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当期目录

    2021年 第27卷 第6期    刊出日期:2021-12-31
    特邀综述
    航空发动机涡轮流动及噪声数值模拟
    严佳, 柴军生, 任国哲, 吴忱韩, 唐小龙, 杨小权, 丁珏, 翁培奋
    2021, 27(6):  993-1009.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2349
    摘要 ( 1551 )   HTML ( 537)   PDF (18284KB) ( 436 )  
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    发展可靠、高效、低噪声的发动机是航空工业不懈的追求. 涡轮作为航空发动机核心部件之一. 其流动及换热问题始终是贯穿航空发动机设计、制造的核心问题. 随着航空发动机风扇和喷流噪声得到大幅控制, 涡轮噪声逐渐凸显. 并日益受到关注. 为推动航空发动机涡轮流动换热及噪声数值模拟方法的工程应用, 首先. 以航空发动机涡轮中复杂湍流及流动换热问题为主线. 分别阐述了旋转盘腔、旋转叶片流动及换热问题数值模拟的研究现状; 其次. 对航空发动机涡轮噪声研究现状进行分析. 总结了常用涡轮噪声预测方法和存在的问题. 在此基础上. 面向工程实际需求. 对航空发动机涡轮流动、换热与噪声数值模拟进行了展望.

    研究论文
    耦合谐振子的量子绝热捷径设计
    杨冠卓, 陈玺
    2021, 27(6):  1010-1017.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2226
    摘要 ( 1349 )   HTML ( 339)   PDF (940KB) ( 115 )  
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    量子绝热捷径技术旨在加快量子绝热慢过程, 已经被广泛用于原子的冷却、转移等量子信息处理过程. 研究耦合谐振子模型的量子绝热捷径设计及其热机应用, 基于耦合谐振子模型的量子不变量, 首先得到 Ermakov 方程, 然后反设计耦合谐振子频率, 最终加快绝热过程而不产生末态激发. 本工作为耦合谐振子的量子态操控及超绝热量子热机提供了新思路.

    轻量化神经网络和哈希跟踪算法在嵌入式人脸抓拍系统中的应用
    许庚林, 冉峰, 邓良, 史华康, 郭爱英
    2021, 27(6):  1018-1028.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2187
    摘要 ( 1338 )   HTML ( 338)   PDF (4466KB) ( 374 )  
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    针对嵌入式设备上难以兼顾人脸抓拍的速度和准确率的问题, 基于轻量化神经网络和哈希 (Hash) 跟踪算法设计了一种快速精准的嵌入式人脸抓拍系统. 首先, 对轻量化网络 MobileNet 固态硬盘 (solid state disk, SSD) 剪枝和优化网络结构构建人脸检测网络; 其次, 人脸对齐后基于均值哈希 (average Hash, aHash) 与感知哈希 (perceptual Hash, pHash) 设计融合哈希 (fusion Hash, fHash) 算法跟踪人脸, 使用关键点欧氏距离、人脸尺寸和四方向 Sobel 算子三标准提取最佳的人脸图像; 最后, 使用 MobileFaceNet 对最佳人脸进行识别. 实验结果表明: 与 MobileNet SSD 相比, 该人脸检测算法速度提升了 22.6%; 与均值哈希和感知哈希算法相比, 该融合哈希算法匹配准确率提高了 21.7% 和 10.1%; 实际场景中系统人脸抓拍准确率超过 95%, 抓拍速度达到 28 帧/s.

    各种对称性下挠曲电系数的 Kronecker 张量积表示
    吁鹏飞, 彭黎明, 冷伟丰, 锁要红
    2021, 27(6):  1029-1037.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2335
    摘要 ( 1248 )   HTML ( 324)   PDF (684KB) ( 131 )  
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    Kronecker 张量积在描述材料系数的对称性方面具有重要作用. 通过首次构建符合挠曲电系数对称性的正交旋转张量 4 次 Kronecker 幂, 推导了 7 大晶系、32 类晶体点群及各向同性下挠曲电系数的矩阵结构表示, 这些结果包含了独立的挠曲电系数个数及其具体的分量形式. 通过与前人的工作对比, 验证了本文结果的正确性.

    湍流热对流系统中粗糙壁面对流动结构的影响
    阳建林, 张义招, 周全
    2021, 27(6):  1038-1046.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2225
    摘要 ( 1186 )   HTML ( 332)   PDF (5736KB) ( 92 )  
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    自然界中存在的热对流现象大部分都具有粗糙边界, 研究粗糙壁面 Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流对理解湍流传热和流动结构具有重要的理论价值和实际意义. 采用数值模拟的方法研究二维粗糙壁面对 RB 湍流热对流流动结构的影响, 主要参数 Rayleigh 数(Ra)和 Prandtl 数(Pr)分别为 10$^{7}\le $Ra$\le $10$^{9}$和 $Pr = 0.7$. 计算中采用的粗糙元形状为等腰直角三角形. 结果表明:粗糙元对大尺度环流的抑制作用与粗糙元对羽流的生成和二次涡的促进作用相互竞争, 导致 Reynolds 数(Re)变化复杂, Ra 数与 Re 数的标度律关系异常.

    Sb$_{\mathbf 2}$O$_{\mathbf 3}$/Sb 锂离子电池负极材料的制备及电化学性能
    张豪杰, 胡业旻
    2021, 27(6):  1047-1055.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2229
    摘要 ( 1193 )   HTML ( 335)   PDF (8356KB) ( 50 )  
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    以多孔锑 (Sb) 为原料利用微氧化法制备了三氧化二锑/锑 (Sb$_{2}$O$_{3}$/Sb) 复合材料. 首先通过梯度试验确定微氧化温度, 接着通过控制微氧化时长来控制产物中 Sb$_{2}$O$_{3}$ 的含量. 在制备的 Sb$_{2}$O$_{3}$/Sb 复合材料中, Sb 能改善复合物的电子传输能力从而提升倍率性能. Sb$_{2}$O$_{3}$ 提供高容量, 且基于转化反应生成的 Li$_{2}$O 能阻止锑金属的团聚, 提高复合物的循环稳定性. 由于这种协同效应, Sb$_{2}$O$_{3}$/Sb 复合材料在电流密度为 200 mA$\cdot$g$^{-1}$ 时的首次库仑效率为 78.2%, 经过 100 圈循环后容量高达 729.6 mAh$\cdot$g$^{-1}$, 而当电流密度为 10 000 mA$\cdot$g$^{-1}$ 时, 容量仍保持为 203 mAh$\cdot$g$^{-1}$. 对比多孔锑, Sb$_{2}$O$_{3}$/Sb 复合材料的循环和倍率性能均有显著提高.

    淀山湖水质及与环湖稻田农业面源污染的关系
    郑亚利, 胡雪峰, 陆思文, 李俊, 罗凡, 兰国俊, 赵景龙, 张伟杰
    2021, 27(6):  1056-1064.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2202
    摘要 ( 1205 )   HTML ( 303)   PDF (2169KB) ( 84 )  
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    对淀山湖主要进水和出水口水质进行年度定点监测; 同时, 布置田间试验, 研究不同施肥稻田田面水养分含量动态. 结果表明:淀山湖进出水口水体氨氮和总磷年平均质量浓度分别为 0.47 和 0.13 mg/L, 基本处于 Ⅴ 类水质标准; 进水口水质略劣于出水口, 不同进水口的水质也有很大差异. 进一步研究发现, 淀山湖水质的年度变化与稻田田面水养分的动态变化有密切的相关性, 表明农业面源污染对淀山湖水环境具有显著影响. 在环湖地区, 减少和控制农业面源, 是进一步改善淀山湖水环境质量的关键.

    钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟
    黄鑫龙, 吕陈扬韬, 孙昱瑶, 楚海建
    2021, 27(6):  1065-1073.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2222
    摘要 ( 1383 )   HTML ( 74)   PDF (5408KB) ( 127 )  
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    基于分子动力学模拟, 系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响. 首次采用微动弹性带 (nudged elastic band, NEB) 方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析. 研究发现, 存在一个极限氦/空位比, 当氦/空位比超过该极限值时, 纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生成并发射柱型位错环而长大;氦泡诱导位错成核所需的极限内压随温度的升高与氦泡的长大而减小, 氦/空位比的增加可以有效地降低位错成核所需的能垒.

    考虑井阻与涂抹的非饱和土竖井地基固结分析
    秦爱芳, 许薇芳, 江良华
    2021, 27(6):  1074-1084.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2231
    摘要 ( 1129 )   HTML ( 98)   PDF (1088KB) ( 24 )  
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    基于等应变假设与 Fredlund 非饱和土固结理论, 得到了考虑井阻与涂抹的非饱和土竖井地基固结半解析解. 首先, 引入两个新的变量, 通过 Laplace 变换将控制方程组转化为易于求解的常微分方程组; 然后, 考虑井阻与涂抹条件, 并将 Laplace 变换下的解用 Crump 方法编程实现 Laplace 逆变换, 得到地基内任一深度的平均超孔隙气压力、平均超孔隙水压力和整个深度范围内的平均固结度在时间域内的解;最后, 将所求解退化为饱和土中考虑井阻与涂抹的等应变固结解进行验证, 并与非饱和土中自由应变假设下理想井固结解进行对比, 验证了半解析解的可靠性. 通过分析发现:井阻因子、涂抹系数和涂抹区半径比任何一个值增大, 固结都将变慢;考虑井阻与涂抹能更加准确地预测非饱和土竖井地基的固结度.

    离散单元法分析隔振沟引起的强夯变形和应力变化
    李玉岐, 杨赋安, 张文杰
    2021, 27(6):  1085-1093.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2230
    摘要 ( 1202 )   HTML ( 376)   PDF (5995KB) ( 60 )  
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    为有效分析隔振沟对强夯引起的土体变形和应力的影响, 基于二维离散元法理论和已有的砂土地基强夯离心机试验, 建立了强夯的地基处理模型, 研究了隔振沟深度和位置对地基表面隆起的影响, 从颗粒尺度方面对隔振沟外 3 m 范围内的应力变化进行了探讨. 结果表明: 隔振沟可以有效减小地基表面的隆起变形, 但隔振沟位置和深度对地表的隆起变形影响较小; 隔振沟对应力变化的影响随观测点深度的增加逐渐减小, 当深度达到地面以下 4 m 时, 隔振沟的设置对远离震源一侧监测点处的应力变化影响很小.

    盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析
    周立基, 张孟喜, 王维, 加武荣, 张晓清
    2021, 27(6):  1094-1105.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2228
    摘要 ( 1219 )   HTML ( 326)   PDF (7855KB) ( 54 )  
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    盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.

    近代木结构柱-梁节点转动刚度及木材弹性模量的检测方法
    刘剑珲, 徐超, 欧阳煜
    2021, 27(6):  1106-1117.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2149
    摘要 ( 1372 )   HTML ( 168)   PDF (3151KB) ( 289 )  
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    以新泰仓库木柱-木梁结构为原型进行木构架缩尺试验, 研究木柱-木梁结构的受力性能和变形特征. 试验结果表明, 木柱-木梁节点具有明显的半刚性连接特征, 节点刚度随荷载的变化而变化. 通过量测木梁跨中竖向位移、木柱中部侧向位移, 并结合计算分析, 相对准确地确定了木材弹性模量的上、下限值和平均值. 本方法通过对木结构做现场检测试验即可求得柱-梁节点的转动刚度和木材弹性模量, 对历史保护建筑的检测鉴定与加固设计具有一定的参考意义.

    基于数字图像技术的静压桩周土体位移规律分析
    姜赟, 陆烨, 王校勇
    2021, 27(6):  1118-1127.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2227
    摘要 ( 1216 )   HTML ( 49)   PDF (3223KB) ( 47 )  
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    为了研究沉桩对周围土体的挤压效应, 采用半模型桩试验结合数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术获取土体位移场, 并用微型压力单元测量水平土体应力. 首先, 对不同位置土颗粒在压桩过程中的累计位移进行全过程分析; 然后, 在压桩停止之后对桩周土体的最终位移情况进行了记录和分析; 最后, 通过设置局部摄像头, 在桩土界面上观察剪切扰动区的厚度. 结果表明: 在桩体移动过程中土体各点的累计位移随着沉桩深度的增加逐渐达到稳定状态, 距离桩体较近测点的位移稳定值总比较远的大; 土体水平位移最大值约在 $16R$ ($R$ 为沉桩半径)深度处, 竖向位移最终方向因深度的不同而有所变化. 对比侧向土应力的发展与水平位移、垂直位移发现, 二者在压桩过程中变化规律的关联性较为密切, 实现了力与位移的统一. 研究成果对进一步揭示沉桩挤土效应内在机理和桩-土间作用机理提供参考.

    外包 U 型钢-混凝土组合梁与方钢管混凝土柱隔板贯通节点试验
    周健, 杨锋
    2021, 27(6):  1128-1137.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2205
    摘要 ( 1152 )   HTML ( 338)   PDF (3731KB) ( 30 )  
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    对一种新型外包U型钢混凝土组合梁与钢管混凝土柱隔板贯通节点形式进行低周反复荷载下的试验研究, 并用 ABAQUS 对该试验节点进行有限元分析. 有限元模拟得出节点的破坏位置、应力分布、滞回曲线等抗震性能和试验得出的结果基本一致. 在有限元基础上, 考察 U 型钢梁壁厚、钢管柱壁厚、贯通隔板厚度对节点抗震的影响. 结合试验破坏现象, 对节点构造不足之处加以改进. 结果表明: U 型钢梁壁厚对节点抗震性能有显著影响, 钢管柱壁厚、贯通隔板厚度对抗震性能影响较小; 相比于单一地提高材料尺寸, 合理的构造措施可以更有效率地提高节点的抗震性能, 充分发挥组合材料的优越性, 提高材料利用的效率, 节约工程成本.

    北京 MSM 人群 HIV 传播的贝叶斯推断
    程金瑾, 金鑫, 汪圳, 娄洁
    2021, 27(6):  1138-1143.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2195
    摘要 ( 1338 )   HTML ( 319)   PDF (787KB) ( 93 )  
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    从北京地区收集了 44 例年轻男男同性恋 (men who have sex with men, MSM) 性行为者的人类免疫缺陷病毒 (human immunodeficiency virus, HIV)-1 基因序列, 利用贝叶斯推断从中提取了一些有价值的流行病学信息, 得到了传播动力学的重要参数: 有效再生数 $R_{\rm e}$. 研究结果显示, 2006 年至 2014 年 HIV/AIDS (acquired immune deficiency syndrome) 的传播速度明显加快, 这可能与过去十多年间中国年轻人群对男男同性恋人群的接受程度越来越高有关. 结果揭示了近十多年来 HIV/AIDS 在北京 MSM 中的传播趋势. 这些信息可以为疫情预测及制定干预措施提供帮助.

    复质心体的性质
    金天, 冷岗松
    2021, 27(6):  1144-1148.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2234
    摘要 ( 1231 )   HTML ( 324)   PDF (586KB) ( 47 )  
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    介绍了复质心体的定义, 并给出其支撑函数. 证明了复质心体算子的线性性, 并对任意两个包含原点在内部的复凸体, 证明了关于复质心体的 Minkowski 加的包含关系, 且推广到多个凸体的情况

    时空分数阶波方程解的渐近性与长时间行为
    李志强
    2021, 27(6):  1149-1161.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2257
    摘要 ( 3172 )   HTML ( 318)   PDF (692KB) ( 92 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    研究带分数阶 Laplace 算子的时间-空间分数阶偏微分方程解的渐近性, 其中时间分数阶导数是在 Caputo 导数意义下, 其导数阶 $\alpha\in(1,2)$. 利用 Fox $H$-函数的性质和 Young 不等式给出了解的梯度估计, 并且研究了其长时间行为.

    发酵乳杆菌 B44 益生性能的体外评价
    韩瑨, 吴燕婷, 万嗣宝, 吴正钧
    2021, 27(6):  1162-1170.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2207
    摘要 ( 1254 )   HTML ( 264)   PDF (1894KB) ( 58 )  
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    发酵乳杆菌 B44 是一株分离自保加利亚家庭手工制作酸奶的乳酸菌株. 体外实验发现: 发酵乳杆菌 B44 具有较强的疏水性(79.67%)和低酸高碱的静电作用, 可耐受 1 mg/mL 溶菌酶, 在口腔中具有较佳的黏附和存活能力; 此外, 具有较高的自聚率(13.34%)以及与变形链球菌(Streptococcus mutans)的共聚集作用, 当与变形链球菌共培养时能抑制变形链球菌生物膜的形成, 其抑制率可达 63.43%. 实验表明, 发酵乳杆菌 B44 对人类龋病的防治能起到一定的积极作用, 是一株潜在的口腔益生菌, 在人类口腔健康中具有良好的应用前景.