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: 9878 Clicked: 66579 Cited: 0 Commented: 0(p.163-166) <Full Text> <PPT> 7766

Chinese summary <2431> 低功耗高性能软磁复合材料及关键制备技术

概要：软磁复合材料是软磁金属经制粉、绝缘处理、粘结、压制和热处理而制备的磁性复合材料，广泛应用于能源、信息、交通和国防等重要领域，是国民经济和国防建设的关键基础材料。随着电力和电子装备向高频、高功率密度、节能和电磁兼容方向发展，软磁复合材料的需求量越来越大，要求也越来越高。我国软磁复合材料过去长期存在功率损耗大、磁通密度低、直流叠加性能差等严重问题，技术水平与国外差距巨大。2002年以来，浙江大学严密教授团队与相关企业进行了长期的合作研究，原创性提出了制备多软磁相核壳结构复合材料的技术思路，创新了绝缘包覆技术，大幅消除了颗粒间涡流损耗；建立了软磁合金新体系，显著提高了复合材料软磁性能；创新和集成核心生产技术，实现了规模化生产和广泛的实际应用。
创新点：1. 发明多软磁相核壳结构复合材料和磁粉绝缘包覆新技术。降低以涡流损耗为主的功率损耗，是软磁复合材料的世界性难题。本项目提出了在软磁粉末基体上原位生成高电阻率软磁壳层，制备多软磁相核壳结构复合材料以降低涡流损耗的新思路，发明了Fe基软磁合金基体与Fe₄N/Fe₃O₄、Fe₃O₄等高电阻率软磁壳层组成的核壳结构材料。创新了磁粉绝缘包覆技术，发明了分别适用于不同合金磁粉的非均匀形核、溶胶-凝胶和复合绝缘包覆技术。以上发明在保持高磁性能的同时，大幅度抑制了颗粒间涡流，显著降低了功率损耗。2. 发明系列新型高性能软磁合金。创新设计了Fe-Si-M、Fe-Ni-M（M为Mo、Ni、Al或Co）新型晶态软磁合金和Fe-Cu-Nb-Ti-Si-B、Fe-Ni-Al-Si-B纳米晶/非晶软磁新合金，掌握了成分配方对合金相结构、显微组织和磁性能的作用规律及机理，发明了系列新型高性能软磁合金，制备出具有高磁通密度、高直流叠加等不同特性的高性能软磁复合材料产品。3. 创新和集成核心生产与应用技术。发明了新型耐高温粘结剂和有机-无机复合粘结技术，创新和改进了针对不同合金的磁粉制备技术，系统集成相关发明与关键技术，建立了低功耗高性能软磁复合材料成套生产工艺。
成果：项目创新成果已在合作企业全面应用，为新能源汽车、高铁、计算机及国防领域做出了重要贡献，并获得了2016年度国家技术发明奖二等奖。值得一提的是，这已是严密教授团队获得的第二个国家技术发明奖二等奖。2013年度，严密教授团队完成的"钕铁硼晶界组织重构及低成本高性能磁体生产关键技术"项目亦获得国家技术发明奖二等奖。

关键词组：功耗；软磁；复合材料

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: 4440 Clicked: 6324 Cited: 0 Commented: 0(p.167-178) <Full Text> <PPT> 2397

Chinese summary <44> 供水管路中驼峰气阻的临界平衡实验研究

目的：输水管道的驼峰气阻是指由于管路高峰位置的滞气作用使气体不断聚积在峰顶附近、产生的气体阻碍水流的局部水力现象。它能够导致管路过水断面减小、输水能耗增加、输送效率降低和管路压力振荡等后果，严重威胁海底管道输水的稳定性和安全性。本文旨在分析滞留气团在供水管道中的力学平衡、能量损失、移动和溢出机理，研究水流流速对气团的推移特性，提出预测和消除驼峰气阻的方法，使输水管道免受驼峰气阻的危害，提高输水管道的供水效率。
创新点：1. 设计了具有连续坡角变化的圆弧形驼峰管道实验，该实验可以定量模拟气团体积和平衡角度；2. 建立了驼峰气阻的水头损失经验公式和恒定流情况下驼峰气阻的管道坡角和流速的对应关系式，可用于预测和消除驼峰气阻的危害。
方法：1. 通过驼峰气团的受力特性分析，获得满足量纲和谐的力学平衡方程；2. 采用试验观察和测试获得有无气泡情况下的水头损失和平衡状态下的坡角，通过等价球体方法对测试数据进行无量纲拟合，获得气阻的水头损失方程系数，并通过流速和平衡坡角建立恒定流情况下的临界平衡方程；3. 基于试验拟合获得临界平衡方程，建立预测和评估气阻的准则系数，并提出消除气阻的水流临界流速。
结论：1. 当管路流速较小时，供水管路的驼峰顶端可能滞留和聚集气体，形成驼峰气阻；气体体积越大对水流阻碍越明显，可能造成的水头损失也越大；2. 利用等价球体法可以极大地简化驼峰气阻的形状，并良好地模拟气阻的平衡特性和阻力特性；3. 管道流速是影响驼峰气阻临界平衡位置的最重要因素，通过减小管道起伏的坡角或增加水流流速可以防止和消除驼峰气阻的危害。

关键词组：驼峰管道；管流；滞留气团；水力试验；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: 4210 Clicked: 5258 Cited: 0 Commented: 0(p.179-193) <Full Text> <PPT> 2390

Chinese summary <52> 基于FLAC^3D梁单元修正的隧道/巷道拱架支护模拟方法

目的：基于常用的数值模拟软件FLAC^3D进行二次开发，弥补现有数值模拟方法的缺陷，提出一种准确有效的隧道/巷道拱架支护数值模拟方法。
创新点：1. 引入抗弯和抗压能力的相关性，改进梁单元压弯极限判据；2. 通过FISH语言编程，实现梁单元修正和拱架精确模拟。
方法：1. 通过对FLAC^3D中梁单元支撑理论的分析，明确其存在的缺陷，并利用算例进行证实（图4~6）；2. 基于传统强度理论，对梁单元现有压弯极限判据进行改进（图7和8）；3. 通过FISH语言编程，实现梁单元修正模型嵌入（图9）；4. 通过算例分析，对新模拟方法的效果进行验证（图10和13）。
结论：1. 改进了梁单元压弯极限判据，通过FISH语言编程实现了梁单元的修正及拱架屈服失效的模拟。2. 构件压弯试验和巷道拱架支护实例分析表明：修正模型体现了在压弯组合荷载作用下梁单元屈服时弯矩和轴力的相关性；实现程序是有效的且灵敏度较高；提出的新模拟方法使计算偏差得到有效压制，拱架模型呈现出的力学行为及围岩支护作用更加接近实际，计算精度和设计可靠度更高。

关键词组：隧道；拱架；FLAC^3D；梁单元；屈服判据；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: 3092 Clicked: 5036 Cited: 0 Commented: 0(p.194-211) <Full Text> <PPT> 2387

Chinese summary <40> 抛物线型零件固体颗粒介质成形变形理论研究

目的：板材固体颗粒介质成形工艺作为一种新型的软模成形技术，是采用固体颗粒代替刚性凸模或凹模(或弹性体、液体)对板料进行成形加工的工艺。固体颗粒介质板材拉深成形工艺为拉深和胀形两种变形模式的复合成形，其变形过程与传统拉深成形工艺有很大的区别。以抛物线型零件为研究对象，对其成形过程进行研究，建立固体颗粒介质板材软凸模拉深成形的几何条件和应变计算公式。
创新点：1. 首次提出了描述固体颗粒介质板材拉深成形变形机理的拉深权和胀形权的概念，并建立了相应的计算公式；2. 建立了固体颗粒介质抛物线型零件软凸模拉深成形的几何条件和应变计算公式。
方法：1. 通过对抛物线型零件固体颗粒介质拉深成形的变形过程分析(图1~3)，将变形过程和成形工件的变形区进行划分；2. 将数学中权函数的思想引入到对抛物线型零件固体颗粒介质拉深成形的分析中，提出拉深权和胀形权的定义及相应表达式(公式(1)和(2))；3. 通过理论推导，构建不同成形阶段抛物线型零件拉深成形过程中的应变计算式(公式(28)~(30)和公式(62a)~(62c))和壁厚计算公式(公式(31)和(63))；4. 利用MATLAB编制抛物线型零件拉深成形应变计算程序(图14)；5. 以某航空零件为目标零件，通过试验试制不同成形条件下不同阶段的抛物线型工件(表2和3)，将理论计算壁厚与实测厚度进行对比(图19)，将试验轮廓与理论计算轮廓进行对比(图21)，验证分析过程中所提假设及理论计算的可行性和正确性；将试验获得成形工件的几何尺寸(表3)代入MATLAB计算程序中，对该航空零件的变形过程进行分析(图15、18、19、21和22)。
结论：1. 固体颗粒介质拉深成形过程是胀形和拉深的复合成形，通过对其变形过程分析，首次提出了拉深权和胀形权的概念，并且给出了其计算公式。成形过程中，拉深权越大，工件成形后的壁厚差越小；胀形权则正好相反。2. 利用拉深权和胀形权，建立了固体颗粒介质软凸模拉深成形变形区应变计算公式，且可以计算出应变分界圆位置半径，为分析固体颗粒介质软凸模拉深成形工艺变形过程提供了新的理论依据。3. 设置合理的成形条件、拉深权的提高和应变分界圆半径的缩小可以降低拉深成形过程中底部的过度减薄，进而提高极限成形高度。

关键词组：固体颗粒介质；软模成形；拉深；拉深权；胀形权；应变

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: 3544 Clicked: 5243 Cited: 0 Commented: 0(p.212-224) <Full Text> <PPT> 2302

Chinese summary <46> 模拟研究气液两相在带缩径管的90°弯管内的流动

目的：90°弯管广泛应用于工业中的流体输送，但是流体在经过弯头时会由于离心力的作用而导致弯头下游管道内出现流体分布不均的现象，从而影响后续的生产过程。本文将实验和计算流体力学（CFD）模拟的方法结合研究缩径管对经过弯头后的流体整流作用并分析原因，以期为缩径管在工业中的应用提供一定的参考。
创新点：1. 提出在弯头后的管路中增加缩径管来调整流体的方法；2. 在冷模实验数据验证模拟结果的正确性的基础上，根据CFD模拟得到的管道内的压力、流体速度、相分布及湍动能分布详细分析了缩径管能起整流作用的原因。
方法：1. 通过冷模实验所得的压力数据与模拟值进行对比，证明模拟所采用模型的正确性；2. 通过对不同流体入口条件模拟结果的比较，找到缩径管的作用规律；3. 通过CFD模拟得到管道内的压力、流体速度、相分布及湍动能，分析缩径管的整流原理。
结论：1. 模拟所采用的模型可较好地反映管道内的流体流动情况；2. 缩径管能起到很好的整流效果；3. 缩径管可使流体加速，促进流体的快速混合，因此能够使不稳定的流体快速达到稳定状态。

关键词组：90°弯管；缩径管；CFD；均匀分布；流体力学

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: 3361 Clicked: 4916 Cited: 0 Commented: 0(p.225-233) <Full Text> <PPT> 2240

Chinese summary <39> 混合丁烯氧化脱氢双层床催化剂体系的协同作用机理

目的：通过对混合丁烯氧化脱氢过程进行反应表征，对由ZnFe₂O₄和Co₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁组成的双床层催化剂体系中存在的协同机理进行解释；将异构化反应过程纳入反应体系，得出混合丁烯转化率和丁二烯收率上升的原因。
创新点：1. 提出基于丁烯异构体在床层之间浓度重分布和异构化效应抑制作用的协同作用机理；2. 设计验证实验，从直观角度证实机理，并优化了催化剂的装填量和装填顺序。
方法：1. 通过单一丁烯和混合丁烯的氧化脱氢反应，对单一催化剂和双床层催化剂进行反应评估，得到相关反应数据；2. 通过设计对比实验，从改变参加反应物质的直观角度对协同机理进行验证和解释；3. 对参加反应的双层床催化剂中两种催化剂的装填量和装填顺序进行优化，为进一步研究组合型催化剂提供实验基础。
结论：1. ZnFe₂O₄对两种2-丁烯有更优的催化效果，而Co₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁对1-丁烯有更优的催化效果，由两者组成的双层床催化体系对单一丁烯和混合丁烯的反应效果都有所提升，证明两种催化剂之间存在协同效应。2. 双层床催化剂体系中，两种催化剂之间的协同作用机理是：催化剂不同活性导致丁烯异构体在床层之间的浓度发生重分布，同时由于多种异构体同时存在抑制了异构化反应。3. 对双层床催化剂体系的装填顺序和装填量的优化结果表明，ZnFe₂O₄装填在上层，CCo₉Bi₁Fe₃Mo₁₂O₅₁装填在下层，且两者比例处于4:6到6:4之间时催化效果最佳。

关键词组：混合丁烯；氧化脱氢；双层床催化剂体系；协同作用

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: 2872 Clicked: 5034 Cited: 0 Commented: 0(p.234-244) <Full Text> <PPT> 2110

Chinese summary <39> 多元化的多样性：连续6周交通日志的购物出行分析

目的：探究个人的购物出行模式随时间的变化差异性。探讨个人在星期中的天变化，量化多样化的特征和识别个体间的异质性。
创新点：1. 使用连续6周的数据进行动态交通行为分析；2. 建立二元逻辑回归模型，识别个体间购物出行模式的异质性。
方法：1. 通过描述性统计分析，解析不同群体之间的购物行为的差异、每周购物天数的分布以及每周每人购物天数的标准偏差（表1、图1和2）；2. 通过回归模型分析，得出解释变量对购物地点和频率的影响结论（表2和3）；3. 构建二元逻辑回归模型，识别个体间购物出行模式的异质性，找出具有常规购物行为的群体（表4）。
结论：1. 低收入和卡尔斯鲁厄居住地对日常购物目的地的多样性呈正影响关系，而全职工作和男性对日常购物目的地的多样性呈负影响关系；2. 连续6周的日常购物出行次数受到35~44岁的年龄范围、2500~2999德国马克的家庭月收入以及市中心居住地区的积极影响；3. 购物地点和频率的多样性是随着个人属性和居住地点以系统的方式变化。

关键词组：购物行为；日常购物；购物地点和频率；购物出行模式；购物出行