2024年, 第57卷, 第07期　
刊出日期：2024-07-15

  

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  微波能化工应用领域研究述评与展望

  高鑫, 焦夏欣, 李洪, 赵振宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 669-686.

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  微波凭借其快速加热、体加热、选择性加热等独特的加热供能方式，已成为化工生产中一项极其重要的过程强化方法.本文对微波化工领域近20年的研究成果及延拓方向进行总结概述，依据微波化工技术的不同强化机理进行分类阐述.微波对极性分子的选择性加热会诱导极性-非极性混合物的相对挥发度发生改变，利用这一特性开发了基于混合物组分介电性质差异的微波分离技术，通过搭建理论模型指导设计了薄膜蒸发器、喷雾蒸发器等微波诱导分离装置，并将该工艺拓展至微波强化反应精馏过程和微波强化膜分离过程；微波对吸波颗粒的选择性加热会诱导产生局部热点，该热点效应使得微波技术在非均相反应、材料合成和催化热解等过程中展现出显著可观的强化效果，通过纳米荧光技术进行该热点温度直接测量，可实现微波强化化工过程的精准调控；微波对宏观物体或相态的选择性加热以及电磁波不均匀分布会导致宏观尺度局部过热，该效应的难以调控和预测是微波化工技术大规模应用的瓶颈问题，为此有必要采用多物理场数值模拟与温敏材料测试结合的手段，实现微波加热过程温度场的可视化，从而指导微波能化工应用装置的合理设计.微波能化工应用的未来研究有赖于微波加热过程原位测试手段，从而能够深入揭示微波诱导过程强化的内在机理，助力开发合理高效的微波强化化工技术.
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  环氧树脂乳液改性油井水泥的性能研究

  郭锦棠, 刘国庆, 李鹏鹏, 刘明, 常庆露, 胡苗苗

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 687-694.

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  随着油气井勘探领域的不断扩展和深入，油井水泥脆性较大的弊端越来越明显，在复杂的压力和温度条件下，水泥石容易产生裂缝从而造成强度损失，甚至会进一步导致水泥环的完整性失效，对油气井的安全生产有着严重的危害．为克服油井水泥的脆性，聚合物乳液因其能有效改善水泥的韧性、保水性而得到广泛应用．针对深井、超深井高温高压固井需求，制备了水性环氧树脂乳液改性水泥，并对其流变性能、稠化性能、抗折抗压强度和弹性模量等应用性能进行了研究，同时利用X射线衍射(XRD)、固体核磁共振(NMR)和热失重(TG)等表征手段探究了环氧树脂乳液体系在水泥中的作用机理．结果表明，环氧树脂乳液的加入改善了水泥浆的静态滤失性能，对水泥浆的流变性能和稠化行为没有负面影响．改性水泥石的抗折强度显著提高，尤其是当环氧树脂乳液掺量为15%时，90℃养护7 d、14 d和28 d的水泥抗折强度分别提高了25%、111%和100%．同时，与空白试样相比，环氧树脂乳液掺量为5%、15%和20%的水泥弹性模量分别降低了39.4%、42.8%和58.1%．环氧树脂乳液不会改变水泥的水化产物，只会在水泥水化早期起到一定的延缓和阻碍作用；环氧树脂在水泥基体中发生固化交联反应，在水泥水化过程中水化产物之间形成了联结，从而提高了水泥石的抗折性能，降低了水泥石的弹性模量．
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  越流型单井抽灌系统热储预测研究

  赵军, 周佳琦, 宋超凡, 李扬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 695-703.

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  地热资源储量丰富、稳定性好，合理开发利用地热能对缓解能源短缺、实现碳达峰和碳中和目标至关重要．目前，地热可持续取热理论的研究体系尚不完善，准确的地热资源评价是地热可持续发展的关键所在．由于地热在大规模、长时间尺度运行时引起渗流屏障，热储静态预测不能满足热储资源准确评价，动态热储预测是至关重要的．地热井口周围流动复杂，由达西流向非达西流转变，流动具有非线性特性．搭建室内渗流砂箱实验系统，分析不同回灌温度、抽灌流量、补给边界下的渗流传热规律，采集热储动态运行井口压差信号，基于多尺度熵方法分析压差信号的动力学特性，提取大量流动信息，揭示了不同热储补给边界下的动力学特性．结果表明，3种补给边界的多尺度熵均小于1并呈现明显分辨规律，从大到小依次为：定流量补给边界>定水头补给边界>封闭边界，定流量补给边界下的流动更剧烈，回灌过程中受到的扰动更复杂，封闭边界下的熵值波动很小．研究得到的热储预测方法缩短了预测时间、降低了预测成本，能够快速准确地识别采灌过程中的补给模式，为越流型单井抽灌系统的参数选择提供理论指导，对热储动态资源评价具有重要意义，从理论层面上对热储预测提供新的思路，促进地热可持续取热理论的推广．
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  一种基于聚集诱导发光机制的新型氨肽酶N荧光探针

  闫喜龙, 张子卓, 李明瑞, 沈华伟, 陈立功, 王博威

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 704-710.

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  氨肽酶N(APN)在人体中广泛存在，在肿瘤细胞表面大量表达，并在癌症侵袭、转移和血管生产过程中具有重要作用；体液中的APN可作为炎症、癌症的早期生物标志物．鉴于此，发展高灵敏度、高选择性的检测手段对APN进行实时检测及可视化成像将为APN相关疾病的诊断及病理生理学说明提供可能性．荧光探针因其选择性好、灵敏度高的优势，近年来已被广泛应用于生物酶检测．然而已报道用于检测APN的荧光探针多基于平面分子，易受聚集荧光猝灭(ACQ)限制．与基于传统平面分子的ACQ荧光染料相比，具有聚集诱导发光(AIE)效应的荧光分子能更好地应用于高浓度与高含水量的检测环境，为荧光探针技术的发展开辟了新的路径，而基于AIE机制的APN荧光探针仍鲜有报道．喹啉-丙二腈(QM)类化合物具有长发射波长，且生物相容性好、光稳定性优异，目前已有多种基于QM母体的AIE探针应用于细胞成像与各种活性物质检测．基于此，设计合成了以QM为母体的AIE荧光探针QM-Ala，探针具有99 nm的大斯托克斯位移、良好的稳定性、抗干扰能力和较快的响应速度，检测限(LOD)低至1.22 ng/m L.QM-Ala在3～7区间对pH有即时响应，并在体液pH条件下对APN质量浓度有良好的线性响应，因此有望应用于酶抑制剂筛选以及体液中的APN质量浓度检测．
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  具有快速再锁定特性的亚采样锁相环设计

  赵毅强, 叶泽宇, 叶茂, 宋毅恒, 段文浩, 李尧

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 711-720.

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  相较于传统的电荷泵锁相环，亚采样锁相环以其优良的带内噪声抑制作用，近年来得到了关注和研究.但传统的亚采样锁相环由于其辅助锁频环路中三态鉴频鉴相器较长的固定死区，一旦受到干扰失锁后，需要较长的再锁定时间.针对这一问题，本文在传统的亚采样锁相环设计基础上，设计了一种低噪声、短死区的整数分频亚采样锁相环电路架构，其包含了核心亚采样环路、辅助锁频环路.在辅助锁频环路把输出信号频率锁定至预设频率附近后，环路切换至亚采样环路.亚采样环路通过亚采样鉴相器实现低频参考时钟对高频输出时钟的采样，并将参考时钟和输出时钟之间的相位差转化为输出电压差；该输出电压差控制亚采样电荷泵对环路滤波器充放电，调节输出时钟频率和相位.双环路之间的切换通过辅助锁频环路中的短死区鉴相器实现，这使锁相环既避免了长死区导致的长再锁定时间，也避免了分频器额外的带内噪声放大作用，在兼顾亚采样锁相环良好的带内噪声抑制性能的基础上，有效提高了电路的鲁棒性.本文基于180 nm 1P6M CMOS工艺，完成了800 MHz输出频率的整数分频亚采样锁相环的电路设计、版图绘制和后仿真验证.核心电路版图面积为0.114 mm2，功耗为10.8 m W.仿真结果表明，所设计的亚采样锁相环相较于传统结构将再锁定时间降至1.18μs，同时带内相位噪声为-117 dBc/Hz@200 kHz，参考杂散为-57.8 d Bc.
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  基于分层解码和渐进融合的快速显著性目标检测

  杨爱萍, 王子麒, 程思萌, 刘彦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 721-728.

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  现有显著性目标检测方法大多只关心模型的检测精度，容易忽略模型的编解码效率，导致网络运行速度较慢．针对上述问题，本文提出一种基于分层解码和渐进融合的快速显著性目标检测网络，并分别设计语义提取模块、空间增强模块和边界提取模块，对编码器提取到的多尺度特征进行分层筛选和高效解码．其中，语义提取模块可准确定位显著性目标的整体区域，空间增强模块可完整保留显著性目标的空域信息，边界提取模块可增强显著性目标的边界轮廓．由于不同层级特征的感受野和分辨率不同，本文设计了邻间聚合模块和边界细化模块，对筛选后的特征进行渐进式融合并逐步细化得到最后的显著性预测图．实验结果表明，所提方法不仅能够得到边界清晰、区域完整的显著性预测图，还能显著提升模型的编解码效率，快速检测显著性目标，在ECSSD和HKU-IS数据集上的最大值F_max分别为0.947和0.936，优于其他方法．
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  基于钳位型断路器的柔直系统控保协同技术

  薛士敏, 陈文杰, 张君婷, 李翔宇, 李博通, 陈晓龙

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 729-740.

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  柔性直流系统以其在输电领域的巨大优势而获得广泛应用．但在直流系统中，短路故障的强冲击性与电力电子器件的脆弱性之间的矛盾异常尖锐，现有保护策略难以同时满足高速动性与高可靠性的要求．本文从控保协同思想出发，基于一种电压钳位原理的直流断路器，提出一种新的故障处理模式，初步探究在柔直系统中控制与保护深度融合的可能性．当发生短路故障时，投入断路器和换流器相配合的限流功能，一方面限制电力电子器件的过流，解决其脆弱性问题；另一方面为保护提供边界，辅助实现故障的快速定位．在甄别出故障线路后，利用断路器的故障切除功能将故障隔离．此方案同时实现了故障限流、保护边界和故障切除3项功能，可有效缓减由于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)器件脆弱性所带来的一系列保护问题．在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极柔性直流电网模型，仿真结果表明，本控保协同方案能在5 ms内准确识别并隔离故障线路，而且具有较强的耐受过渡电阻能力．
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  深海环境下金属点蚀进程及诱导应力演化

  亢一澜, 秦梦斐, 谢海妹, 韩彬, 张茜

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 741-750.

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  局部腐蚀产生的应力是影响海洋服役装备寿命与稳定性的关键因素．针对深海钢材料的点蚀力学问题，采用关联腐蚀与诱导应力的方法展开研究，建立了基于Nernst-Planck传质方程的腐蚀模型与腐蚀诱导应力模型，结合COMSOL多物理场仿真软件实现了深海点蚀全进程中力-电化学信息的协同表征，其关键技术有两个，一是基于腐蚀膨胀理论给出了应力与腐蚀参量之间的联系，二是以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定了腐蚀膨胀率，给出了腐蚀进程中电流密度、形貌、诱导应力等参量随时空的非线性演化规律．结果表明：空间分布上，深海环境下的腐蚀呈深挖状，蚀坑中心处的电流密度最大、腐蚀程度最深，腐蚀诱导应力存在明显的集中效应，力、电化学参量随着远离蚀坑中心呈现出发散状的削弱趋势；时序演化上，电流密度随腐蚀年限减小，腐蚀进程因此逐年放缓，然而，由于蚀坑中心尖锐程度的加剧，腐蚀诱导应力的非线性增加却愈发剧烈．在此基础上，研究了腐蚀产物形貌对应力的影响，对比了简化椭球形产物与模拟所得实际形貌产物两种情况的腐蚀诱导应力，结果表明实际形貌产物最大拉应力高于椭球形的最大应力，误差超过50%，指出点蚀研究中忽略蚀坑的深挖动力学特征会给腐蚀相关的力学研究带来偏差．
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  面向中文临床术语标准化的ESim-Sim CSE融合算法

  曹天甲, 程龙龙, 李世锋, 曹琉, 崔丙剑, 倪广健

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 751-758.

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  临床术语的不规范性和多样性给临床数据的应用带来了困难和挑战，因此临床术语标准化工作成为一个重要的研究方向．传统机器学习标准化算法无法结合上下文捕获到隐藏的深层语义，随着计算机算力性能的大幅提升及神经网络被广泛应用于医疗信息处理领域，深度学习可以克服传统机器学习方法的缺点，被应用于临床术语标准化工作中．本文基于深度学习神经网络提出一种基于无监督与有监督学习融合的候选集生成方法，把候选集生成问题转换为文本相似度计算问题，运用对比学习，结合无监督学习场景ESimCSE-unsup模型和有监督学习场景SimCSE-sup模型，通过迁移学习将ESimCSE-unsup与SimCSE-sup融合形成ESim-SimCSE模型．选取SimCSEsup、SimCSE-unsup和ESimCSE-unsup3种模型与ESim-SimCSE进行对比．实验结果显示，在CHIP-CDN2019数据集上相同召回范围下，ESim-SimCSE模型均优于其他模型，其中top k=20下，ESim-SimCSE模型计算F1得分为0.889 1，比SimCSE-unsup提高了0.045 9，比ESimCSE-unsup提高了0.017 5，比SimCSE-sup提高了0.010 7.
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  基于神经网络的力矩补偿动力学参数辨识

  张明路, 王清, 刘璇, 李满宏

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 759-767.

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  针对机械臂刚柔耦合动力学模型拟合精度不高的问题，在分析动力学参数对各关节力矩影响的基础上，提出了一种基于神经网络力矩补偿的动力学参数辨识方法．首先，对动力学模型进行线性化分析，得到最小惯性参数集，设计机械臂激励轨迹，并采集各关节数据集．其次，搭建神经网络架构，对不同隐藏层数的神经网络模型的训练效果比较，证明了本文模型的准确性．将关节位置、速度、加速度数据集作为网络架构输入，经过神经网络学习后提取出各关节力矩．最后，对算法辨识出来的模型进行验证，以模型预测力矩的均方根误差为评判标准，关节拟合力矩结果表明，本文所用方法相较刚体逆动力学有更好的拟合精度，减少了关节摩擦等非线性因素对辨识实验的影响，得到更精准的动力学模型，对机械臂系统有更好的控制效果．
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  盾构施工扰动对天津结构性黏土动力特性影响的试验研究

  加瑞, 杨岗, 郑刚

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(07): 768-778.

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  盾构隧道施工扰动会改变周围土体的应力、应变状态，破坏土的结构性，从而影响隧道后期的地震响应．通过共振柱试验和动单剪试验，分析了施工扰动对天津结构性黏土动剪切模量和阻尼比的影响．试验结果表明：施工扰动程度越大，平均应力归一化动剪切模量的初始值越小(应力释放程度较大的D4试样的平均应力归一化动剪切模量初始值为无应力释放的D1试样的74%)，在相同剪应变下的归一化动剪切模量越小，动剪切模量的衰减速率越快，在相同剪应变下的阻尼比越大；土的结构性越弱，初始动剪切模量越小(无水泥掺量的B1试样的初始动剪切模量为4%水泥掺量的B4试样的59%)，在相同剪应变下的动剪切模量越小，动剪切模量衰减速率越快，在相同剪应变下的阻尼比越大．盾构隧道施工扰动对结构性黏土动力特性的影响机理为：施工扰动会使结构性黏土的结构破损、结构性减弱，从而导致其归一化动剪切模量减小，动剪切模量衰减速率增大，阻尼比增大．因此，在进行盾构隧道抗震设计时应考虑前期施工扰动引起的结构性黏土的结构破损对动剪切模量的影响．