2024年, 第51卷, 第03期　
刊出日期：2024-05-20

  

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  红外成像技术在高分子材料表征中的应用

  窦彤彤, 张普敦

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 1-21. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.001

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  红外成像技术是基于官能团特征进行成像的一种先进的化学成像方法，集红外光谱和显微分析于一体，能够直接反映样品微区内(从微米到毫米)真实的化学组成信息和空间分布信息，从分子水平上可视化地识别样品精细结构，空间分辨率高，是多组分体系样品显微分析强有力的工具。该技术自发展之初就在高分子材料分析和表征领域受到广泛关注。本文阐述了红外成像技术的基本原理，详细介绍了红外成像系统的仪器构造与工作模式，以及常用图像采集、图像预处理和图像分析的方法，总结了近年来红外成像技术在高分子材料表征领域中的一些典型应用，包括结晶和取向研究、共混物相容性研究、聚合反应及聚合物溶解、降解的可视化动力学研究、聚合物基组织工程材料的矿化研究、药物释放及微塑料分析的研究等。此外，还对红外成像在生命科学与临床诊断方面的研究进展作了简介。最后对红外成像技术的发展趋势进行展望。希望本文能够起到抛砖引玉的作用，帮助读者深刻理解红外成像这门先进的技术，进一步拓展其在聚合物材料领域中的应用。
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  含硫气氛中Ce改性Cu-Mn/Al_2O_3低温催化氧化CO性能研究

  王正芳, 高君安, 张傑, 曲令多

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 22-33. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.002

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  为了解决Cu-Mn催化剂在含硫气氛中催化氧化CO时快速失活的问题，以Cu-Mn为活性组分、Ce改性的γ-Al_2O_3为载体制备了Ce改性Cu-Mn/Al_2O_3催化剂，并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N_2吸附-脱附测试(BET)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、X射线光电子能谱(XPS)对其进行了表征，结果表明：CeO_2的加入提高了活性组分的分散度，降低了Cu-Mn/Al_2O_3催化剂的还原温度，增加了Cu~(2+)、Mn~(3+)及氧空位的含量。测试了Ce改性Cu-Mn/Al_2O_3催化剂的CO催化氧化活性及抗硫中毒性能，发现Ce的加入可以提高催化剂的CO催化氧化性能，采用浸渍法改性(Ce)/Al_2O_3载体(Ce负载量为2%)制备的催化剂(10Cu_1Mn_2/2(Ce)/Al_2O_3)的催化性能较高，可以在130℃下实现CO完全氧化；添加Ce后催化剂的抗硫中毒性能有一定提升，在160℃下通入SO_2后5 h,催化剂10Cu_1Mn_2/2(Ce)/Al_2O_3能够维持57%左右的CO转化率，在300℃下测试25 h该催化剂的活性没有下降。
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  发酵液中乳酸含量测定方法比较研究

  张校闯, 胡雪俊, 李成, 沈如梦, 王立功, 刘广青, 陈畅

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 34-39. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.003

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  为寻找高效便捷、成本低廉的乳酸测定方法，对比研究了三氯化铁法和对羟基联苯法对尾菜发酵液中乳酸含量的测定性能。结果显示，三氯化铁法和对羟基联苯法的线性方程相关系数均大于0.99,检出限分别为9.70×10~(-2) g/L和2.35×10~(-3) g/L,均满足分析测试要求；精密度测定中，三氯化铁法和对羟基联苯法的相对标准偏差(RSD)分别为1.19%～3.53%和2.54%～3.71%,加标回收率分别为99.3%～105.2%和102.7%～109.1%;杂质的存在对三氯化铁法的测定结果影响较小，但对对羟基联苯法的测定结果有较大影响；统计学检验表明，两种方法对发酵液中乳酸含量的测定结果无显著性差异；与对羟基联苯法相比，三氯化铁法操作简便，测定速度快，试剂成本低，所需样品量少，是较为优异的乳酸含量测定方法，具有广阔的应用前景。
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  HeOH与BuAc酯交换反应共强化系统的评价

  李浩, 韩帅帅, 范晨阳, 陈海胜, 黄克谨

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 40-48. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.004

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  鉴于己醇(HeOH)与乙酸正丁酯(BuAc)酯交换反应的不利动力学和热力学特性，采用基于过程强化的反应蒸馏装置是一条有利的途径。常规反应蒸馏塔(CRDC)虽然考虑了反应-分离操作之间的相互耦合，但却完全忽略了分离操作之间的相互耦合，必然导致过大的不可逆性同时可进一步降低系统的稳态性能。单隔离壁反应蒸馏塔(R-SDWDC)的确在一定程度上考虑了分离操作之间的相互耦合，但其外部限定耦合方式致使仍然无法有效降低分离操作的不可逆性。本文基于本课题组最近提出的共强化原理给出了两种双隔离壁反应蒸馏塔(R-DDWDC)的拓扑结构，并将其与CRDC和R-SDWDC进行了深入系统的比较与分析。结果表明，R-DDWDC明显优于CRDC和R-SDWDC,是实施HeOH与BuAc酯交换反应的最佳拓扑结构。得出这一结论的根本原因在于R-DDWDC既能充分考虑分离操作之间的相互耦合，又能有效协调R-DDWDC与反应-分离操作耦合子系统的相互作用。虽然上述结论是通过具有最有利相对挥发度排序的HeOH与BuAc酯交换反应所得到的，但对于任何具有不利动力学与热力学特性的该类反应物系均具有普遍性的指导意义。
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  石西至克拉玛依原油管道结蜡特性及安全清管周期研究

  李媛媛, 褚楚, 马林君, 周良栋, 王银强, 张添龙, 熊小琴

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 49-56. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.005

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  目前含蜡原油管道的清管周期没有统一标准，需要根据油品性质和管道的实际情况确定。采用OLGA软件对石西至克拉玛依原油管道(SK原油管道)的结蜡特性进行了模拟分析，利用浓密膏体的管道输送阻力计算公式，将蜡堵分析转化为蜡柱长度和压降关系的计算，制定了SK原油管道的安全清管周期。结果表明：在管道103 km处流体温度降到25℃,从103 km至终点的管段均处于析蜡温度的区间范围；管道运行5天后，采用HeatAnalogy模型模拟的结蜡厚度在110.06 km处达到最大(0.01 mm),结蜡量为80 kg,结蜡量在运行2天后才有明显增加并呈直线上升趋势；以收球筒长度4 m作为蜡柱长度的极限值，计算得到收蜡量为200 kg,推算SK原油管道的清管周期可由目前的5天延长至9天，大大减少了操作成本。结果可为含蜡原油管道的结蜡特性研究及安全清管周期制定提供理论参考。
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  太阳能熔融盐供热的CH_4-CO_2重整热化学储能反应热力学分析

  王洪明, 王观竹

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 57-65. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.006

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  以太阳能熔融盐为载热工质的CH_4-CO_2重整热化学反应是极具应用潜力的热化学储能技术，为探讨工业级CH_4-CO_2重整储能反应器在不同操作条件下热力学性能的变化规律，建立了基于太阳能熔融盐供热的CH_4-CO_2重整储能反应器的二维拟均相数学模型，通过数值模拟分析了反应混合物进口温度(T_(in))和进口摩尔流率(F_(tot, in))对反应器内温度、反应转化率和热化学储能效率等的影响规律。结果表明：当进口温度较高时(T_(in)=823 K),转化管内温度沿转化管轴向表现为先降低后升高的变化趋势；当进口温度较低时(T_(in)=573 K),转化管内温度沿转化管轴向单调升高；T_(in)=573 K下，随着进口摩尔流率的增大，反应转化率单调减小，化学储能效率呈现先增大后减小的变化趋势；在进口摩尔流率相同的条件下，进口温度越高，反应转化率和化学储能效率越大；T_(in)=823 K下，随着进口摩尔流率的增大，显热储能效率和热损失率减小，化学储能效率增大；F_(tot, in)=1 mol/s下，随着反应混合物进口温度的升高，化学储能效率与热损失率增大，显热储能效率减小。
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  气力分级粉体团聚表征及其影响因素的研究

  曹迎妮, 李兴帅, 焦志伟, 刘家祥, 杨卫民, 于源

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 66-75. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.007

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  粉体团聚对气力分级设备的分级性能有着重要的影响，是制约机械法制备超细粉体的瓶颈问题。为表征气力分级制备超细粉体时的粉体团聚特性并分析其影响因素，利用筛分法和激光粒度分析法测得的粉体平均粒径比值，提出了团聚参数F,并以此为基础分析了粉体颗粒形貌、平均粒径、粒度分布以及粉体流动性对粉体团聚的影响。结果表明：当不同粉体之间的形貌(包括长扁度、球度、棱角度和粗糙度)差异不显著时，颗粒形貌不是引起粉体团聚有所差异的主要因素。粉体平均粒径越大，团聚程度越小；粒度分布指数对团聚的影响取决于粉体整体粗细程度，粗颗粒占比较高的情况下，颗粒不易团聚。因此，对于形貌相似的不同粉体而言，粉体平均粒径和粒度分布是影响粉体团聚的主要因素。此外，通过分析休止角和Hausner值发现，粉体流动性越差，团聚程度越强。
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  基于自适应权重时间卷积网络的剩余使用寿命预测方法

  宋浏阳, 金烨, 郭旭东, 王华庆

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 76-87. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.008

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  随着人工智能和大数据技术的发展，基于深度学习的高端装备剩余使用寿命预测技术倍受关注，准确的剩余使用寿命预测对于高端装备安全运行意义重大。大多数基于深度学习的预测方法在构建主体预测结构通常利用循环神经网络、长短期记忆网络和门控单元等手段，但存在并行计算能力较差、预测精度不足的问题。针对上述问题，提出一种基于自适应权重时间卷积网络的寿命预测方法。采用时间卷积网络搭建预测模型，利用空洞因果卷积和残差连接结构增强并行计算能力并避免信息泄露；构建基于自注意力机制的自适应权重模块，实现时序权重自动分配来提高预测精度；利用非对称损失函数增强提前预测倾向性，避免因滞后预测带来的安全和经济问题。选取发动机数据集和轴承数据集进行实验验证，结果表明，与其他深度学习方法相比，提出的自适应权重时间卷积网络提升了预测准确率并缩短了训练时间。
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  不同固定方案的腰椎后路椎间融合术生物力学有限元分析

  程莹莹, 梁畅, 许鹏, 杨雷, 张冰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 88-97. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.009

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  腰椎后路椎间融合术结合内固定系统已被广泛用于治疗腰椎滑脱等疾病。不同的内固定方案会使内固定系统和腰椎产生不同的力学响应，其结果会影响到内固定方案的选择。针对腰椎L5-S1骶骨节段轻度滑脱完全复位状态，在1例健康成年人腰椎模型的基础上，设计了3种不同节段的内固定手术方案：A组L5-S1融合固定、B组L4-L5-S1融合固定、C组L5-S1-S2融合固定，并建立相应的有限元模型。固定骶髂关节的耳状面，在L1椎体上表面施加垂直向下400 N的载荷和不同方向的7.5 N·m力矩，模拟脊柱前屈、后伸、侧弯和旋转等生理活动，比较不同方案模型中固定节段的钉棒应力情况、相邻近节段的椎间盘应力情况和各节段活动度的差异。结果表明，相比于A组模型，B组和C组模型的椎弓根螺钉和连接棒最大应力值较大；B组和C组椎间盘的应力最大值的集中区域明显大于A组；A组、B组和C组模型的腰椎活动总量较完整模型均有所减少。实验结果表明，采用A组L5-S1融合固定的方案可以降低内固定系统断裂的发生率，减少邻近节段椎间盘退变的发生率，在完成复位的情况下仍然可以保持一定的腰椎活动度，且A组方案的手术时间短、术中出血量少，是一种更优的内固定方案。
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  葡萄园喷雾牵引车翼型塔板仿真分析与优化设计

  魏彬, 陈伟春, 马聪

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 98-106. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.010

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  针对宁夏贺兰山区域葡萄种植环境与作物冠层特征，设计了一种带有浮动结构的翼型塔板导流装置，其浮动结构可依据不同生长时期的葡萄作物高度进行调整。利用计算流体力学(CFD)软件对塔板气流场进行仿真分析，以翼型浮动塔板出风口处高速气流区域的面积最大值为目标，通过正交分析获得浮动结构与固定结构最佳优化导流几何参数与导风锥参数。在塔板优化结果的基础上，针对浮动结构可调极限角度进行仿真分析，建立风送塔板结构仿真模型，得出其气流汇集的离地高度范围与有效喷施距离。按照设计参数加工装配塔板浮动结构，结合样机完成喷药效能试验。以建立的模型指导各时期葡萄的施药工作，为精准施药提供技术基础。试验结果表明，塔板气流场分布特点与仿真结果基本符合，风送塔板结构仿真模型可靠。
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  基于MOPSO-CNN模型的压缩机气阀故障诊断技术

  张平, 孙霖, 史建超, 李亚民

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 107-113. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.011

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  针对传统方法难以提取有效的气阀故障信号，无法建立气阀状态与信号间复杂映射关系的问题，将气阀振动信号转为频域信号输入卷积神经网络(CNN)进行气阀状态诊断，采用多目标粒子群算法(MOPSO)对CNN的超参数进行优化，构建自适应CNN模型，并针对分类结果进行可视化分析，探讨了不同训练测试比对分类准确率的影响。结果表明：MOPSO-CNN模型可完成数据降噪、特征提取和故障分类的一贯式处理，实现端到端的故障诊断，其分类准确率和训练时间均优于传统方法；通过t-分布随机邻域嵌入(t-distributed stochastic neighbor embedding, t-SNE)可视化分析，证明了CNN模型在逐层特征提取和特征分离上的优越性；所建立模型在不同训练测试比的条件下表现良好，对训练数据的需求量不大。研究结果可为往复式压缩机气阀故障诊断提供实际参考。
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  基于贝叶斯优化XGBoost的石灰窑气预测

  温后珍, 栾仪广, 孟碧霞, 陈德斌

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 114-121. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.012

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  石灰窑是碳酸钙产业的关键生产设备，窑气中的CO_2是生产碳酸钙的原料，CO_2浓度直接影响碳酸钙产量，然而石灰窑气浓度依靠产品产出后采样化验得到，存在严重的滞后性，无法作为石灰窑在线工艺参数调整的依据。因此提出一种基于贝叶斯优化的eXtreme Gradient Boosting石灰窑气浓度预测模型BO-XGBoost,根据历史数据预测1 h后的窑气浓度，为生产工艺参数的调整提供依据。该方法首先对石灰窑传感器数据集中的缺失值、异常值进行剔除、插补，然后统一窑气浓度检测历史数据的时间尺度，构成石灰窑气监测数据集，在此基础上提出针对石灰窑气的BO-XGBoost模型。模型经训练后，采用实际生产数据进行测试，并与Light Gradient Boosting Machine(LightGBM)模型、Category Boosting(Catboost)模型预测结果进行比较，结果表明，所提模型可以实现高维数据集的超参数快速优化，且预测模型有较好的精度，均方根误差(RMSE)达到0.70,平均绝对百分比误差(MAPE)达到2.03%。
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  径向进气式涡流空气分级机的流场特性与颗粒分级性能数值模拟

  梁延玺, 吴健懋, 朱继元, 李先瑄

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 122-130. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.013

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  设计了一种径向进气式涡流空气分级机，采用Fluent软件对分级机内流场进行了数值模拟，探讨了转笼转速、进气速度和进气位置对流场的影响。结果表明：气流在分级腔体内并不是垂直上升，而是以一定倾斜角度在腔体内形成环形气流，环形气流方向与转笼转向相同；分级腔内气流为两个方向的双流层，主气流方向与转笼转向保持一致；随着转笼转速的增加，气流主体的方向不变，腔体左侧的对冲气流消失，腔体内形成的环形气流增强，但转笼下侧的二次涡流增大；不同进气速度对分级腔及转笼不同区域的切向速度具有不同的影响；进气位置的不同，分级腔内气流的流动相差较大，进气口位于转笼轴线同侧时的气流较进气口位于转笼轴线两侧时的气流更容易受到转笼的影响，进气位置对转笼周围流场分布的影响较小。采用响应面法对空气分级机的操作参数进行了优化，各参数对分割粒径影响的大小顺序为：转笼转速>进料速度>进气速度，优化的参数为转笼转速4 483 r/min、进气速度15.6 m/s、进料速度9.71 kg/h,在该条件下分割粒径的预测值为40.5μm。
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  完全二部图上的筹码分发博弈

  张昕浩, 姜广峰, 郭威力

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2024, 51(03): 131-136. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.014

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  本文主要研究完全二部图上的筹码分发博弈(chip-firing games)次数的有限性。我们根据顶点的筹码数，定义两个函数并进行分类；结合完全二部图的性质，给出了博弈次数有限的充要条件。