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

2023 Vol.24 No.10 P.841-936

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Micro-Newton scale variable thrust control technique and its noise problem for drag-free satellite platforms: a review

Changyi XU, Wenya LI, Xuhui LIU, Yong LI, Chao ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300104 Downloaded: 398 Clicked: 476 Cited: 0 Commented: 0(p.841-858) <Full Text> <PPT> 113

Chinese summary <12> 微牛級變推力控制技術和無拖曳衛星平台的噪聲問題：綜述

作者：徐昌一(yī)¹，李文娅¹，劉旭輝²，李永²，張超³
機構：¹大(dà)連理工(gōng)大(dà)學，控制科學與工(gōng)程學院，中(zhōng)國大(dà)連，116024；²北(běi)京控制工(gōng)程研究所，中(zhōng)國北(běi)京，100190；³浙江大(dà)學，機械工(gōng)程學院流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058
概要：實現空間引力波探測、地球重力場高精度測量、參照系阻力效應測量等基礎空間物(wù)理量的高精度測量，需要高性能衛星平台在接近"純重力"的飛行環境中(zhōng)實現"無拖曳控制"。無拖曳控制的關鍵技術是微牛頓尺度下(xià)的變推力控制。推力噪聲是實現無阻力飛行最重要的技術指标。因爲推力噪聲的形成機理和影響規律的物(wù)理因素，噪聲抑制技術的發展受到限制。針對推力噪聲的主要挑戰，本文對微牛頓變推力控制技術和無拖曳衛星平台的推力噪聲問題進行了系統的綜述，并對今後的研究方向進行了讨論。該工(gōng)作爲實現下(xià)一(yī)代無阻衛星的低噪聲變推力控制提供了詳細的理解和支持。

關鍵詞組：空間物(wù)理探測；衛星平台；無拖曳控制；微牛級變推力技術；推力噪聲

Research Articles

Microfluidic fuel cells integrating slanted groove micro-mixers to terminate growth of depletion boundary layer thickness

Jinchi SUN, Xiongwei TIAN, Zhangqing LIU, Jie SUN, Menglian ZHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300087 Downloaded: 345 Clicked: 434 Cited: 0 Commented: 0(p.859-874) <Full Text> <PPT> 204

Chinese summary <11> 集成斜槽微混合器以終止耗盡邊界層厚度增長的微流體(tǐ)燃料電池

作者：孫金池¹，田雄偉¹，柳張清¹，孫潔²，鄭夢蓮^1,3
機構：¹浙江大(dà)學，能源工(gōng)程學院，熱工(gōng)與動力系統研究所，中(zhōng)國杭州，310027；²浙大(dà)甯波理工(gōng)學院，能源與環境工(gōng)程研究所，中(zhōng)國甯波，315100；³能源高效清潔利用全國重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027
目的：由于微流體(tǐ)燃料電池通常在共層流狀态下(xià)運行以實現無膜設計，因此它們通常在擴散傳輸方面受到嚴重的傳質限制。本文旨在研究新型流道設計并提供優化設計的一(yī)般性理論模型。
創新點：1.提出了在流道側壁集成斜槽微混合器的新型微流體(tǐ)燃料電池，并發現了其耗盡邊界層厚度停止增長的現象；2.針對存在橫向二次流的傳質過程開(kāi)發了簡化的模型以及極限電流密度的無量綱關系式。
方法：1.通過計算流體(tǐ)力學軟件模拟新型流道中(zhōng)電解質的傳質過程，研究預測電池性能（極限電流密度與氧化劑流和燃料流之間的對流混合）；2.通過開(kāi)發簡化的模型，揭示橫向二次流的傳質強化機理；3.通過推導無量綱關系式，分(fēn)析設計參數對極限電流密度的影響。
結論：1.與無槽微流體(tǐ)燃料電池相比，集成斜槽微混合器的微流體(tǐ)燃料電池實現了顯著的傳質增強，且極限電流密度增加了115%；2.由于電解質之間界面附近的橫向二次流動較弱，所以電解質之間的對流混合得到了很好的控制；3.研究發現耗盡邊界層厚度的增長在距離(lí)通道入口僅10倍流道高度處終止，并可用簡化的傳質模型進行機理解釋；4.無量綱關系式表明，随着電極長度的增加，極限電流密度具有漸近值，且該數值受電極附近橫向流動速度以及電極寬度的顯著影響。

關鍵詞組：微流體(tǐ)；燃料電池；無膜；斜槽微混合器；傳質；耗盡邊界層

Using pipette tips to readily generate spheroids comprising single or multiple cell types

Rong PAN, Xiaoyan YANG, Shiming WU, Yuanyuan XIE, Feng CHEN, Ke NING, Wei SUN, Ling YU

DOI: 10.1631/jzus.A22D0235 Downloaded: 488 Clicked: 619 Cited: 0 Commented: 0(p.875-885) <Full Text> <PPT> 123

Chinese summary <9> 使用移液器吸頭培養三維腫瘤球

作者：潘茸¹，楊曉豔¹，武士銘¹，謝媛媛¹，陳鳳¹，甯珂¹，孫偉²，餘玲¹
機構：¹西南(nán)大(dà)學，材料與能源學院，清潔能源與先進材料研究所，發光分(fēn)析與分(fēn)子傳感教育部重點實驗室，中(zhōng)國重慶，400715；²海南(nán)師範大(dà)學，化學化工(gōng)學院，中(zhōng)國海口，571158
目的：三維細胞培養相較于常規的二維培養在模拟腫瘤微環境上具備很大(dà)的優勢。本文旨在将移液器吸頭（商(shāng)品化且實驗室通用的一(yī)種耗材）作爲獨特的細胞培養容器進行細胞培養，以實現高通量、簡單、省時且經濟高效的三維細胞球培養。
創新點：1.将移液器吸頭作爲細胞培養容器，其實驗過程未涉及任何機械加工(gōng)和化學處理，因此極大(dà)地簡化了腫瘤球培養實驗過程，爲實驗條件有限的實驗室提供了三維細胞培養的替代方案；2.該培養平台集穩定、便捷、省時、低成本和高通量于一(yī)體(tǐ)；3.該平台在培養過程中(zhōng)可進行原位觀測；4.除了用于細胞球的培養外(wài)，該培養方式還展示出在腫瘤球融合和藥物(wù)篩選等方面的應用潛力。
方法：1.将細胞懸液吸到移液器吸頭中(zhōng)，并将吸頭置于吸頭盒内，然後放(fàng)入細胞培養箱裏進行常規細胞培養。2.培養24 h後，在顯微鏡下(xià)觀察細胞團聚形成三維細胞球；可直接推動移液器按鈕進行細胞球的轉移和後續分(fēn)析。3.将兩個或多個在吸頭内形成的細胞球轉移到同一(yī)個吸頭，實現多個腫瘤球的配對和融合。4.待細胞成球後，在移液器吸頭内加入藥物(wù)，評價藥物(wù)的細胞毒性。
結論：1.将移液器吸頭作爲三維細胞培養平台，通過簡單地抽吸和培養，即可在短時間内高通量地獲得細胞球。2.成功構建了兩種腫瘤細胞（DU145）與血管内皮細胞（HUVEC）的共培養模型。3.兩個或多個細胞球可通過配對和融合組裝成更大(dà)的細胞聚集體(tǐ)，顯示了該平台在微組織工(gōng)程領域中(zhōng)的應用前景。4.成功在移液器吸頭内完成了原位藥物(wù)篩選；不同濃度的阿黴素會對移液器吸頭中(zhōng)的細胞球造成不同程度的損傷。

關鍵詞組：移液器吸頭；三維細胞培養；腫瘤球；共培養；原位觀測

Effect of CO₂-mixing dose and prolonged mixing time on fresh and hardened properties of cement pastes

Minlu WANG, Shuang LUO, Ba Tung PHAM, Tung-Chai LING

DOI: 10.1631/jzus.A2200571 Downloaded: 696 Clicked: 546 Cited: 0 Commented: 0(p.886-897) <Full Text> <PPT> 150

Chinese summary <8> 不同CO₂攪拌劑量及後續攪拌對水泥漿體(tǐ)新拌和硬化性能的影響

作者：汪珉璐，羅雙，Ba Tung Pham，林忠财
機構：湖南(nán)大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國長沙，410082
目的：本文旨在探究不同CO₂攪拌劑量對于水泥漿體(tǐ)新拌及硬化性能的影響，通過延長攪拌時間來提升其性能，并通過熱重分(fēn)析、掃描電鏡觀察等微觀分(fēn)析探究CO₂與新拌水泥漿體(tǐ)之間的反應機理。
創新點：1.采用定制的具有氣密性的攪拌儀器；2.通過延長攪拌時間改善CO₂攪拌水泥漿體(tǐ)的流動性和微觀結構。
方法：1.通過流動性、凝結時間、水化熱測試對水泥漿體(tǐ)的新拌性能進行表征；2.通過抗壓強度、吸水性及吸水率測試對水泥漿體(tǐ)的硬化性能進行表征；3.通過熱重分(fēn)析、掃描電鏡觀察、背散射電子圖像分(fēn)析對樣品的微觀結構進行表征。
結論：1.随着CO₂劑量的增加，水泥漿體(tǐ)的流動性急劇下(xià)降，甚至失去(qù)塑性，這主要與水泥熟料表面生(shēng)成的水合物(wù)和碳酸鹽所形成絮凝網絡有關。2在施加1min的後續攪拌後，新拌水泥漿體(tǐ)的流動性可以提高53%~85%，這是因爲絮凝結構被破壞，被束縛的自由水釋放(fàng)。3.CO₂攪拌會造成抗壓強度降低約10%~20%，這是由于新拌水泥漿體(tǐ)的流動性差，導緻硬化基質中(zhōng)形成了更多的孔隙結構。4.在施加1min的後續攪拌後，其抗壓強度提高18%~32%；與對照樣品相比，早期強度提高3%~15%，這是由于沉積的CaCO₃的水化促進作用和其更緻密的微觀結構。5.樣品的28d抗壓強度與吸水率之間存在較強的線性相關性，說明孔隙分(fēn)布對CO₂攪拌水泥漿體(tǐ)強度變化起着重要作用。

關鍵詞組：CO₂攪拌；碳酸鈣；水泥早期水化；流動性；微觀結構

Geo-environmental properties and microstructural characteristics of sustainable limestone calcined clay cement (LC3) binder treated Zn-contaminated soils

Haoliang WU, Heng SONG, Xinpo SUN, Yuzhang BI, Shenjing FU, Ning YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200531 Downloaded: 458 Clicked: 654 Cited: 0 Commented: 0(p.898-911) <Full Text> <PPT> 144

Chinese summary <7> 可持續石灰石煅燒粘土水泥(LC3)固化劑處理鋅污染土的環境岩土特性及微觀結構特征

作者：伍浩良^1,2，宋恒³，孫新坡³，畢钰璋⁴，符深靖³，楊甯³
機構：¹中(zhōng)山大(dà)學，土木工(gōng)程學院，廣東省海洋土木工(gōng)程重點實驗室，中(zhōng)國廣州，510275，中(zhōng)國；²南(nán)方海洋科學與工(gōng)程廣東省實驗室（珠海），中(zhōng)國珠海，519082；³四川輕化工(gōng)大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國自貢，643002；⁴東南(nán)大(dà)學，交通學院，中(zhōng)國南(nán)京，211189
目的：傳統水泥材料普通矽酸鹽水泥（OPC）處置總金屬污染土面臨高碳排及長期環境安全性的問題。本文旨在利用新型低碳探讨多尺度的形式獲取新型綠色低碳固化劑石灰石煅燒粘土水泥（LC3）修複鋅污染土的關鍵環境岩土工(gōng)程參數，揭示LC3固化穩定化鋅污染土的微觀機理。
創新點：1.探明LC3固化多濃度梯度Zn污染土的物(wù)理化學特性、力學強度和環境安全性特征規律；2.揭示LC3固化土重金屬固定及強度增長的關鍵機理。
方法：1.通過無側限抗壓強度（UCS）和滲透試驗，獲取LC3固化多濃度梯度Zn污染土的力學參數發展規律（圖3）；2.通過毒性特征浸出試驗（TCLP）和合成沉降浸出試驗（SPLP），得到LC3固化劑符合毒性浸出安全指标的濃度（圖6）；3.采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡-能譜儀（SEM-EDS）等微觀測試技術，明确LC3固化Zn污染土的微觀機理（圖7和8）。
結論：1.證明了LC3替代OPC處理鋅污染土壤的可行性；2.LC3和OPC固化污染土的UCS和滲透率k之間爲負增長關系；3.LC3固化土壤中(zhōng)的鋅離(lí)子及提高污染土強度的主要取決于水化産物(wù)的形成。

關鍵詞組：石灰石煅燒粘土水泥（LC3）；固化/穩定化（S/S）；鋅污染土；微觀機理

Experimental investigation of the thermal insulation performance of Ce/Si/Ti oxide heat-reflective coating

Rui SU, Yue LV, Qian SU, Yanfei PEI

DOI: 10.1631/jzus.A2200550 Downloaded: 202 Clicked: 253 Cited: 0 Commented: 0(p.912-924) <Full Text> <PPT> 147

Chinese summary <7> Ce/Si/Ti氧化物(wù)熱反射塗層對高速鐵路軌道闆溫度場影響及其優化研究

作者：蘇芮，呂悅，蘇謙，裴彥飛
機構：西南(nán)交通大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國成都，610031
目的：爲解決無砟軌道闆在溫度荷載作用下(xià)變形開(kāi)裂的問題，本文研制了一(yī)種複合氧化物(wù)，并制備一(yī)系列熱反射塗層試樣，旨在通過宏觀和微觀試驗，以及數值仿真探究影響塗層降溫效果的環境溫度，得到一(yī)種能夠有效減小(xiǎo)無砟軌道闆溫度應力和溫度變形的熱反射塗層，以提高軌道闆的使用壽命，減少維修次數。
創新點：1.制備一(yī)種具有紫外(wài)屏蔽性的無機複合氧化顆粒；2.設計一(yī)系列複合氧化物(wù)熱反射塗層；3.研制室内太陽光模拟試驗系統；4.通過室内試驗分(fēn)析塗層降溫效果。
方法：1.制備一(yī)系列熱反射塗層；2.微觀層面，通過傅裏葉變換紅外(wài)、紫外(wài)可見光譜，對本文所制備材料進行成分(fēn)和光學特性分(fēn)析，論證Ce/Si/Ti氧化物(wù)作爲軌道闆熱反射塗層功能填料的可行性；3.宏觀層面，通過搭建室内太陽光模拟測試裝置，分(fēn)别對有塗層和沒有塗層的混凝土試件表面和内部溫度進行分(fēn)析研究，讨論本文所制備塗層的宏觀隔熱效果；4.通過數值仿真對軌道闆結構傳熱變形三維模型研究軌道闆隔熱反射塗層的工(gōng)程應用效果。
結論：1.熱反射塗層能夠使軌道闆表面溫度和内部溫差降低11.54~21.31°C，當Ce/Si/Ti氧化物(wù)摻入量爲40%~50%時，塗層降溫效果較優異，能夠使軌道闆表面溫度降低70%，溫差減少40%左右，并且使軌道闆豎向位移減小(xiǎo)約70%。2.綜合考慮塗層的隔熱率、混凝土内部溫差和塗層附着強度以及軌道闆變形控制效果，Ce/Si/Ti氧化物(wù)的最優摻入量爲40%，且該塗層最适合用作軌道闆隔熱塗層。

關鍵詞組：軌道闆；太陽輻射；隔熱塗層；降溫性能

Design and comparative analysis of self-propelling drill bit applied to deep-sea stratum drilling robot

Peihao ZHANG, Xingshuang LIN, Hao WANG, Jiawang CHEN, Zhenwei TIAN, Zixin WENG, Ziqiang REN, Peng ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2200351 Downloaded: 905 Clicked: 827 Cited: 0 Commented: 0(p.925-936) <Full Text> <PPT> 201

Chinese summary <7> 應用于海底地層鑽探機器人的自推進鑽頭設計及自推進效果對比分(fēn)析

作者：張培豪^1,2，林型雙^1,2，王豪^1,2，陳家旺^1,2,3，田祯玮¹，翁子欣¹，任自強^1,2，周朋¹
機構：¹浙江大(dà)學，海洋學院，中(zhōng)國舟山，316021；²浙江大(dà)學，海南(nán)浙江大(dà)學研究院，中(zhōng)國三亞，572025；³海洋感知(zhī)技術與裝備教育部工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國舟山，316000
目的：海底地層鑽探機器人作爲一(yī)種新型的海底地層地質調查手段具有廣闊的應用前景。本文旨在分(fēn)析并設計一(yī)種新型的自推進式螺旋鑽頭，以減小(xiǎo)機器人在地層中(zhōng)運動時的前端阻力。
創新點：1.通過理論建模分(fēn)析，推導出新型自推進螺旋鑽頭的螺旋升角與土壤鑽屑排出運動的關系；2.建立仿真模型，成功模拟鑽頭在海底土壤中(zhōng)的鑽進過程，并通過其貫入力和扭矩分(fēn)析其自推進效果；3.設計試驗裝置，成功模拟鑽頭在土壤中(zhōng)的鑽進過程，并通過其貫入力和扭矩進一(yī)步驗證其自推進效果。
方法：1.通過理論推導，構建螺旋葉片升角與土壤鑽屑排出運動之間的關系，得到具有設計優勢的新型自推進鑽頭。2.通過Abaqus有限元仿真軟件，采用耦合歐拉-拉格朗日方法進行鑽頭鑽進過程的仿真分(fēn)析，可視化觀察鑽頭鑽進過程對周圍土壤的擾動範圍（圖9）；對比自推進鑽頭與傳統錐形鑽頭在相同轉速下(xià)軸向貫入力上的差别，确定其自推進效果的優勢（圖10）。3.通過試驗，進一(yī)步驗證所設計的自推進鑽頭在配制的模拟海底土壤中(zhōng)的減阻鑽進效果（圖14）。
結論：1.自推進鑽頭鑽進過程對周圍土壤的影響範圍小(xiǎo)于傳統錐形鑽頭；2.自推進鑽頭能夠靠排出土屑提供推進力，因而有着更小(xiǎo)的鑽進阻力；3.自推進鑽頭的軸向推進力随着轉速的增加而不斷增大(dà)，所以較高轉速有着更好的鑽進減阻優勢；4.自推進鑽頭的扭矩高于傳統錐形鑽頭。

關鍵詞組：海底地層調查；鑽探機器人；自推進鑽頭；鑽進阻力