长沙理工大学学报(自然科学版)
  • 2022年第19卷第3期文章目次
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    • >新能源与储能
    • 热储能技术及其工程应用

      2022, 19(3):1-19. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.001

      摘要 (215) HTML (0) PDF 5.73 M (458) 评论 (0) 收藏

      摘要:对热储能技术目前的发展现状及前景分别做了较全面的总结和分析。概述了热储能技术的原理、基本要求和特点;总结了热储能的关键技术,包括热储能材料物性优化技术、热储能传热强化技术、热储能材料制备技术以及热储能系统控制与优化技术;分析了热储能技术在电源侧、电网侧和用户侧的需求,并对其技术可行性和经济性进行了评估;最后,根据热储能技术应用场景的不同,总结了中高温热储能技术和低温热储能技术的工程应用,包括太阳能光热电站、电力调峰、工业余热回收、太阳能跨季节利用、冷链运输、储冷空调、冰箱冷藏以及人体/建筑智能调温。本文可为本领域后续研究工作的开展提供一定的参考。

    • 碳化铬作为催化剂在全钒液流电池中的应用研究

      2022, 19(3):20-30. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.002

      摘要 (117) HTML (0) PDF 4.66 M (304) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】目前,石墨毡电极因其低廉的成本和优良的催化性能被广泛应用于全钒液流电池中,但较差的亲水性和较低的化学稳定性限制了其发展。为了提高石墨毡电极的性能,使用引入催化剂的方法对石墨毡电极进行改性。【方法】使用Cr3C2作为全钒液流电池VO2+/VO+2氧化还原电对的正极催化剂;通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能量色散X射线谱对Cr3C2进行表征;并对改性后的电极进行电化学测试和充放电测试。【结果】Cr3C2的加入能够有效提高电极的电化学活性。在电化学测试中,Cr3C2在VO2+/VO+2氧化还原过程中表现出良好的电化学活性和可逆性。在充放电测试中,改性电池在50次充放电循环后的放电容量为92.1 mA·h,比空白电池的大了17.1 mA·h。改性电池循环后的电压效率达到了8614%,大于空白电池的80.84%。【结论】Cr3C2是一种能提高全钒液流电池电化学性能的、有前途的正极催化剂。

    • PEMFC环境下氮化物涂层的耐蚀和导电性能研究

      2022, 19(3):31-39. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.003

      摘要 (106) HTML (0) PDF 1.34 M (293) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】揭示氮化物涂层在质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)环境中潜在的应用价值,阐明其耐蚀和导电机制。【方法】采用等离子体气相沉积技术在SS304不锈钢表面制备氮化物涂层,利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能量色散X射线谱(X-ray energy dispersive spectrum,EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等微观手段对氮化物涂层的形貌和组织结构进行表征,通过电化学测试和界面接触电阻测量等手段评价涂层的耐蚀性和导电性。【结果】氮化物涂层均匀致密,与基体结合紧密,具有一定的疏水性,有效提高了不锈钢基体在酸性溶液中的耐蚀性,使得不锈钢基体的自腐蚀电位升高了187 mV。在酸性溶液的浸泡下,氮化物涂层的开路电位始终比基体的高,且腐蚀前后氮化物涂层都保持着良好的导电性,其界面接触电阻都比基体的低。【结论】施加氮化物涂层的SS304不锈钢的导电性和耐蚀性明显比基体的好,这与氮化物涂层本身具有良好的化学稳定性有关。

    • MoSx/Ti3C2Tx复合材料的制备及其析氢催化性能研究

      2022, 19(3):40-49. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.004

      摘要 (68) HTML (0) PDF 2.64 M (181) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】制备MoSx/Ti3C2Tx复合材料,并研究其析氢催化性能。【方法】以四硫代钼酸铵和Ti3C2Tx-MXene纳米片为前驱体,采用湿化学法制备MoSx/Ti3C2Tx复合材料。利用X射线光电子能谱、X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对MoSx/Ti3C2Tx复合材料进行表征,通过电化学方法研究MoSx/Ti3C2Tx复合材料的析氢催化性能。【结果】复合材料中的MoSx为非晶态结构,MoSx纳米颗粒均匀分散在Ti3C2Tx纳米片表面;MoSx/Ti3C2Tx复合材料在电流密度为10 mA/cm2时的过电势仅为207 mV,Tafel斜率为46 mV/dec;经过1 000次循环伏安测试后,该复合材料达到10 mA/cm2的电流密度所需过电位仅增加了7 mV;非晶态MoSx与Ti3C2Tx之间存在强相互作用,显著提高了MoSx/Ti3C2Tx复合材料的导电性,增加了活性位点的数量,复合材料表现出优异的催化活性。【结论】以四硫代钼酸铵和Ti3C2Tx-MXene纳米片为前驱体,采用湿化学方法可制备作为电催化剂的MoSx/Ti3C2Tx复合材料,该复合材料具有优异的催化活性和良好的循环稳定性。

    • >路基工程
    • 纳米碳化硅改性沥青的抗老化性能及机理研究

      2022, 19(3):50-58. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.005

      摘要 (76) HTML (0) PDF 1.11 M (288) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究纳米碳化硅(SiC)改性沥青的抗老化性能及其微观机理。【方法】采用旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT)和压力老化试验(PAV)对A-70#基质沥青和掺入质量分数分别为3%、6%、9%纳米碳化硅的改性沥青进行短期及长期热氧老化,对老化前后的沥青进行传统物理性能试验、动态剪切流变试验(DSR)、弯曲梁流变试验(BBR)及傅里叶红外光谱试验(FTIR)。【结果】物理性能老化指数与流变老化指数结果一致,表明纳米碳化硅改性沥青的最佳掺量为6%。【结论】纳米碳化硅的掺入可以提高沥青的高温稳定性以及抗老化性能,却对低温抗裂性能不利。纳米碳化硅能够有效抑制老化过程中羰基、亚砜基官能团的生成,阻止沥青进一步老化硬化。

    • 矿料级配与沥青对薄层罩面路用性能的影响

      2022, 19(3):59-68. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.006

      摘要 (87) HTML (0) PDF 1.10 M (174) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探寻影响薄层罩面路用性能的因素,补充现有研究的不足。【方法】从矿料级配类型及沥青种类两个方面对薄层罩面路用性能展开研究。选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)及废旧胎粉对70#A级道路石油沥青进行改性,并以PG76高温失效度为标准,确定不同改性剂的掺量;选用AC-10C、SMA-10、UTL-10 三种矿料级配的沥青混合料针对不同沥青种类进行配合比设计及高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害、抗剪强度及抗拉拔强度等路用性能的研究。【结果】SBS、废旧胎粉及SBS+废旧胎粉的掺量分别为4.5%、15.0%、2.0%+10.0%;结合料均为废旧胎粉改性沥青时,SMA-10沥青混合料除水稳定性能外,其他路用性能均比AC-10C、UTL-10 两种沥青混合料的好;矿料级配类型均为SMA-10时,SBS改性沥青薄层罩面的路用性能均比废旧胎粉及SBS+废旧胎粉改性的薄层罩面的好。【结论】掺入SBS改性剂的SMA-10薄层罩面的整体路用性能最优。

    • >土木与水利工程
    • 超大深基坑开挖变形演化规律及优化设计

      2022, 19(3):69-77. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.007

      摘要 (110) HTML (0) PDF 1.37 M (909) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究复杂环境下超大深基坑开挖变形演化规律,并对支护结构进行优化设计。【方法】依托广州地铁11号线基坑工程,利用有限差分软件FLAC3D对基坑开挖工程中支护结构的水平位移及周围土体地表沉降的变化规律进行研究,并通过分析地下连续墙的厚度、嵌固深度及支撑层数对基坑变形的影响,对基坑支护结构进行优化,对优化前后支护结构的支护效果进行对比分析。【结果】各工况下基坑周围土体的地表沉降呈先增大后减小的趋势,且最大沉降发生在距基坑边缘150 m的位置;不同嵌固深度下地下连续墙水平位移的变化趋势和基坑周围土体地表沉降的变化趋势基本相同;地下连续墙厚度的改变对其水平位移和基坑周围土体地表沉降的影响不明显;支撑层数的增加可显著减小基坑地下连续墙的水平位移及周围土体的最大地表沉降;支护结构优化后,基坑开挖引起的周围土体的最大地表沉降减小了2388%,地下连续墙的最大水平位移减小了1919%。【结论】在设计同类型基坑时应重视支撑层数的选取,必要时可适当减小支护结构的厚度。

    • 基于改进条件概率法的服役结构可靠性研究

      2022, 19(3):78-86. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.008

      摘要 (67) HTML (0) PDF 1.02 M (260) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探讨传统可靠度计算方法不适用于服役结构可靠性分析的问题。【方法】对相关变量进行截尾处理并考虑结构承受的验证荷载的作用,提出了改进条件概率法。利用改进条件概率法对某服役混凝土重力坝的典型非溢流坝段的结构可靠度进行分析,并考虑结构抗力和荷载时变模型,计算了大坝坝基面抗滑稳定的动态可靠度。【结果】大坝坝基面的抗滑稳定可靠度随着服役时间的增长而降低,同时考虑验证荷载的影响对结构可靠度指标具有一定的提高作用。【结论】由于改进条件概率法考虑了验证荷载的影响并对相关变量进行了截尾处理,其计算结果比经典的可靠度计算方法的计算结果更加符合工程实际情况,为预测服役工程的剩余寿命提供了参考。

    • >管理科学与工程
    • 不同服务水平下车辆汇入行为差异的研究

      2022, 19(3):87-95. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.009

      摘要 (72) HTML (0) PDF 935.90 K (262) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探索不同服务水平下车辆汇入行为的差异。【方法】采用无人机拍摄城市快速路合流区车辆的汇入过程,追踪838辆车的轨迹,获取4种服务水平下车辆的汇入起始位置、速度和最大加速度等汇入运动特征的数据,分析不同服务水平下车辆汇入行为的差异。【结果】不同服务水平下车辆汇入起始位置的概率分布有明显差异。一级和二级服务水平下,车辆可在加速车道上正常加速,但服务水平达到三级和四级时,车辆的汇入速度低于匝道限速;一级和二级服务水平下,车辆的最大加速度均值比在三级和四级服务水平下的高出了10%~30%;三级和四级服务水平下,在汇入前有明显的减速行为车辆的比例是一级和二级时的2~4倍。【结论】研究结果可为城市快速路设计服务水平的选择以及合流区交通组织优化设计提供参考。

    • 地方政府债务对农村公路建设的影响研究——基于省级面板数据回归分析

      2022, 19(3):96-103. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.010

      摘要 (56) HTML (0) PDF 1003.29 K (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究地方政府债务对农村公路建设的影响。【方法】基于省级面板数据,构建地方政府债务对农村公路建设影响的基准模型;通过时间-地区双固定效应回归分析,考虑不同地区异质性之间的相关性,基于非线性相关控制因素构建面板门限模型,并进行门限回归分析。【结果】地方政府债务规模与农村公路建设水平之间呈负相关关系,地方政府债务对农村公路建设的影响在东、中及西部地区之间存在差异,西部与中、东部地区相比,负影响更为显著。经济发展水平对农村公路建设具有单一门限效应,可以减缓地方负债对农村公路建设的负影响,经济发展水平较发达的地区对地方负债的承受能力更强。【结论】鉴于目前地方政府的债务压力和农村公路的建设现状,西部地区的地方政府更应合理地控制债务、构建多元化的融资模式。

    • >电气、机械与动力工程
    • 高压交流输电线路故障行波定位技术综述

      2022, 19(3):104-121. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.011

      摘要 (109) HTML (0) PDF 1.23 M (592) 评论 (0) 收藏

      摘要:行波定位技术可根据系统高压交流输电线路发生故障时采集到的时间信息进行快速、准确地故障定位,由于其定位精度高,因而受到广泛的关注。首先,分别从行波信号的精确检测、高精度同步时钟技术、故障定位算法以及工程实践等方面介绍了国内外行波定位技术的发展历程;然后,介绍了单端行波定位、双端行波定位以及网络行波定位方法的工作原理及各自的优缺点,分析了传统行波定位研究尚存的主要技术问题,并提出了相应的解决思路;最后,对行波定位技术的发展前景进行展望,以期为后续的研究提供参考。

    • 基于改进的Smith预估器的长时滞系统控制

      2022, 19(3):122-128. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.012

      摘要 (109) HTML (0) PDF 1.59 M (351) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】解决长时滞控制系统中普遍存在的响应延时问题,改善长时滞系统的性能。【方法】基于自动控制原理及反馈控制理论,建立长时滞系统模型;对Smith预估器进行细致研究,对其内部滤波器及控制器进行相应的改进。【结果】改进后的Smith预估器缩短了长时滞控制系统的响应时间,提高了整个控制系统的鲁棒性和抗干扰性;相比于其他传统控制系统,新的控制系统具有明显的优势。【结论】改进的Smith预估器降低了时滞现象对于控制系统的影响,为长时滞系统的控制提供了新的解决思路。

    • >人居环境
    • 基于感知维度的城市生态公园设计研究

      2022, 19(3):129-136. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.013

      摘要 (88) HTML (0) PDF 2.02 M (355) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】从城市感知维度出发,对感知、功能等要素进行提炼与分析,挖掘城市公园感知设计路径。【方法】基于感知维度的背景,以长沙市联江公园设计为例,对城市生态公园的建设与发展展开研究。通过感知层次分析法,分析生态公园的功能需求,得到适宜的发展思路,从而促进人与生态环境和谐共生。【结果】以线性联动为设计方法,通过对联江公园生态、文化、体验感知的系统分析,构筑起“联山、联水、联城”的城市生态公园发展体系。【结论】本研究得到的感知体验与场所活力的关联要素可为城市生态公园的感知设计提供方法与思路,从而助力国内城市生态公园的建设发展与统筹规划。

    • 钢渣重金属元素的浸出行为与生态风险评估

      2022, 19(3):137-148. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.2022.03.014

      摘要 (84) HTML (0) PDF 1.54 M (310) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】评估钢渣在堆放或作为路基回填料时,重金属元素的浸出行为和潜在生态风险。【方法】采用长期浸出试验,研究3种粒径的江西萍钢钢渣重金属元素Fe、Mn、Zn、Cu、Cr在pH分别为3.2、4.2、7.0的3种浸取剂浸泡下的浸出行为和质量浓度,并计算重金属元素的潜在危险系数。【结果】浸取剂的pH及钢渣的粒径越小,浸出液中重金属元素的质量浓度越大,Fe的质量浓度在14 d达到峰值,Mn、Zn、Cu、Cr的质量浓度则随浸泡时间的延长持续增大;钢渣重金属元素的质量浓度没有超过文献[19]规定的限值,但在pH=3.2和pH=4.2浸取剂的浸泡下,其质量浓度超过了我国标准中Ⅰ类地表水规定的限值。【结论】萍钢钢渣不具有浸出毒性特征,但钢渣浸出液致使周围的水资源存在重金属污染的潜在生态风险。

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