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关键词： 土壤有机污染   热脱附   零价铁   电磁场   聚N-异丙基丙烯酰胺   靶向  

摘要： 人类工业活动导致大量土壤受到有机物污染,对人类和生态健康安全造成重大威胁,因此迫切需要建立绿色高效的有机污染土壤修复技术。低频交流电磁场（AC EMF）驱动零价铁（ZVI）产热的机制有望用于开发修复有机污染土壤的新型技术。该技术与传统热脱附技术相比具有处理范围大与热损耗低等多重优势。本研究以间二甲苯（MXY）为目标污染物,评估了ZVI耦合AC EMF强化去除土壤MXY的热脱附方法,重点阐明了土壤p H值对该方法效率的影响;进一步的,本研究制备了热响应聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）改性的纳米零价铁（PNIPAM-n ZVI）,以萘（Nap）为目标污染物,探索了AC EMF作用下PNIPAM-n ZVI靶向修复有机污染土壤的方法。本文的主要研究结果如下:（1）ZVI结合AC EMF可以实现对土壤污染物的热强化脱附。在AC EMF作用下,混合ZVI的土壤温度在20 min内可以达到～60℃,土壤MXY的脱附率在60min后达到～90%。土壤p H对该方法效率的影响主要有三方面:1)p H值影响ZVI表面腐蚀产物的形成。由于大量的Fe（II）物种生成和对金属铁相对较好的保存,在p H 5时ZVI腐蚀产物的生热效果最好,2)p H值的增加导致土壤对MXY的吸附能力降低,3)p H降低导致富里酸和ZVI之间的静电排斥减少,增强了作为分散热源的ZVI和吸附在富里酸上的MXY之间的局部热传导。以上三种原因综合导致当土壤p H=5时MXY的脱附效率最高。（2）合成了热敏PNIPAM并将其用作改性剂获得了具有热敏特性的PNIPAM-n ZVI材料。表征结果表明PNIPAM-n ZVI呈核壳结构,其外部PNIPAM壳层可增强n ZVI材料的分散性,并有效抑制了n ZVI团聚及其氧化腐蚀,导致PNIPAM-n ZVI的磁感应生热能力相比改性前得到增强。更为重要的是,PNIPAM-n ZVI材料因不同温度而呈现不同的表面亲疏水性,温度升高使PNIPAM趋于皱缩形态,导致材料表面更加疏水,材料对亲水苯酚的吸附效率由55.4%降至41.6%,而其对疏水双酚A的吸附效率则呈现相反的趋势。（3）由于PNIPAM有效地保护了升温优势组分Fe0,土壤中加入更少量的PNIPAM-n ZVI（4 g）便能感应出与n ZVI（5 g）相当的温度,温度升高使PNIPAM-n ZVI的表面电荷量减少,Nap和PNIPAM-n ZVI之间更紧密地靠近导致更佳的热脱附效果。序批式实验表明PNIPAM-n ZVI在反应器内通入低频AC EMF运输完后,与其余三种运输条件相比,残留有PNIPAM-n ZVI的土壤在120 min内电磁感应的温度最高,并且留在土壤中的总铁含量最多,土壤Nap的脱附率达到～50%。AC EMF通过控制PNIPAM-n ZVI的升温以调控材料的表面性质,材料表面更加疏水,使得作为分散热源的材料更多停留在经萘污染过的土壤中,并且壳层的PNIPAM更趋于皱缩形态,从而使得核区的n ZVI更大程度的被包裹住,有效抑制了材料氧化,最终材料达到了靶向运输和增强磁感应加热能力的双重目的,实现了更佳的热脱附效果。

关键词： 电磁搅拌   凝固组织   纳米粒子   弥散分布  

摘要： 近百年来,我国针对铝合金的研究与发展付出了很大的心血。建国初期国家为尽快建设完善成型的航空技术,大力发展铝合金产业,突破合金技术限制的壁垒,发展尤为迅速,用途范围不断扩大。直至今日我国在金属材料、有色金属等领域也有了卓越的成就。但为使合金有着更加完善的使用性能,技术的革新同样刻不容缓。而外加电磁场这项新技术由于其产生的电磁力因无污染且不直接作用在合金熔体上,实现对熔体组织细化、控制其凝固成形过程而备受青睐,为制备出优良力学性能的合金提供了更广阔发展空间。因此本文为解决Al-7%Si合金凝固组织中粗大且不规则的块状初生Si对合金的割裂损伤、Al-7%Si合金内部疏松、缩孔、气孔及溶质不均等问题。系统研究了外加电磁场及感应线圈的耦合作用下对Al-7%Si合金凝固组织和性能的变化规律。首先针对以往电磁搅拌技术有了新的改进,设置两种电极:双电极、同轴电极插入合金液面,对Al-7%Si合金凝固组织实施电磁搅拌的作用。结果表明适当电流确实可以增强合金内部组织,使得组织均匀化,降低过冷度和内部与外部的温度梯度,避免合金晶体二次结晶,消除了合金凝固的方向性,致使柱状晶逐渐缩小为等轴晶。对合金进行保温作用,可以使电流充分搅拌,使搅拌作用作用至凝固前期,进一步细化合金组织,增加了α-Al相和初生Si之间的致密性,还能减少气泡,裂痕等缺陷。但是过大的电流下再进行保温作用反而会使合金液内产生更大的不规则运动的湍流,在合金凝固收缩的过程中,湍流作用跨越晶格破坏合金内部组织,导致合金产品性能失效。在此基础上,还在合金内部添加了两种纳米粒子,研究增强相对合金组织的强化。以及电极作用下纳米粒子增强相在合金中的弥散分布情况。分析得出:不通电时粒子团簇形状粗大,弥散硅相附近,因粘附性不足会使大量粒子脱落,加速孔洞与裂纹生长。通入电流后不仅增加纳米粒子的粘附性,而且流场的搅拌作用能消除粒子团簇的方向性,大面积扎钉在晶界上,阻碍着α-Al相的方向性生长。达到细化晶粒的目的,增强了合金的力学性能。除此之外还对实验方案两种电极对合金内部流场作用情况分别进行了模拟,以及使用两种湍流模型(SST、LES)对粒子在合金中的弥散情况进行分析,认为大涡模拟下粒子根据电流强度大小会受到各类大小不一的湍流团作用,湍流模拟结果更接近实验项。

关键词： 永磁无刷直流电动机   齿槽转矩   Taguchi实验法   优化设计   数值模拟  

摘要： 永磁无刷直流电动机使用电子换向装置替换了常规直流电动机的机械换向方式,解决了直流电动机由电刷和换向器引起的噪声和使用寿命等问题,且保留了常规直流电动机的优良性能。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点,又具有直流电动机起动转矩大、调速性能好的优点。 本文对前期设计的电机方案,采用解析分析、数值计算和模拟仿真等方法对其进行了优化,旨在设计一款低损耗和高效率的永磁无刷直流电动机。首先,根据永磁无刷直流电动机的工作特点,采用场路结合的方式对电机主要尺寸和一些必要的参数进行设计,计算出合理的定转子尺寸,选取钕铁硼永磁材料用来制备转子,永磁体采用径向放置并进行径向充磁,对定转子进行自由模态和约束模态分析,发现定转子在固有频率下的临界转速远大于电机额定转速时不会形成共振的现象。 针对前期设计永磁无刷直流电动机的初步方案,采用电磁场有限元软件ANSYS Electronics Desktop中的Maxwell2D模块对样机进行建模,获得样机在静态场的磁密云图和磁力线分布图,发现电机在永磁体单独作用时的磁密是减小的,磁力线分布稀疏。通过对样机的气隙磁密分布及空载电动势进行分析,并对空载电动势和气隙磁密进行傅里叶变换(FFT),发现空载电动势和气隙磁密的各次谐波幅值大小存在奇数次谐波,但是奇数次谐波占基波的比例较小。采用负载法求解样机各相自感和互感的曲线,根据park变换得出了交直轴电感的变化曲线,并求取了 d和q轴的电感参数。对样机的瞬态场进行建模和运动选项的设定,并对电机在额定负载下的工况进行模拟,得出了样机的转矩、电枢电流和转速的曲线分布图。 基于样机齿槽转矩的产生机理,采用麦克斯韦能量法对齿槽转矩进行了解析分析,得出了齿槽转矩的解析表达式,然后在Maxwell2D模块中采用气隙分层加密处理方法使之更精确的求取齿槽转矩的波形,与前面解析法得出的结果进行了对比分析。使用参数化扫描的方式获得了齿槽转矩随气隙长度、平行齿宽度、永磁体厚度及宽度的变化规律,发现削弱齿槽转矩可以采用适当缩小永磁体宽度、减小平行齿宽度和增大转子外径的方法,这为后期样机的优化设计奠定了理论基础。 基于Taguchi实验法,以电机效率、空载损耗和永磁体用量为输出响应,通过控制气隙长度、定子齿宽度、永磁体厚度和宽度的变化,以Hardarmard矩阵法构建了 L25正交实验表,采用期望值分析(ANOM)和方差分析(ANOVA),更能直观和清晰的观察各个控制因子对输出响应的影响,选取对于输出响应的最佳优化组合,对选取的控制因子组合再次在Maxwell2D中建立模型,观察样机优化前后输出响应的变化,最后达到样机空载损耗减小和效率增大的要求。最终根据优化后的设计方案,制备了永磁无刷直流电动机样机。

关键词： 镁砂   稀土氧化物   电磁场   致密性  

摘要： 镁砂因其卓越的耐高温和抗侵蚀性而在钢铁、冶金、水泥等高温行业广泛应用。当前,镁砂的生产正朝着高纯度和高致密化的方向发展。镁砂中结合相的组合及其分布直接影响其高温性能,因此有必要对镁砂的结合相和显微结构进行优化。本文以900℃煅烧得到的轻烧Mg O粉为原料,通过物相分析、检测物理性能以及显微结构等手段,研究了稀土氧化物（Sc2O3、Y2O3、La2O3及Hf O2）对菱镁矿制备烧结镁砂致密性的影响。进一步通过电磁场烧结手段优化了含有以上四种稀土氧化物的镁砂的最佳方案。研究结果如下:（1）当添加Sc2O3、Y2O3或Hf O2时,它们都会与Mg O发生固溶,进入Mg O晶格,引起Mg O晶格的畸变,活化晶格,促进离子扩散和烧结,促使晶粒生长。同时,它们分别与镁砂中的杂质Ca O或Si O2反应生成高熔点的Ca Sc2O4、Y2Si2O7和Ca Hf O3相,填充在Mg O晶粒之间,减少孔隙,提高致密度。La2O3的添加会与Ca O和Si O2生成Ca La4Si3O13相,改变了Mg O晶粒间的结合相,提高了Mg O晶粒间的结合能力。（2）在添加Sc2O3的镁砂试样中,电磁场烧结显著增强了Sc3+的固溶程度,改变了枝晶形成过程,细化了组织,从而提高了含Sc2O3的镁砂试样的致密度。在电磁场强度为16 Kw时,含有3 wt%Sc2O3的镁砂试样表现出最佳性能。（3）电磁场提供了离子扩散驱动力,提高了离子的迁移能力,影响了晶间结合相的形成及性质。在添加Y2O3的镁砂试样中,除了Y2Si2O7外,还生成了Mg Y4Si3O13和Ca3Y2Si6O18相,新相的生成提高了试样的致密度,电磁场强度为16 Kw时,含有2 wt%Y2O3的镁砂试样表现出最佳性能;在添加La2O3的镁砂试样中,除了生成Ca La4Si3O13外,还会生成La2Si2O7相,这两相共同作为晶间结合相填充了孔隙,增强了试样的致密性,电磁场强度为18 Kw时,含有1.5 wt%La2O3的镁砂试样表现出最佳性能;在添加Hf O2的镁砂试样中,结合相为Ca Hf O3和Mg2Hf2O12,提高了镁砂的烧结能力,电磁场强度为16 Kw时,含有2 wt%Hf O2的镁砂试样表现出最佳性能。（4）综合物理性能指标,制备镁砂的最优配方为添加3 wt%Sc2O3,电磁场强度为16 Kw。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金   Al-Cu-Mg合金   SiC   旋转磁场   脉冲磁场  

摘要： 铝合金密度小、强度高、延展性好、耐蚀性好,广泛用于汽车制造、航空航天、建材建筑等行业。本文研究了旋转磁场耦合SiC对Al-Zn-Mg-Cu合金凝固组织、力学性能的影响,研究了旋转/脉冲磁场对Al-Cu-Mg合金凝固组织、凝固过程的影响。采用金相显微镜、扫描电镜和电子背散射技术对合金的组织结构进行表征,并采用电子万能试验机对合金的力学性能进行了测试。得到如下结论。 旋转磁场耦合SiC能细化Al-Zn-Mg-Cu合金晶粒,促进组织中的柱状晶和树枝晶向等轴晶转变。旋转磁场为80 V,改性SiC粉体为0%、0.03%、0.05%时,合金组织晶粒尺寸不断细化,但在0.05%～0.1%过程中晶粒尺寸出现粗化;计算得到SiC与Al之间的二维错配度为7.33%,小于12%,证明了SiC可以作为有效的非均匀形核核心,细化晶粒。旋转磁场可以细化晶粒、均匀温度场,促进树枝晶向等轴晶转变;改性SiC粉体为0.05%,旋转磁场为0 V、60 V、80 V、100 V时,合金组织晶粒尺寸不断细化。旋转磁场耦合SiC可以提高Al-8Zn-2Mg-2.3Cu合金力学性能。随着改性SiC粉体添加量不断提高和旋转磁场强度不断提高,合金的抗拉强度、延伸率和硬度不断提高,在100V旋转磁场耦合0.05%改性SiC粉体作用下,晶粒细化效果最好,平均晶粒尺寸为85μm,合金的抗拉强度、延伸率和硬度达到最大值,分别为313.5 MPa、5.7%、92.1 N/mm2。 旋转磁场对熔体的搅拌作用会破碎凝固过程中向外生长的枝晶臂,促使包共晶组织(α（Al）+T)由玫瑰花形向规则圆整转变。脉冲磁场对熔体的振荡作用会破碎凝固过程中熔体中枝晶的薄弱处,促使包共晶组织(α（Al）+T)由玫瑰花形向‘田’字形转变。旋转/脉冲磁场能够对Al-11.8Cu-22.42Mg合金中的包共晶组织产生明显的细化效果。随着旋转磁场强度、频率不断提高,合金组织不断细化,在50 Hz,40 A旋转磁场作用下,组织细化效果最好,规则圆整形包共晶组织长约为232μm,宽约为208μm;随着脉冲磁场强度、频率不断提高,合金组织不断细化,在15 Hz,750 V脉冲磁场作用下,组织细化效果最好,‘田’字形包共晶组织长约为186μm,宽约为179μm。

关键词： 熔盐相变储热系统   电磁耦合致热方式   电磁场   温度场  

摘要： 全球能源发展趋势决定了清洁替代和电能替代将是世界能源可持续发展的重要方向。电力具有清洁、安全、方便等优点;实施电能替代，对推动能源消费革命、实施国家能源战略、促进清洁能源发展具有重要意义。相变储热技术是一种新型的储能技术，可以提高能源利用率，实现高效率和节能。目前，利用熔盐相变进行储热大部分存在加热放热效率低下、易堵塞管道等问题，制约了熔盐相变储热技术的大规模使用。　　本文提出一种新型单罐熔盐相变储热系统，采用新型电磁耦合致热方式加热相变熔盐进行储热，解决以往常规电磁致热式熔盐储热系统电磁致热功率小、换热效率低下的问题。研究此结构下电磁场-温度场耦合的规律，优化电磁致热相变熔盐储热结构，提高储热效率，解决常规熔盐储热系统易堵塞管道的问题。　　研究新型电磁耦合致热器结构，确定相关参数，进行三维建模和仿真，针对仅加热工况和同时储放热工况，完成对新型相变熔盐储热系统的电磁场、温度场建模与仿真，验证新型熔盐相变储热系统加热熔盐的高效性。　　基于新型熔盐相变储热系统的电磁场、温度场建模与仿真结果，对比分析不同截面下熔盐温度分布云图，研究新型致热器中磁场分布、热密度分布规律，据此将相变熔盐划分为十个不同的代表性区域，并选取了相应的最优温度传感器测温点，分别在横向、纵向上探究熔盐储热工况和熔盐同时储放热工况两种工况下多温度传感器的测温规律，通过对比各温度传感器温度测量值与区域内相变熔盐平均温度的相对偏差大小，总结出一种针对新型熔盐相变储能系统的熔盐储热量计量多传感器测点优化布局方案。　　实现熔盐储热罐在高效储热的同时进行高效供热，形成以相变熔盐储热技术为核心，以电磁耦合致热为手段，以高效储热高效换热为成果的高效熔盐相变储能系统。

关键词： 拉丝模具   中大孔径   温度场   电磁场   CVD金刚石涂层  

摘要： 中大孔径CVD金刚石涂层拉丝模具是现代加工生产中金属管材拉拔加工的重要用具。由于工艺的局限性,针对中大孔径模具的金刚石膜沉积问题,目前国内学者提出的鼠笼式HFCVD法以及直流电弧等离子体喷射法均难以满足拉丝模具现代规模化生产的需求。基于此,本课题在传统CVD工艺上进行改进,提出通过热丝阴极CVD法来完成中大孔径模具内孔金刚石涂层的制备。本文主要的工作及成果如下: （1）在原HFCVD沉积设备基础上,对实验装置进行了改良设计。完成了反应室、热丝阴极、阳极等部件的结构设计,并确定了热丝材质以及热丝阵列基本结构。 （2）基于仿真软件Comsol Multiphysics,对拉丝模具内孔温度场与电磁场进行了仿真分析。通过对比两种热丝排布方案的仿真结果,确定了平行排布更适合热丝阴极CVD法金刚石涂层的制备。设计了L18（3～7）正交实验,对热丝直径、热丝根数等参量进行仿真优化,得出了最优的一组参数组合。对热丝阴极发射的热电子轨迹进行了追踪模拟,确定了满足热丝阴极CVD法金刚石沉积要求的最低阴极电势绝对值。此外,还得出了阴极电势对模具中央区域电场强度及能量密度的影响规律。 （3）以负偏压电场下阴极电势为单因素设计并完成了三组实验。通过金刚石涂层成分、形貌分析验证了温度场仿真优化的准确性,并得出了以下结论:随着阴极电势数值绝对值的增大,金刚石纯度越高、沉积速率越快、晶粒尺寸越大。 （4）对中大孔径拉丝模具金刚石涂层进行了抛光实验,在阴极电势-120V电场作用下制备的金刚石涂层与没有负偏压电场作用制备的金刚石涂层相比与衬底的结合程度更好,且经过固结磨料线抛光以及游离磨料半精抛,使金刚石涂层粗糙度满足实际生产的工艺需求。另外,还完成了金刚石膜的结合力及硬度测试。

关键词： 工程电磁场   课程思政   思政元素   教学改革  

摘要： 专业课是大学生人生观、价值观形成阶段的重要载体。本文围绕工程教育专业认证背景下“工程电磁场”课程融入思政教育的教学改革进行研究和探索。首先分析了课程思政现状与思政元素的挖掘方式，然后重点针对课程的教学内容与教学方式设计典型教学案例，最后提出了对融入思政教育的课程考核方式的改进措施。上述研究为本课程实施全过程思政教育融合的教学方式奠定了基础。

关键词： 交流电磁场检测技术   裂纹尺寸   量化反演  

摘要： 本文针对被检工件表面的裂纹尺寸量化反演问题，在分析交流电磁场检测（ACFM）检测信号的影响因素基础上，构建裂纹尺寸量化反演的数学模型。为使算法更接近实际，搭建实验平台，利用实验数据得到裂纹尺寸与磁场信号特征值回归方程，运用最小二乘法对数据进行拟合得到裂纹尺寸与检测信号的函数关系。在考虑影响因素的基础上进行修正，实验验证结果表明该算法长度和深度反演精确度分别达到97%和92.5%，为金属表面裂纹尺寸量化提供了可靠的方法。

关键词： 压裂监测   电磁场   有限元   正演模拟   响应规律  

摘要： 随着页岩气、致密油等非常规油气资源的开发,压裂技术在油气勘探开发中得到了广泛应用,压裂效果的监测和评价显得日益重要。然而,传统的压裂监测方法(如测井、微地震、示踪剂等)都具有精度不高、有效性差、无法实时监测等诸多局限,因此新型电磁压裂监测技术应运而生。该技术基于电磁感应探测原理,可以实现对压裂作业中压裂效果的实时监测,为压裂的施工优化提供科学依据。 本文在探索电磁压裂监测的基本原理和测量方法基础上,使用有限元法对井-地电磁压裂监测响应进行了正演模拟研究。具体方法是:构建包含地层、金属套管井、压裂形成的高导异常体、地面电磁激励源在内的模型并设定不同的敏感参数,从求解麦克斯韦方程组出发,模拟计算电磁场在地面上测点的电场分量信号和磁场分量信号的特征及其影响因素,分析电磁响应变化规律,探索地面上监测电磁信号的接收方法,验证电磁压裂监测技术的可行性和有效性。 正演模拟结果表明,当埋深与水平距离增加时,所有信号强度均随之减小;而增大工作电流强度时,信号接收强度也随之增强;异常体电导率及压裂体积越大,电信号强度越小而磁信号强度越大。此外,本文还对不同磁场分量信号进行了比较分析,发现磁场分量对电磁压裂监测信号具有较好的灵敏度和分辨率,可更好地用于对压裂过程的监测和诊断。本文的正演模拟研究,为电磁压裂监测技术的仪器装备研发和优化现场数据采集提供了理论依据。