学研结合的《化工传递原理》课程改革与实践——以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例

培养具有较强实践和创新能力的新工科复合型人才是本科化工教育的重点。化工传递原理作为化学工程与工艺专业学生必修课,在提升本科教育质量中发挥重要作用。然而,化工传递原理课程存在理论性强、抽象推理多、学科交叉广、实验及理论同步配套程度低等问题,为有的放矢地解决课程难题,提高教学质量和品质,教学团队从教学目标和教学方法等多方面进行深度改革和创新;为重点突出以前沿科学研究为契机的学研结合新范式进行化工传递原理课程改革与实践,本文以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例,通过科学研究实验结合化工动量传递理论提升教学质量。将化工传递的科学研究与课堂理论教学相耦合,突出以学生为主体和产出导向的标准提升教学品质。这种新范式将有益于工科学生解决复杂化学工程问题能力的显著提升,为综合型本科化工类专业的改革发展提供重要支撑。

化工过程中的电子传递、质子传递和分子传递

随着“绿色化学”和“可持续发展”概念以及“碳达峰、碳中和”(双碳)目标的相继提出与推进,化学工业逐步进入绿色化、高端化、智能化发展新阶段。对于包含反应的化工过程有非常经典的“三传一反”理论,以反应动力学为核心,以动量传递、热量传递与质量传递为基础,揭示了物质、能量传递与化学反应的协同强化规律,对化工领域的发展具有重要和深远意义。近年来,由于光能、电能等清洁能源以及绿色生物制造、光电化学工程等新学科引入化工反应过程中,以电子传递、质子传递和分子传递为代表的三类传递现象得到了广泛关注和大量研究,为“三传一反”理论注入了新的活力。在此背景下,尝试将电子传递、质子传递和分子传递三类现象进行分析和介绍,针对不同化学反应的特点,初步总结了通过电子传递、质子传递和分子传递过程的单独或协同强化,以实现传递过程与化学反应过程的高度匹配,进而实现化学反应效率的显著提升。

人类活动对流域气象-水文干旱传递的影响分析

分析人类活动对干旱传递的影响对于干旱预警以及减少社会经济损失具有重要意义。以潘家口水库流域4个气象水文站点的1960-2017年实测的逐月降水和径流序列为基础数据,采用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)和标准化径流指数(Standardized Runoff Index,SRI)分别来表征研究区域的气象干旱和水文干旱。通过非一致性检验的方法,结合流域实际情况,得到径流序列的突变点,并基于Pearson检验法和Copula模型分别计算基准期和人类活动期气象干旱传递为水文干旱的时间和传递概率来分析人类活动对干旱传递的影响。结果表明,潘家口水库流域的径流序列呈现显著减少趋势,径流序列的突变点在1979年前后。人类活动对流域的水文干旱及干旱传递均产生了显著的影响,人类活动明显增加了水文干旱的发生频率,降低了气象干旱和水文干旱之间的相关性。干旱传递时间呈现季节性差异,夏秋季的干旱传递时间短于春冬季。在人类活动的影响下,夏季的干旱传递时间普遍缩短1~4个月;春秋冬季干旱传递时间呈现不同的变化,但大部分站点干旱传递时间延长。在同一气象干旱条件下,引发水文干旱的概率随干旱等级的增加而减小,随着气象干旱的加剧,引发水文干旱的概率变大,干旱传递概率变化呈现出两种情形,人类活动可能促进或抑制水文干旱的发生,增加或减小干旱传播概率。

传递矩阵法在计算输流管路高频振动时的稳定性改进

传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)是研究结构振动时常用的计算方法,但在计算大跨度输流管路高频横向振动时,TMM存在数值不稳定的现象,制约了其进一步应用。基于无量纲化计算结果得到的子单元划分准则的全局传递矩阵法(global transfer matrix method,GTMM)、混合能传递矩阵法(hybrid energy transfer matrix method,HETMM)和结合变精度算法的传递矩阵法(variable precision algorithm-transfer matrix method,VPA-TMM)等三种方法解决了这一问题。GTMM是最常用的TMM计算稳定性改进方法;HETMM系首次从层状介质中的波传播计算扩展到管路系统的振动分析领域,计算矩阵的维度和形式不随子单元数的变化而变化,计算时间最短;VPA-TMM无需进行子单元划分,可以看作是从根源上解决了TMM的长跨度高频计算失稳问题,但计算时间会大幅度增加。

4种用于温室除湿的亲水翅片管蒸发器热湿传递性能分析

温室冬季高效除湿需求已经成为制约中国温室产业高质量发展的技术难题之一。为了提高温室用冷冻除湿系统中亲水翅片管蒸发器的热湿传递性能,该研究建立了低温高湿工况下平翅片、带涡产生器平翅片、波纹翅片、开缝翅片4种亲水翅片管蒸发器空气侧的数值传热模型,采用蒸发器的换热量Q、努塞尔特数Nu、摩擦因子f、单位翅片面积析湿量和强化传热因子JF等评价参数,对比分析了低温高湿工况下4种亲水翅片管蒸发器空气侧热湿传递性能。结果表明,与平翅片相比,带涡产生器平翅片、波纹翅片、开缝翅片空气侧的Nu、Q和f均高于平翅片,且开缝翅片的Q和f在相同条件下均最大;4种翅片的f随入口风速的增大而大幅度减小,而相对湿度对f的影响较小;单位翅片面积析湿量均随入口风速和相对湿度的增大而增大,波纹翅片的除湿能力最优;在入口风速1~4 m/s和相对湿度80%~95%条件下,波纹翅片管蒸发器的JF因子平均值最大,其热性能最优;在冬季寒冷地区低温高湿的温室中,推荐选用波纹亲水翅片管蒸发器对温室内空气进行除湿。该研究可为温室低温高湿环境下除湿系统用亲水翅片管蒸发器的设计与应用提供参考。

强传递的新特征

动力系统是一门关于时间演化规律的数学学科,其中由紧致拓扑空间的连续自映射给出的动力系统的传递性一直以来都是动力系统研究的一个重要课题.令(X,f)是一个动力系统,对于X中任意的两个非空开子集U和V,若存在整数n≥0,使得U∩f-nV≠?,则称(X,f)是拓扑传递的.运用N-开子集,定义几种新的拓扑传递的加强形式,研究并分别证明其多种等价命题,旨在开集的弱形式下得到一些动力学性质.

基于能量传递效率的煤冲击倾向性评价指标

冲击地压与煤体能量的积聚和释放密切相关,能量传递是评价冲击倾向性的关键参数之一。通过构建能量源扰动条件下的能量传递模型,关联冲击能量指数与弹性能量指数,提出能量释放比例φ,基于传递过程中的能量耗散模型提出了能量传递效率β,建立了包含2种参数的冲击倾向性评价方法。对煤矿11个煤层分层进行冲击倾向性鉴定试验,引用79个煤矿分层的冲击倾向性鉴定结果进行可靠性验证。结果表明:能量释放比例φ具有冲击地压边界条件的意义;能量传递效率β与泊松比具有负相关性,取值范围可以由模型边界条件推导获得;能量传递指数η的计算结果,与冲击倾向性鉴定的结果具有较高的一致性(88.61%),能够反映煤体的冲击倾向性,并且可以成为“*”结果的评价依据,是一种适用于现有冲击倾向性评价体系的有效指标。

基于传递率函数的预制混凝土夹心保温墙板连接件损伤识别

为解决预制混凝土夹心保温墙板中连接件检测困难问题,提出了基于传递率函数的连接件损伤识别方法。首先介绍了传递率函数原理,建立了用于检测预制混凝土夹心保温墙板中损伤连接件的传递率函数理论模型,得出可用预制混凝土夹心保温墙板物理参数表示的传递率损伤指标(transmissibility damage indicator,TDI)。分析理论模型的检测机理表明,该方法不仅可以判断连接件损伤程度而且检测结果不受未被检测损伤连接件干扰。分别设置单损伤和多损伤工况,通过缩尺模型试验,验证了所提出检测方法的可行性,试验结果表明,损伤连接件和无损连接件的TDI指标之间存在着明显的不同,差异达到39.2%,所提出方法可以有效确定连接件的损伤状态与程度,且多损伤工况下其他未被检测的损伤连接件对检测结果无影响。进一步通过数值模拟结果测试所提出方法的抗噪性,建议使用该方法时,保证信噪比在40 dB以上,从而保障方法的鲁棒性。

多模GNSS PPP时间传递性能比对分析

精密单点定位(PPP)时间传递技术是国际时间比对的重要手段之一,为协调世界时的计算做出巨大贡献。为探究多系统融合PPP时间频率传递性能,选取3个国际授时实验室的测站数据组成2条链路,采用8种实验模式对比分析单系统、双系统、三系统和四系统PPP时间频率传递性能。实验结果表明:各多系统组合较单GPS系统在可见星数上均有较大提升,且极大改善了钟差精度因子,增加了时间比对结果的稳健性和可靠性。在时间传递稳定性方面:对于453.4 km的PTBB-BRUX链路,较单GPS系统,双系统中GPS/BDS组合提升效果最优,提升率约为10.39%,三系统中GPS/GLONASS/BDS组合提升率最优,约为11.86%,四系统组合提升率为11.98%,可从0.0467 ns提升至0.0411 ns;对于8031.8 km的PTBB-NIST链路,GPS/BDS组合提升率约为4.89%,GPS/GLONASS/BDS组合提升率约为5.49%,四系统组合提升率为5.79%,可从0.1140 ns提升至0.1074 ns。在频率传递稳定度方面:在前10000 s内双系统组合平均提升17.6%,三系统组合平均提升20.5%,四系统组合提升21.6%。

基于声振传递的飞行器噪声振动环境预示方法研究

针对高速飞行器飞行条件下的噪声、振动环境恶劣、复杂、难预示的问题,提出了基于声振传递的飞行器飞行条件下的噪声、振动环境预示方法。采用数值仿真、脉动压力风洞试验或工程分析等方法,获取飞行器在典型工况下的舱外脉动压力场;通过噪声试验或声振耦合仿真分析的方法,得到飞行器声振传递特性;根据获得的舱外脉动压力和声振能量传递特性,结合具体飞行参数得到实际飞行条件下的飞行器声振预示环境。采用该方法对某飞行器开展了振动环境预示研究,经地面及飞行试验验证振动环境量级预示精度可达1.6 dB。提出的基于声振传递的飞行声振环境预示方法可以广泛应用在导弹、火箭等飞行器的精细化环境设计中,对于提高飞行器总体性能、环境适应性和飞行可靠性具有重要的工程意义。

基于传递矩阵法的指向式旋转导向工具主轴振动特性

指向式旋转导向工具应用于井眼轨迹控制时,其主轴的动力学特性将直接影响到井眼轨迹控制效果及作业安全,而在钻进工况下,工具钻压传递机构在主轴上的位置对主轴的动力学特性起着重要的作用。因此,为了分析钻压传递机构的位置对主轴动力学特性的影响,利用多体系统传递矩阵法建立了指向式旋转导向工具外壳-轴承-主轴系统的动力学模型。通过推导主轴上任意节点的几何和力学方程,该研究能够评估钻压传递机构的位置对主轴动态性能的影响规律。结合实例运算分析了钻压传递机构的安装位置对主轴固有频率和振型的影响,探讨了工具造斜时,钻压传递机构安装位置对主轴动态位移的影响。结果表明,随着钻压传递机构安装位置距离钻头越远,主轴固有频率和动态位移均增大,因此在满足工作要求下,推荐钻压传递机构安装位置尽可能靠近钻头端。为验证基于传递矩阵法建立的主轴动力学模型的正确性以及钻压传递装置安装位置对主轴动态位移影响规律,在指向式旋转导向工具试验台架上进行了钻进工况下主轴测点偏移量测试试验,结果表明,试验测得的数据与理论计算的数据基本吻合,误差最大仅为6.47%。

基于传递函数分析的双馈风力发电系统动态建模方法研究

以双馈风力发电系统(doubly-fed induction generator based wind energy conversion system,DFIG-based WECS)为例,利用小信号分析法推导出由风机、双质量块传动链构成的动力与传动系统通用传递函数方程。动力与传动系统传递函数的零极点位置、稳定性与系统参数及系统运行工作点相关。该传递函数可进一步分解为扭转分量和非扭转分量。传动链参数仅对扭转分量造成影响。在此基础上,建立了考虑动力传动、电机、变流器、控制等环节的风力发电系统传递函数模型。模型综合了各环节参数,可直观反映系统参数对系统响应的影响,有助于深入了解系统动态行为。算例及时域仿真结果证明了所提出传递函数模型的准确性和高效性,可为系统参数设计研究提供理论依据。

抗差Vondrak滤波方法在时间频率传递中的应用

时间频率传递的结果会受到非模型化误差和观测噪声的影响,其噪声常为高频信号,构建低通滤波器可在一定程度上消除观测值序列中的高频噪声信号.本文对Vondrak滤波函数的本质进行剖析,通过IGG3算法对钟差序列进行定权并采用频率响应法选择适合的滤波因子;对不同的链路分别进行卫星双向时间频率传递(two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT)、基于软件接收机的卫星双向时间传递(two-way satellite time and frequency transfer based on software defined receiver,SDR-TWSTFT)和短基线共视时间频率传递实验,并对钟差结果采用抗差Vondrak滤波进行平滑去噪.结果表明:滤波后的钟差序列能够很好地反映原始钟差序列的趋势;平滑后的TWSTFT钟差结果,日波动效应得到了有效的抑制,精度有明显提升;对于共视钟差结果,精度有明显提升,与精密单点定位(precise point positioning,PPP)时间传递结果的差值保持在−1.0~1.0 ns范围内.

哈密瓜物流堆码运输包装件共振传递特性研究

为优化设计缓冲包装件,以及减缓运输过程中由共振引起的哈密瓜贮藏品质下降,采用哈密瓜及其包装瓦楞纸箱作为研究对象,设置5层堆码高度,进行模拟运输变频振动试验,结合频谱分析加汉宁窗函数测定各堆码包装件的固有频率,随后进行模拟运输定频振动试验。结果表明,加汉宁窗函数有效提高了频谱分析精度,获得5层包装件的固有频率分别为9.88,54.75,10.06,10.31,10.42 Hz;10 Hz定频振动下,5层包装件的峰值加速度分别为5.99,3.18,6.37,6.56,6.81 g,振动传递率分别为53.61%,28.52%,57.07%,58.76%,61.02%;54.75 Hz定频振动下,5层包装件的峰值加速度分别为1.29,6.34,0.99,0.87,0.23 g,振动传递率分别为8.38%,45.04%,6.47%,6.04%,0.75%。研究为其他包装件寻求更精确的共振频率,从而为运输过程中有效避开共振频率,达到内装果品减损目的提供参考。

考虑恐慌情绪和信息传递的行人疏散模拟

为分析应急疏散过程中恐慌情绪和信息传递对行人疏散效率的影响,提出基于热传递原理的情绪感染模型和元胞自动机场域模型相结合的疏散模拟方法。该方法通过量化的恐慌值影响行人决策偏好,并引入信息扩散模型,修正成功接收到出口信息的人群的疏散路径,模拟研究恐慌情绪作用下行人受到信息引导后疏散行为的变化。研究结果表明:恐慌情绪感染主要出现在人群聚集时期,伴随恐慌的蔓延,整体疏散效率降低,且对小规模行人疏散影响效果更显著;随着危险源向出口靠近,恐慌情绪使行人做出非理性决策的可能性更大,导致出口处人群出现分散再聚集现象;有效的信息传递可以降低恐慌情绪影响、提高疏散出口利用率,且信息传递影响效果随疏散人数的减少和危险源向出口的靠近而有所增强。研究结果可为提升应急疏散效率提供理论支持。

领导者心理韧性下行传递效应的多元实现路径

心理韧性是个体应对危机挑战不可或缺的心理能力。如何促进领导者心理韧性的下行传递效应成为提升领导有效性、强化员工心理韧性,进而增强组织危机应对能力的关键。本文融合质性与实证方法,挖掘并验证了心理韧性下行传递效应的实现机制。首先,基于程序化扎根理论的三级编码过程,构建了领导者心理韧性的下行传递效应理论模型,并结合社会信息加工理论探讨了不同传递路径的实现机制。其次,运用Bootst rap方法,通过纵向追踪数据验证了理论模型的普适性。结论包括:1.心理韧性下行传递效应实现机制包括情感传递、认知传递和行为传递三条路径,各路径存在协同作用关系;2.领导与员工间的积极情绪感染构成心理韧性的情感传递路径;3.领导建设性反馈和员工自我效能感搭建了心理韧性的认知传递路径;4.领导容错行为和员工差错反思构成心理韧性的行为传递路径。研究结论增添了心理韧性在组织行为领域的应用场景,为增强组织环境适应力提供新的启示。

漫反射与非漫反射表面间的辐射传递系数快速计算

针对蒙特卡洛方法计算目标表面间辐射传递系数耗时过长的问题,提出了一种计算漫反射灰体与非漫反射灰体表面间辐射传递系数的快速方法。首先,利用蒙特卡洛方法在漫反射表面生成发射光束集并进行射线追踪,计算漫反射表面对目标表面的辐射传递系数;然后,在非漫反射表面生成发射光束并进行射线追踪,如果射线在多次反射过程中击中任意漫反射表面,则利用反射光束的漫反射特性,直接调用漫反射表面的辐射传递系数对反射能量进行分配,并停止射线追踪。对正六面体模型内表面(两个漫反射面元、四个镜反射面元)的辐射传递系数进行仿真,结果表明,当表面反射率ρ=0.4时,镜反射表面的辐射传递系数计算时间仅为蒙特卡洛方法的1/3;ρ=0.8时,相应的计算时间占比低于1/10,并且保持良好的计算精度。理论推导并分析了影响该方法计算速度的模型参数,结果表明:表面反射率越高,系统中漫反射表面占比越大,快速方法中单束光线的平均追踪次数较蒙特卡洛方法越少,非漫反射表面的辐射传递系数计算优势越明显。

基于ISM-SD的地下洞室群施工进度风险传递路径研究

针对水电工程地下洞室群施工进度风险存在传递问题,提出了基于解释结构模型(ISM)和系统动力学(SD)的地下洞室群施工进度风险传递路径分析方法。根据地下洞室群的施工特点,建立了地下洞室群施工进度风险指标体系;结合风险传递机理,运用解释结构模型分析风险因素间传递关系,建立了风险因素传递矩阵,并总结归纳出风险因素关系对照表,通过系统动力学分析风险因素间传递路径,揭示了施工进度风险传递路径网络;集成ISM-SD构建了地下洞室群施工进度风险传递路径分析模型,并结合西南地区某大型水电站地下洞室群工程进行分析。结果表明,该方法可有效识别施工进度风险重要因素和关键传递路径,为地下洞室群施工进度风险管理提供了决策依据。

西南少数民族八角纹设计文化基因“数字化”表达与传递机理研究

八角纹在西南各少数民族染织纹样中的传递已有几千年的历史。类比生物基因“数字对位传递”所具有的高度精确性,如果对染织纹样中的八角纹进行“显微镜式的观察”,可以发现,八角纹隐含着“几何式”与“模件式”两种设计文化基因。其产生与复制的过程,是按照均衡比例的“数字化”机理进行表达与传递;指令信息的明确,使得传递后的设计文化基因具有高度的保真性、多产性与长寿性。本文研究表明,在西南少数民族八角纹等纹样的设计与制作过程中,传递“如何制作”(机理)比传递“制作什么”(纹样)更具有效性。

基于OPAX的驾驶舱内结构噪声传递路径研究

对车内结构噪声进行合理降噪的有效方法是阻断振动能量传递最大的路径,为此建立传递路径模型并进行噪声贡献量分析。首先,基于发动机舱内机械构造规划出由振源到驾驶舱的多级传递路径,并在振动能量传递的连接点处设置路径拐点;然后,采用扩展工况传递路径分析(operational path analysis with exogeneous inputs,OPAX)方法确定路径中各拐点对车内噪声的贡献量,并将噪声拟合值与实测值进行分析对比。结果表明,不同路径拐点对车内结构噪声影响明显不同,其中橡胶悬置拐点对车内噪声影响最大,该处噪声拟合值与实测值也最为接近,噪声峰值达到63.5 dB,副车架拐点对车内噪声影响次之,噪声峰值为53.2 dB,排气吊耳拐点对车内噪声影响较小,噪声峰值仅为38.7 dB。采用本文方法可有效确定对车内结构噪声影响最大的路径。