2025年, 第58卷, 第06期　
刊出日期：2025-06-25

  

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  全氟和多氟烷基物质化学降解机制与研究进展

  李轶, 栗婷婷, 李玉清, 杨文静, 展思辉

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 551-566.

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  全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类高度稳定的人造化学物质，在化学结构上由全氟烷基分子(C_nF_2n+1—)连接到不同官能团的完全或部分氟化碳链组成，自1940年首次合成以来得到了广泛的应用. PFAS中的C—F键具有优异的热稳定性和化学稳定性，使其在环境中具有高度的持久性和生物累积性，因此成为全球关注的微量污染物.未受监管的PFAS排放到水环境中，对生态系统和人类健康构成了严重威胁，亟需采取有效措施来应对PFAS污染.近年来，针对水中PFAS去除的多种技术得到了广泛评估，其中化学处理方法在PFAS的降解和矿化方面表现出良好的前景. PFAS的降解取决于C—C键和C—F键的断裂.本文系统综述了电化学、光化学和过硫酸盐活化这3种技术去除PFAS的最新进展，详细阐述了这3种技术的降解机制和反应路径．此外还总结了关键参数对PFAS化学降解的影响，从催化材料、去除效率和能耗等方面分析对比了不同去除技术的优点和不足之处.最后，指出了目前研究中存在的主要问题、面临的挑战以及未来的发展前景，特别强调了耦合工艺在克服传统技术效率低下和高能耗问题方面的重要应用潜力.本综述对PFAS降解机制的深入研究将对未来实现其完全降解或矿化提供重要参考.
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  EH36钢变幅疲劳载荷下裂纹扩展行为和机理研究

  徐连勇, 黄金超, 赵雷

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 567-575.

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  针对海洋平台服役过程中时常遭遇到随机海况和复杂载荷作用的情况，设计对海洋平台用钢EH36钢进行变幅疲劳载荷下疲劳裂纹扩展行为试验，研究了变幅疲劳载荷作用下EH36钢疲劳裂纹扩展行为和机理．采用柔度法测量变幅疲劳载荷作用下的裂纹扩展速率，并用数字图像相关(DIC)分析了变幅疲劳载荷施加前后裂纹尖端塑性区尺寸变化．采用SEM分析了不同形式变幅载荷作用区域的断口形貌特征，用裂纹尖端塑性区尺寸变化和对应断口形貌特征解释了变幅疲劳载荷作用下的裂纹扩展行为和内在机理．结果表明：单次拉伸过载能降低疲劳裂纹扩展速率，延长疲劳寿命；单次压缩过载能短暂加速疲劳裂纹扩展速率，对疲劳寿命影响不大；不同顺序拉伸和压缩过载与单次拉伸过载现象保持一致，均能降低疲劳裂纹扩展速率，延长疲劳寿命，但拉压过载的先后施加顺序会显著影响疲劳裂纹扩展的迟滞效应．分析结果表明：拉伸过载过程增大裂纹尖端塑性区，并钝化裂纹尖端，从而使疲劳裂纹扩展速率降低；压缩过载过程减小裂纹尖端塑性区，并使裂纹尖端尖锐，从而使疲劳裂纹扩展速率加速；不同顺序拉伸和压缩过载是两种作用效果的结合．试验结果能很好地描述变幅疲劳载荷下的裂纹扩展行为并给出内在机理解释，为海洋平台在复杂载荷环境下服役所造成的疲劳损伤提供理论依据和实用价值．
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  基于DIC的疲劳裂纹张开载荷影响因素研究

  龚宝明, 刘昊, 张文强, 邓彩艳

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 576-582.

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  疲劳裂纹闭合效应对结构疲劳寿命预测精确度有重要影响，如何确定疲劳裂纹扩展时张开载荷的变化规律是疲劳研究的重要课题之一．针对DH36钢，使用数字图像相关(DIC)技术获得裂纹尖端位移场，通过全场位移拟合法得到了不同裂纹长度的三点弯曲(SENB)试样的裂纹尖端有效张开载荷，分析了影响拟合效果的因素，并获得张开载荷随裂纹长度和表面减薄的变化关系．最终通过裂纹扩展速率试验验证了全场位移拟合法所确定张开载荷的准确性．结果表明：DH36钢的疲劳裂纹张开载荷随裂纹长度的增加而增大，表面减薄试样的张开载荷显著低于未减薄试样．
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  超声疲劳系统动力学分析及试验应力修正

  邓彩艳, 李琦, 龚宝明, 宋宗贤

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 583-590.

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  超声疲劳试验可快速获得材料在超高周寿命区间的疲劳性能．试验应力计算是超高周疲劳试验的关键内容，其决定了试验数据的准确性，但目前研究人员在计算试验应力时均未考虑超声变幅杆和试样的耦合作用．针对这一问题，本文采用数值模拟方法对超声变幅杆和试样进行了动力学分析，并对超声变幅杆和试样的端部振幅进行了测量．结果表明：考虑超声变幅杆和试样耦合作用得到的振幅与试验测量结果误差最大仅为5.4%，而传统解析法的误差可达25.5%；进一步对比发现材料阻尼对共振频率的影响较大，而外加静态载荷对超声疲劳系统的动力学行为的影响可以忽略；本文中以EH690钢试验获得的S-N曲线为例进行了应力修正，发现经整体法修正后的疲劳应力要高于解析法确定的应力水平．
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  冲击速率对青砂岩抗拉特性及能量利用效率影响

  赵环帅, 潘永泰, 王星宇, 乔鑫, 张永强, 李少卓

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 591-600.

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  岩石作为一种常见的工程材料，其动态拉伸力学性能的准确核定及破裂机理至关重要，而巴西劈裂试验是目前测定岩石抗拉强度最广泛的试验方法．为探究不同冲击速率下青砂岩抗拉特性及能量利用效率，结合室内试验与细观参数标定，建立了青砂岩宏-细观力学响应关系，分析了青砂岩在不同冲击速率下的力学特性、破裂规律与能量利用效率．结果表明：(1)青砂岩破裂过程中，碎块内部以拉力链为主，破裂口边缘附近以压力链为主，拉力链在裂纹扩展与延伸中起主要作用，而最终断裂是压力和拉力链相互作用的结果；(2)随着冲击速率增加，青砂岩破裂形态可分为主裂纹为主、次生裂纹出现、次生裂纹贯穿的破坏形式，而破裂微元体、拉伸与剪切裂纹均呈现增加的趋势．在相同的冲击速率下，破裂微元体呈现出缓慢增加、快速增加与稳定增加阶段，而拉伸与剪切裂纹均呈现快速增加与稳定增加阶段，且在破裂过程中主要为拉伸裂纹；(3)在冲击速率为2～12 m/s时，能量利用效率呈现快速增加的趋势，12～28 m/s时，能量利用效率呈现出上下波动趋势，28～30 m/s时呈现出下降趋势，在冲击速率为22 m/s时，最大能量利用效率为8.153%．研究结果可为岩石破碎过程中工艺参数的合理选择提供指导．
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  盐水体系内气体驱动液固逆流化床的颗粒流动特性

  马可颖, 邵媛媛, 祝京旭

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 601-609.

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  气体驱动液固逆流化床是一种新型的逆流化床生物反应器，具有能耗低、颗粒磨损少、传质效率高等优点，在生物污水处理中具有巨大的应用前景．为开发其在高盐废水中的应用，明确盐水浓度对颗粒流动特性的影响规律，自行设计并搭建了一套中试规模的气体驱动液固逆流化床实验装置，通过实验观察与压降测试相结合的方法研究了颗粒的流动特性，包括床层的流型、流型转折速度、床层膨胀高度和固含率等．结果表明：随着气体表观速度的增加，颗粒床层经历了固定床区、过渡流化区、完全流化区和循环流化区4种流型，流型之间通过初始流化气速、最小完全流化气速、最小循环流化气速进行划分；相比于PE2.0颗粒，直径较大的PE4.0颗粒更难以流化；PE2.0和PE4.0颗粒的初始流化气速和最小完全流化气速皆随盐水浓度和颗粒装载量的增加而增加；PE2.0和PE4.0颗粒的最小循环气速同样随盐水浓度的增加而增加，但随颗粒装载量的增加，PE2.0颗粒的最小循环流化气速呈增加的趋势，而PE4.0颗粒的最小循环流化气速呈先下降后轻微上升的趋势．研究还发现，随着盐水浓度的增加，液固间密度差逐渐加大，颗粒流化越发困难，床层的膨胀高度随之下降，床层的平均固含率随之增加．以上所得的结果可为此类反应器的开发及工业应用提供基础数据和理论依据．
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  弹性管自激振荡的实验研究

  夏振炎, 赵紫豪

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 610-618.

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  为研究弹性管自激振荡现象的发生机理与运动规律，以应用到生物医疗等领域，本文通过采用粒子图像测速技术(PIV)，进行了104组不同工况的实验测量，包括不同液体、不同流速、不同外部压强等流场条件，得到了各种工况的速度信号和压强信号．采用流场分析，压强能谱分析，速度能谱和本征正交分解分析的方法，研究了不同条件对自激振荡的影响．通过分析比较，发现各方法结果一致性较好，实验获得了弹性管自激振荡发生参数条件分布图，详细分析了该实验条件下流场发生转捩的运动过程．研究了引发自激振荡前后流场的能谱变化、压强波动和流动结构时空演化规律，讨论了自激振荡各工况流场速度模态分解与重构的运动特征，给出了流场外部条件对自激振荡的影响规律，得出的结论可应用于流固耦合领域以及医疗领域．
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  用于驾驶行为分析的驾驶员情绪识别算法

  赵华, 范鸿钢, 冯译方, 陈大昕, 刘志喜, 陈韬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 619-628.

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  驾驶员的情绪变化会直接影响其驾驶行为．目前对于驾驶员行为预测的研究依然采用统计分析的方式，无法反映情绪状态对驾驶员行为的影响，导致对驾驶员动力需求的预判存在信息偏差．为此，针对实际驾驶过程中的驾驶员情绪状态判断，提出了满足实车应用的驾驶员情绪识别算法，同时设计试验研究了不同情绪间驾驶行为的特征差异．首先，针对车载计算单元相对不足的问题，结合人脸动作单元和面部表情编码系统，简化了高兴和愤怒两种表情的面部关键点，进而降低特征维度．然后，使用支持向量机分别建立了两种情绪的识别模型，通过网格搜索算法优化了模型参数，提升离线识别准确率．最后，结合情绪诱导设计了实车道路试验，基于通用计算平台测试了模型的在线识别效果，同时对比了驾驶员在高兴和愤怒时的驾驶行为以及车辆运行差异．结果表明：利用简化特征建立的高兴和愤怒识别模型，数据集离线测试的准确率分别达到了84.45%和84.43%；通用计算平台的测试结果显示该算法满足车载实时应用的需求，与情绪诱导结果对应，能够在线识别驾驶员的情绪状态；与高兴情绪相比，驾驶员在愤怒情绪下的驾驶行为更加激进，加速踏板的操作从长期维持不变转为周期性的剧烈踩踏，踏板频谱幅值最大提高了165.1%，整车油耗最大增加了14.2%.
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  基于脑电的音乐经验影响频率相关音乐特征感知研究

  倪广健, 冯昆芸, 郑琪, 刘洪兴, 金嘉祺, 白艳茹

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 629-639.

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  最近的研究表明，音乐家对声音的辨别能力比非音乐家更强．然而，关于音乐经验能否增强频率相关音乐特征的感知尚无共识．本研究从行为学表现和神经反应两个维度探究音乐经验对感知频率相关音乐特征的潜在影响．实验采用oddball范式，选取音高、音程以及和弦作为表征频率相关音乐特征的感知内容．实验过程记录了两组受试者(有音乐经验受试者作为音乐组，无音乐经验受试者作为对照组)在主动辨识任务中的行为学反应和脑电图(EEG)数据，对其进行事件相关电位和微状态分析．行为学结果发现，音乐组识别偏差刺激的正确率更高、反应时间更短．事件相关电位分析结果发现，在初级听觉皮层反应(N1成分)上音乐组与对照组之间并未观察到统计学意义上的明显差异．然而，音乐组的失匹配负波(MMN)潜伏期更短，与更深层次认知加工相关的P3b响应明显增强．在P3b对应时间窗内进一步的微状态分析结果显示，在和弦感知任务中音乐组的各项微状态特征参数(全局解释方差、覆盖率、持续时间)显著更高．结合脑地形图分析发现，音乐经验增强了顶叶区域的激活强度并扩大了激活范围．以上结果表明，音乐经验虽在声音感知的初步处理阶段影响有限，但在信息处理的后期加工阶段能显著提升个体对声音的敏感度与认知加工效率．
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  髋关节外骨骼导纳参数对偏瘫步态康复的影响

  杨巍, 方炯杰, 颜泽皓, 桂梁鸿, 杨灿军, 胡东明

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 640-650.

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  步态不对称是大多数偏瘫患者的一个重要临床特征，研究表明偏瘫患者穿戴单侧外骨骼可以有效改善步态对称性．导纳控制是一种经典的柔顺控制方法，而现有研究中关于将导纳控制应用于下肢康复外骨骼，未证明选择合适的导纳刚度对偏瘫患者个体的步态对称性恢复是有帮助的．为满足偏瘫患者步态恢复和人机交互柔顺性的需求，本研究设计开发了单侧髋关节外骨骼及导纳控制系统，并通过动力学建模和控制系统仿真得到导纳参数对外骨骼柔顺程度的影响规律．通过对比真实患者和模拟偏瘫患者的步态特征，本研究验证了在小腿绑缚体重10%重物的人工阻碍的有效性．本研究以8名健康人为实验对象，在实时运动分析与训练交互实验室平台上进行了正常行走实验、穿戴人工阻碍的模拟偏瘫患者行走实验、穿戴人工阻碍和外骨骼助力的10组不同导纳刚度步态恢复实验以及一致性验证实验．实验结果表明：单侧外骨骼导纳控制对步态对称性的改善有显著性效果(p<0.01)，并且髋关节外骨骼导纳控制的刚度参数选择因个体差异而异，证明需要针对个体差异特性进行定制化刚度系数设计．本研究初步证明了通过调整刚度参数可以为存在个体差异的下肢步行功能障碍者提供步态辅助以改善其步态对称性，为后续进行在线导纳参数优化和实现个性化步态辅助研究奠定了基础．
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  排气歧管特性参数对椭圆转子发动机排气过程的影响研究

  史少远, 秦静, 王膺博, 裴毅强, 张岩, 王振彪

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(06): 651-661.

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  椭圆转子发动机通过转子上的进、排气口换气，具有3个燃烧室且曲轴转速是转子转速的2倍，其换气特性和排气特征与传统活塞往复式发动机及三角转子发动机有明显区别．本文利用GT-Power软件建立了符合椭圆转子发动机工作特点的一维模型，以研究此类型发动机的换气过程特点、排气脉冲特性及排气歧管长度对其的影响规律，为高换气效率排气系统结构设计提供参考．研究结果表明：完整的排气过程可以划分为4个阶段：阶段1、2是废气流出的主要时期，占总排气量的90%以上；阶段3、4进、排气口同时开启但无法实现有效的扫气过程，且废气回流现象明显，导致缸内残余废气率提高．相邻燃烧室之间存在进、排气口叠开期，每个燃烧室排气末期均对应后燃烧室的排气初期，后燃烧室废气大量流出的同时窜漏入相邻燃烧室的现象较为明显，即燃烧室内的残余废气量同时受到自身排气过程和相邻燃烧室排气过程的综合影响．排气歧管长度变化对气口全开期的影响大于气口叠开期，气口全开期排气量是叠开期的3倍以上．计算长度范围内最优歧管长度可使排气过程排气量提高3.21%，并使气口叠开期的进气量提高32.80%．实现更好的排气效果的同时利于进气过程，有效地减少了阶段3废气向进气道的回流量，最终降低燃烧室内的残余废气率，实现换气效率的提高．