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

2024 Vol.25 No.1 P.1-96

Cover:

<70>

Contents:

<71>

<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Prediction of maximum upward displacement of shield tunnel linings during construction using particle swarm optimization-random forest algorithm

Xiaowei YE, Xiaolong ZHANG, Yanbo CHEN, Yujun WEI, Yang DING

DOI: 10.1631/jzus.A2300011 Downloaded: 588 Clicked: 815 Cited: 0 Commented: 0(p.1-17) <Full Text> <PPT> 106

Chinese summary <14> 基于粒子群優化-随機森(sēn)林（PSO-RF）算法的盾構隧道施工(gōng)期管片最大(dà)上浮量預測

作者：葉肖偉^1,2，張小(xiǎo)龍²，陳延博^1，2，魏瑜均²，丁楊³
機構：¹浙江大(dà)學，軟弱土與環境土工(gōng)教育部重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027；³浙大(dà)城市學院，城市基礎設施智能化浙江省工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310015
目的：盾構隧道施工(gōng)階段面臨管片上浮問題，不均勻上浮将引起管片破損、開(kāi)裂、滲漏水等病害，嚴重影響隧道施工(gōng)質量與長期服役性能。本文系統地總結了管片上浮機理與影響因素，提出粒子群優化-随機森(sēn)林（PSO-RF）混合算法，建立管片最大(dà)上浮量預測模型，可實現盾構隧道管片上浮量的準确預測，用以指導盾構隧道安全施工(gōng)。
創新點：1.提出混合的PSO-RF算法，預測管片最大(dà)上浮量；2.總結盾構隧道施工(gōng)期管片上浮機理與影響因素。
方法：1.基于管片上浮機理，篩選出12個管片上浮影響因素；2.提出PSO-RF混合優化算法，提升預測模型的預測性能；3.基于管片上浮數據庫，建立管片上浮預測模型，并對比PSO-RF模型與RF模型的預測性能。
結論：1.提出的PSO-RF混合模型明顯提升了管片最大(dà)上浮量預測模型的預測性能；2. PSO-RF管片上浮預測模型成功預測了管片的最大(dà)上浮量，有更小(xiǎo)的預測誤差（MAE=4.04mm，RMSE=5.67mm）與更高的相關性(R²=0.915)；3.盾構機千斤頂推力與隧道埋深是影響管片最大(dà)上浮量預測模型性能的主要因素。

關鍵詞組：随機森(sēn)林；粒子群優化；管片上浮；機器學習預測；盾構隧道施工(gōng)

Comparison of the hygrothermal performance of two light-framed timber structure buildings under different operation modes

Wanqing XU, Yucong XUE, Jiang LU, Yifan FAN, Xiaoyu LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200536 Downloaded: 931 Clicked: 685 Cited: 0 Commented: 0(p.18-35) <Full Text> <PPT> 97

Chinese summary <13> 不同工(gōng)況下(xià)兩座輕型木結構建築的濕熱性能比較

作者：徐婉清^1,2，薛育聰^1,2，陸江³，樊一(yī)帆^1,2，羅曉予^1,2
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；²浙江大(dà)學,海甯國際校區綠色建築與低碳城市國際研究中(zhōng)心，中(zhōng)國嘉興，314400；³浙江科技學院，土木與建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310023
目的：夏熱冬冷地區氣候全年高濕且居民采用間歇用能輔以通風的方式調節環境，由于建築室内外(wài)環境條件複雜(zá)多變，輕型木結構建築在該區的适用性尚有待研究。本文旨在研究用能季典型氣象日及相應間歇用能工(gōng)況下(xià)的室内環境及圍護結構熱濕傳遞特征，并探究在不同條件下(xià)圍護結構不同朝向及不同位置熱濕傳遞的差異，明确牆體(tǐ)冷凝黴變的關鍵位置，爲工(gōng)程運用提供參考。
創新點：1.建立輕型木結構建築足尺模型，并在牆體(tǐ)不同位置設置溫濕度監測點進行實驗與比較；2.以夏熱冬冷地區間隙用能工(gōng)況作爲實驗條件，研究更加貼近真實情況。
方法：1.通過文獻調研梳理夏熱冬冷地區居民用能及通風習慣，選擇典型間歇工(gōng)況作爲實驗條件。2.運用溫濕度自記儀、傳感器對室内及牆體(tǐ)内部溫濕度進行監測，通過對比不同時刻、位置的溫濕度差異，總結輕型木結構建築室内環境及圍護結構材料在典型工(gōng)況下(xià)的熱濕特征。
結論：1.一(yī)号建築的總傳熱阻略高于二号建築，總傳濕阻大(dà)大(dà)高于二号建築，其外(wài)牆對溫濕度的變化具有更強的抵抗能力，在室内外(wài)環境不理想時能較好地保持與調節室内環境；而二号建築在間歇用能和通風時相應較快。2.岩棉層兩側的材料容易出現相對濕度較高的狀況，夏季靠室内側的石膏闆具有高濕風險，而冬季靠室外(wài)側的定向刨花闆（OSB）層具有高濕風險。

關鍵詞組：輕型木結構建築；現場試驗；典型工(gōng)況；室内環境；熱濕傳遞

Biotreatment of incinerated bottom ash and biocementation of sand blocks using soybean urease

Xiaoniu YU, Yidong XU

DOI: 10.1631/jzus.A2300006 Downloaded: 469 Clicked: 661 Cited: 0 Commented: 0(p.36-46) <Full Text> <PPT> 135

Chinese summary <8> 應用大(dà)豆脲酶處理垃圾焚燒底灰和膠結砂塊

作者：於孝牛¹，徐亦冬²
機構：¹東南(nán)大(dà)學，江蘇省土木工(gōng)程材料重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京，211189；²浙大(dà)甯波理工(gōng)學院，土木建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國甯波，315100
目的：大(dà)豆脲酶基生(shēng)物(wù)水泥與脲酶菌基生(shēng)物(wù)水泥功能相同，其同樣可被應用于環境和土木工(gōng)程中(zhōng)。由于培養脲酶菌的過程複雜(zá)且成本較高，本文提出使用簡單且成本相對較低的大(dà)豆脲酶，其可誘導碳酸鹽沉澱，是一(yī)類新型生(shēng)物(wù)水泥。它可被應用于污染物(wù)中(zhōng)重金屬處理和軟土地基加固。在處理後的重金屬污染物(wù)中(zhōng)，可有效降低遊離(lí)重金屬的濃度至安全閥值以下(xià)；在膠結後的砂土中(zhōng)，可顯著提高其力學性能。
創新點：1.大(dà)豆脲酶可采用水浸泡法提取；2.根據最佳脲酶活性，确定大(dà)豆粉末的最佳浸泡時間和用量；3.根據最佳去(qù)除率，确定最佳去(qù)除鎳離(lí)子的配方；4.根據脲酶水解機理和礦物(wù)形成的生(shēng)物(wù)化學反應機制，讨論大(dà)豆脲酶基生(shēng)物(wù)水泥礦化固結鎳離(lí)子和膠結砂土的機理和過程。
方法：1.通過浸泡大(dà)豆粉末，根據最佳脲酶活性确定最佳浸泡時間和摻量（圖S3和S4）；2.通過調節尿素摻量、大(dà)豆粉末濾液含量和礦化時間，在溶液中(zhōng)鎳離(lí)子最佳去(qù)除率下(xià)，确定尿素、鎳離(lí)子與大(dà)豆粉末濾液的最佳質量比（圖5a~5c）；3.通過應用最佳質量比下(xià)的尿素和大(dà)豆粉末濾液，可以有效去(qù)除垃圾焚燒底灰中(zhōng)鎳離(lí)子和提升膠結砂土的力學性能（圖6和7）；4.通過大(dà)豆脲酶礦化固結鎳和鈣離(lí)子的示意圖，揭示大(dà)豆脲酶基生(shēng)物(wù)水泥的形成機制和膠結機理（圖8）。
結論：1.大(dà)豆粉末與水混合可以釋放(fàng)大(dà)豆脲酶，并溶于水中(zhōng)，可催化分(fēn)解尿素，引起電導率變化，從而确定脲酶活性；2.大(dà)豆粉末的最佳浸泡時間和摻量需要根據不同浸泡時間和摻量與脲酶活性的關系确定；3.尿素、鎳離(lí)子與大(dà)豆粉末濾液的最佳質量比需要根據不同尿素摻量、大(dà)豆粉末濾液含量和礦化時間與鎳離(lí)子去(qù)除率關系确定；4.通過應用最佳質量比下(xià)的尿素和大(dà)豆粉末濾液，可以獲得不同鎳離(lí)子濃度下(xià)的去(qù)除率和不同膠結次數下(xià)的砂土的碳酸鈣含量和無側限抗壓強度。

關鍵詞組：生(shēng)物(wù)水泥；大(dà)豆粉末濾液；去(qù)除率；砂土；無側限抗壓強度

Numerical modeling and experimental investigation of a two-phase sink vortex and its fluid–solid vibration characteristics

Zichao YIN, Yesha NI, Lin LI, Tong WANG, Jiafeng WU, Zhe LI, Dapeng TAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200014 Downloaded: 195 Clicked: 293 Cited: 0 Commented: 0(p.47-62) <Full Text> <PPT> 89

Chinese summary <14> 兩相彙流漩渦及流固耦合振動特性的模拟與研究

作者：殷梓超^1,2，倪耶莎¹，李霖^1,2，王彤^1,2，吳佳峰¹，李哲¹，譚大(dà)鵬^1,2
機構：¹浙江工(gōng)業大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310014；²浙江大(dà)學，流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058
目的：彙流旋渦的實時監測可有效促進冶金精煉、燃料系統、水力發電等工(gōng)業場景的提質增效。本文旨在建立兩相旋渦流固耦合模型，獲取壁面沖擊振動信号和提取旋渦貫穿特征，以期爲工(gōng)業防渦和抑渦提供理論參考與技術支持。
創新點：1.建立了渦流力學模型，得到了臨界貫入狀态的規律；2.建立了流固耦合模型，得到了渦激振動信号；3.提出了一(yī)種基于四方程的振動響應求解方法。
方法：1.采用水平集方法，建立自由彙流旋渦模型來研究氣液兩相作用機理；2.建立流固耦合動力學模型，研究沖擊振動特性，并揭示臨界流動狀态的轉變機理；3.搭建實驗觀測平台，驗證數值計算結果的準确性。
結論：1.渦流耦合能量引起的壓力振蕩是流固沖擊振動産生(shēng)的根本原因；2.旋渦達到臨界穿透狀态時，兩相耦合引起的壓力振蕩導緻各頻(pín)率信号顯著增強，且高頻(pín)波段尤爲明顯；3.根據流體(tǐ)動力學相似理論搭建的實驗平台可基于沖擊振動特性實現對彙流旋渦的實時監測。

關鍵詞組：自由彙流旋渦；流固耦合建模；多物(wù)理場模型；振動沖擊特性

Effect of nitrile butadiene rubber hardness on the sealing characteristics of hydraulic O-ring rod seals

Xiaoxuan LI, Bingqing WANG, Xudong PENG, Yuntang LI, Xiaolu LI, Yuan CHEN, Jie JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2200612 Downloaded: 653 Clicked: 729 Cited: 0 Commented: 0(p.63-78) <Full Text> <PPT> 98

Chinese summary <11> 丁腈橡膠硬度對O形液壓杆封密封性能的影響

作者：李曉暄¹，王冰清^1,2，彭旭東³，李運堂²，李孝祿²，陳源²，金傑²
機構：¹中(zhōng)國計量大(dà)學，質量與安全工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310018；²中(zhōng)國計量大(dà)學，機電工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310018；³浙江工(gōng)業大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310023
目的：研究丁腈橡膠硬度對O形液壓杆封靜/動态密封性能的影響，爲其工(gōng)程中(zhōng)橡膠硬度的選型提供理論參考。
創新點：1.基于混合彈流潤滑模型，分(fēn)析了丁腈橡膠硬度對O形液壓杆封靜/動态密封性能的影響；2.以低洩漏、低摩擦爲目标，獲得了靜/動态應用下(xià)丁腈橡膠O形液壓杆封的橡膠硬度優選範圍。
方法：1.通過數值分(fēn)析靜接觸壓力、von Mises應力、最小(xiǎo)液膜厚度、洩漏率和摩擦力，揭示丁腈橡膠硬度對O形液壓杆封靜/動态密封性能的影響機理；2.以最大(dà)靜接觸壓力和最大(dà)von Mises應力作爲靜密封性能評價指标，以及以淨洩漏量和摩擦功耗作爲動密封性能的評價指标，确定丁腈橡膠O形液壓杆封的最佳橡膠硬度值。
結論：1.随着橡膠硬度的增加，丁腈橡膠O形液壓杆封的抗變形能力增強，靜接觸壓力增大(dà)，最小(xiǎo)液膜厚度減小(xiǎo)，洩漏量減小(xiǎo)，摩擦力增大(dà)；2.低硬度密封易産生(shēng)擠出效應和應力集中(zhōng)現象，因此更适合在高速或低密封性要求的場合使用；3.高硬度密封具有更優的靜/動态密封性能，所以特别适用于高壓工(gōng)況場合，但由于其摩擦力較大(dà)，因此在滿足洩漏要求的前提下(xià)應盡量選擇相對較低的橡膠硬度以減小(xiǎo)摩擦。

關鍵詞組：丁腈橡膠硬度；密封性能；優化選型；O形圈

Biomimetic microchannel network with functional endothelium formed by sacrificial electrospun fibers inside 3D gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogel models

Haoyu SUN, Haiyang MA, Li WANG, Yang LIU, Tian HOU, Wenjie TANG, Qing YU, Meiwen AN, Meiling WEN

DOI: 10.1631/jzus.A23D0045 Downloaded: 669 Clicked: 807 Cited: 0 Commented: 0(p.79-96) <Full Text> <PPT> 104

Chinese summary <11> 犧牲電紡纖維在三維甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠模型中(zhōng)形成的具有功能性内皮細胞的仿生(shēng)微通道網絡

作者：孫浩宇，馬海洋，王立，劉陽，侯添，唐文傑，于晴，安美文，文美玲
機構：太原理工(gōng)大(dà)學，生(shēng)物(wù)醫學工(gōng)程學院生(shēng)物(wù)醫學工(gōng)程研究所,中(zhōng)國太原，030024
目的：三維（3D）水凝膠模型在組織工(gōng)程中(zhōng)起到了促進組織再生(shēng)的關鍵作用。三維水凝膠模型中(zhōng)的仿生(shēng)微通道網絡系統是實現最佳細胞功能的必要條件。本文旨在研究利用電紡技術和犧牲模闆法制備具有内部微通道網絡的仿生(shēng)水凝膠支架，用于三維内皮細胞培養形成功能性人工(gōng)微血管。
創新點：1.首次利用靜電紡絲技術成功制備直徑＞10 μm的纖維材料，作爲形成微通道網絡的犧牲材料；2.通過反複擠壓的方式，在高濃度甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠内成功創建了微通道和空腔，從而創建了微血管樣通道；3.成功在微通道腔内形成内皮細胞單層，并研究了3D水凝膠支架表面和支架内對人臍靜脈内皮細胞（HUVECs）的活性、增殖、形态發生(shēng)和血管再生(shēng)的影響。
方法：1.以難揮發的去(qù)離(lí)子水和易揮發的六氟異丙醇（HFIP）爲溶劑，通過優化配比及電紡條件，使其靜電紡直徑更大(dà)的纖維，用于形成微通道結構的犧牲材料（圖1）；2.合成并研究高濃度的純GelMA水凝膠和支架的理化性能和生(shēng)物(wù)相容性。通過力學性能、溶脹性能和降解性能等表征和對比，篩選出最優性能的支架（圖2~5）；3.通過對支架表面和支架内的内皮細胞培養，量化對比内皮細胞的形态發生(shēng)以及細胞核鋪展，研究支架對人工(gōng)微血管形成的影響（圖6~8）。
結論：1.在室溫條件下(xià)，聚乙烯醇（PVA）纖維能夠被聚丁二酸丁二醇酯（PBS）溶液快速溶解；2.通過力學性能、溶脹性能和降解性能等測試，與純GelMA水凝膠相比，含微通道網絡的仿生(shēng)GelMA水凝膠力學性能有所下(xià)降。雖然微通道網絡的存在降低了其各種性能，但仍有利于HUVECs的生(shēng)長和增殖，且滿足組織再生(shēng)的周期，特别适用于三維細胞培養和組織工(gōng)程應用；3.CCK-8毒性測試和對細胞的活-死染色結果顯示，三種支架均具有良好的生(shēng)物(wù)相容性。在培養7 d後，材料表面細胞相互連接形成管狀結構，HUVECs在濃度爲25%的支架比15%和20%的支架細胞數量顯著增加，且有更明顯的鋪展和管狀結構。這表明其狀态良好，支持了含内部結構的GelMA水凝膠支架的生(shēng)物(wù)相容性，且此支架可作爲生(shēng)物(wù)醫學領域的3D細胞培養，應證了上述所提到的内含微結構的水凝膠亦适用于細胞附着與增殖。4.經過對細胞的4’,6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）和微絲染色，結果顯示培養3 d後，在支架通道内形成了穩定的内皮單細胞層，細胞核分(fēn)布均勻且沿着孔道主軸方向排布，微絲清晰可見，大(dà)多傾向于軸向分(fēn)布。其次，微孔道通過接觸引導影響HUVECs的細胞行爲與形态，從而促進HUVECs形成微血管。發現微通道管腔3D微環境通過接觸引導促進融合的内皮細胞單層的形成，進一(yī)步表明了此支架作爲體(tǐ)外(wài)微血管的再生(shēng)的适用性。最後，通過量化對比，微通道加速了微血管的再生(shēng)。

關鍵詞組：仿生(shēng)支架；光交聯；微通道網絡；組織工(gōng)程；人工(gōng)微血管