出解釋變量對購物(wù)地點和頻(pín)率的影響結論（表2和3）；3. 構建二元邏輯回歸模型，識别個體(tǐ)間購物(wù)出行模式的異質性，找出具有常規購物(wù)行爲的群體(tǐ)（表4）。
結論：1. 低收入和卡爾斯魯厄居住地對日常購物(wù)目的地的多樣性呈正影響關系，而全職工(gōng)作和男性對日常購物(wù)目的地的多樣性呈負影響關系；2. 連續6周的日常購物(wù)出行次數受到35~44歲的年齡範圍、2500~2999德國馬克的家庭月收入以及市中(zhōng)心居住地區的積極影響；3. 購物(wù)地點和頻(pín)率的多樣性是随着個人屬性和居住地點以系統的方式變化。

關鍵詞組：購物(wù)行爲；日常購物(wù)；購物(wù)地點和頻(pín)率；購物(wù)出行模式；購物(wù)出行