DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 理论基础 2.1. 低维材料稳定存在性准则 设 Φ 为晶体的总原子势能，k和T分别为波尔兹曼常数以及热力学温度， Z v 是与晶格震动有关的配分函数，则晶格自由能可表示为： F = Φ − k T ln Z v . 要使体系稳定，我们需要F处于极小值，当T足够小时，只需 Φ 取得极小值，而 Φ = 1 2 ∑ i N ϕ i ( { r } ， { cos θ } ， { cos φ } ) ， 其中 ϕ i = ∑ s ∑ k ， l ≠ i ， j ϕ i s ( r s ， cos θ i j k ， cos φ i j k l ) + ∑ L = 2 m ∑ L ϕ i L ( r L ) . 由原子势函数极值条件，可得原子势函数关于结构变量偏导的限制条件： ( ∂ Φ ∂ r ) 0 = 0 ，   ( ∂ Φ ∂ θ i j k ) 0 = cos s t ，   ( ∂ Φ ∂ φ i j k l ) 0 = cos s t ， 下标“0”表示偏导的取值是在平衡态。晶体结构图和字母表示意义如图1。 图1. 晶体结构示意图 N：总原子数； Φ i ：原子i具有的势能； { r } ：所有键长的集合； { cos θ } ：所有键角的集合； { cos φ } ：所有扭转角的集合； { ϕ i S } ：最近邻相互作用； { ϕ i L } ：第L近邻相互作用； r S ：最近邻原子间距； r L ：第L近邻原子间距； θ i j k ：两相邻键 r i k 和 r i k 的夹角； φ i j k l ：原子平面ijk和平面ijl的二面角； m：表示第m近邻为做大作用距离。 根据以上条件，我们可以求得允许存在的低维结构。 接下来，确定所允许的低维结构的力学稳定性条件。Born在文 [ 17 ] 中指出，晶格的不稳定(熔化)主要是由宏观(力学)不稳定造成的，对于低维材料，通过应变 ε 和曲率 κ 可以确定形变原子势能。 文 [ 10 ] 中指出，根据低维材料的力学稳定性条件，可得低维材料稳定存在的条件是形变原子势二次型的是正定的，从而二次型的矩阵M是正定的，矩阵M的元素具体表达式为： Φ e α β ， e γ δ = ( ∂ 2 Φ ∂ e α β ∂ e γ δ ) 0 ， 其中 e α β ， e γ δ 均表示为 ε 和 κ 的任意分量，具体地 Φ e α β ， e γ δ = 1 2 [ ∑ l = 1 m ∑ l ∂ ϕ i l ∂ r l ∂ 2 r l ∂ e α β ∂ e γ δ + ∑ S ， θ ∂ ϕ i S ∂ cos θ ∂ 2 cos θ ∂ e α β ∂ e γ δ + ∑ S ， φ ∂ ϕ i S ∂ cos φ ∂ 2 cos φ ∂ e α β ∂ e γ δ     + ∑ l = 1 m ∑ l ∂ 2 ϕ i l ∂ r l 2 ∂ r l ∂ e α β ∂ r l ∂ e γ δ + ∑ S ∑ θ ， θ ′ ， θ ≠ θ ′ ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ ∂ cos θ ′ ∂ cos θ ∂ e α β ∂ cos θ ′ ∂ e γ δ     + ∑ S ∑ φ ， φ ′ ， φ ≠ φ ′ ∂ 2 ϕ i S ∂ cos φ ∂ cos φ ′ ∂ cos φ ∂ e α β ∂ cos φ ′ ∂ e γ δ + ∑ s ， θ ∂ 2 ϕ i S ∂ r s ∂ cos θ ( ∂ r s ∂ e α β ∂ cos θ ∂ e γ δ + ∂ r s ∂ e γ δ ∂ cos θ ∂ e α β )     + ∑ s ， φ ∂ 2 ϕ i S ∂ r s ∂ cos φ ( ∂ r s ∂ e α β ∂ cos φ ∂ e γ δ + ∂ r s ∂ e γ δ ∂ cos φ ∂ e α β )     + ∑ s ， θ ， φ ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ ∂ cos φ ( ∂ cos θ ∂ e α β ∂ cos φ ∂ e γ δ + ∂ cos θ ∂ e γ δ ∂ cos φ ∂ e α β ) ] 0 . 2.2. 矩阵理论 定义1 [ 18 ]：若实数域上的n元二次型 f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n ) = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n a i j x i x j ( a i j = a j i ) = X T A X 是正定二次型，则称A为正定矩阵．其中 A = ( a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a n 1 a n 2 ⋯ a n n ) ，   X = ( x 1 x 2 ⋮ x n ) . 定义2 [ 18 ]：子式 P i = | a 11 a 12 ⋯ a 1 i a 21 a 22 ⋯ a 2 i ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a i 1 a i 2 ⋯ a i i | ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n ) 称为矩阵 A = ( a i j ) n n 的i阶顺序主子式。 定理1 [ 18 ]：设A是n阶实对称矩阵，则A是正定矩阵的充要条件是A的顺序主子式全大于零。 推论1 [ 18 ]：实对角矩阵 ( d 1 ⋱ d n ) 是正定矩阵的充分必要条件是 d i > 0 ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n ) . 推论2：实分块对角矩阵 ( D 1 0 0 D 2 ) 是正定矩阵的充分必要条件是矩阵 D 1 ， D 2 正定。
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user: 3. 主要结论 利用上述方法结论，我们分别讨论直单元素一维材料和平单元素二维材料的稳定存在性准则，以下总假设所有的键长都相等，并且不考虑边界效应。 此时应变和曲率在能量上是解耦的，则矩阵M为分块对角阵，设为 M = N [ C 0 0 D ] ， 其中矩阵C和D的元素分别为 Φ ε α β ， ε γ δ 和 Φ κ α β ， κ γ δ 。 3.1. 直单元素一维材料的稳定存在条件 由于直链状态下扭转项可忽略，如图2，根据总原子势能的极值条件有 ( ∂ Φ ∂ r ) 0 = 0 ， ( ∂ Φ ∂ θ ) 0 = ( ∂ Φ ∂ cos θ ) 0 ( − sin θ ) θ = π = 0 恒成立，所以 ( ∂ Φ ∂ cos θ ) 0 取值无限制。 图2. 直链结构示意图 形变原子势二次型的矩阵 M = N [ C 0 0 D ] ，此时C和D退化为标量， 根据推论1，M正定只需要 C > 0 ， D > 0 ，所以直单元素一维材料稳定存在的条件为： C > 0 ， D > 0. 根据碳原子的REBO势函数 [ 19 ] [ 20 ]，有 [ ∑ l = 1 m ∑ l ∂ 2 Φ i l ∂ r l 2 r l 2 ] 0 = 54.34   eV / Å 2 > 0 ，   [ ∂ ϕ i S ∂ cos θ r 0 3 − 1 48 ∑ l = 1 m ∑ l ∂ ϕ i l ∂ r l r l 3 ] 0 = 1.14   eV ⋅ Å 2 > 0 ， 所以单原子碳链能稳定存在。 3.2.平单元素二维材料的稳定存在条件 根据总原子势能的极值条件，考虑到晶格结构的平移对称性，平单元素二维材料有三种可能的结构，包括蜂窝结构，正方结构，三角结构。我们只考虑蜂窝结构，如图3，其他两种结构可以类似讨论。 形变原子势二次型的矩阵 M = N [ C 0 0 D ] ，此时M是分块对角阵，由推论2可知M正定等价于C和D都正定。 设 C = [ C 11 C 12 0 C 21 C 22 0 0 0 C 33 ] ，   D = [ D 11 D 12 0 D 21 D 22 0 0 0 D 33 ] ， 图3. 蜂窝结构 其中 C 11 = C 22 ， C 12 = C 21 ， 根据定理1，C正定需要其顺序主子式都大于0，可得 C 11 > 0 ;   C 11 C 22 − C 12 C 21 = C 11 2 − C 12 2 = ( C 11 + C 12 ) ( C 11 − C 12 ) > 0 ;   C 33 > 0. 从而只需满足 C 11 + C 12 > 0 ，   C 11 − C 12 > 0 ，   C 33 > 0. 根据文 [ 10 ] 可得 C 11 = C 22 = 9 16 ( ∂ 2 Φ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + 1 32 B ，   C 12 = C 21 = 3 16 ( ∂ 2 Φ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 − 1 32 B ，   C 33 = 3 4 ( ∂ 2 Φ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + 1 8 B . 其中 A = 36 ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 + 54 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ 2 ) θ = 2 π 3 − 27 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ ∂ cos θ ′ ) θ ， θ ′ = 2 π 3 − 8 ∑ S ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 r 0 ) 0 r S ( n x S ) 3 36 ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 + 54 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ 2 ) θ = 2 π 3 + 36 r 0 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 − 27 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ ∂ cos θ ′ ) θ ， θ ′ = 2 π 3 + 4 ∑ l ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 r S 2 ( n x S ) 2 B = 9 ( 1 − A ) 2 [ 4 ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 + 6 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ 2 ) θ = 2 π 3 − 3 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos θ ∂ cos θ ′ ) θ ， θ ′ = 2 π 3 ]     − 36 r 0 ( 1 − A 2 ) ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 + 4 [ A 2 ∑ l ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 r S 2 ( n x S ) 2 ] 0     − 16 [ A ∑ l = o d d m ∑ S ( ∂ ϕ i l ∂ r l − ∂ 2 ϕ i l ∂ r l 2 r l ) 0 r l ( n x l ) 3 ] 0 ， D 11 = D 22 = 3 8 r 0 2 [ 3 ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 − 14 ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 ] ， D 12 = D 21 = 3 8 r 0 2 [ 3 ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 + 2 ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 ] ， D 33 = − 12 r 0 2 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 . 带入得 C 11 + C 22 = ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 ， C 12 − C 21 = 3 8 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + 1 16 B ， C 33 = 3 4 ( ∂ 2 Φ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + 1 8 B ， 所以矩阵C正定需要满足的条件为： ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 > 0 ， 6 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + B > 0. 同理矩阵D正定需要满足的条件为： ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 − 2 ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 > 0 ， ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 < 0. 所以平单元素二维材料稳定存在的条件为： ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 > 0 ， 6 ( ∂ 2 ϕ i S ∂ r S 2 ) 0 r 0 2 + B > 0 ， ( ∂ ϕ i S ∂ cos θ ) θ = 2 π 3 − 2 ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 > 0 ， ( ∂ ϕ i S ∂ cos φ ) φ = 0 < 0. 利用碳原子REBO势，硅和锗的Tersoff势的结论 [ 21 ] 可知碳元素的平面蜂窝结构满足上述条件，所以是稳定存在的，比如众所周知的石墨烯。而硅和锗的平面蜂窝结构不满足上述条件，所以是不能稳定存在的。
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user: 4. 结语 本文建立了一种基于矩阵理论的低维材料稳定存在性准则，利用这个准则推导出直单元素一维材料和平单元素二维材料稳定存在的条件，与现有结果一致。利用这个准则可以继续进行低维材料的结构预测和分子设计，预测具有独特结构与性能的新型低维材料，为新材料的研发提供新的思路。结构预测与设计作为材料研究与发展的重要内容之一，对低维纳米材料的研究具有重要的意义，通过从结构预测到目标设计，可以揭示低维纳米材料中“结构”与“性能”之间的关系，寻找具有特定结构、特殊功能的新型低维纳米材料。
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user: 摘 要 分析现有船舶与海洋工程专业建设现状与趋势，分析研究新时代新工业形式下，地方高校船舶与海洋工程教育体系与新经济新产业需求的发展难以匹配现状。结合江苏海洋大学主要服务地方经济社会发展，以“船舶与海洋工程专业”为研究和试点对象，探索多学科深度交叉融合、多元协同、有效适应的应用型船舶与海洋工程人才培养模式。包括：观念先导、师资建设、学科建设、人才培养等专业内涵建设内容。以观念更新为先导，探索多学科交叉融合的师资建设、学科建设新思路。从多学科交叉融合的角度出发，探索地方高校船舶与海洋工程人才培养的新体系。从服务地方区域经济发展需求出发，探索多学科交叉融合的船舶与海洋工程专业建设。 关键词 :多学科交叉融合，船舶与海洋工程，专业建设 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 现状与趋势 随着当前科学技术的迅猛发展和不断进步，学科专业发展不仅高度分化而且高度融合，形成学科交叉、融合、汇聚和学科分化共同并行发展。学科交叉与融合，乃至重构变成“常态”，科技发展、范式变迁、认识拓展、知识累积等因素均对学科交叉融合发生影响和作用，社会的需求是推动学科发展与进步的主要源动力。当前，学科互涉、学科交叉、跨学科研究、交叉学科建构等学科融合的重要性在高等教育界已达成共识 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。因此聚焦地方高校培养应用型船舶与海洋工程专业人才、服务区域经济社会发展这一根本目的，探索多学科深度交叉融合、多元协同、有效适应的应用型船舶与海洋工程人才培养模式具有实际意义 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。 预计在未来几年，在“新工科”建设与发展的基础上，我国高等工程教育必然会做出更多有意义的探索和实践，以打破“学科壁垒”，“宽化工程人才”的知识体系、消除专业藩篱，拓展工程人才的大工程观、校企协同，畅通船舶与海洋工程技术人才的市场匹配。庞大体量的地方高校在“新工科”建设背景中如何定位，如何把握“地方属性”，服务地方经济社会发展，如何培养工程技术应用型人才，如何面向产业新形势开展技术研发等等，所有这些问题的研究对于我国经济社会发展和地方高校转型都具有十分重要的意义。
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user: 2. 专业内涵建设 专业内涵建设包括：观念先导、师资建设、学科建设、人才培养等内容。如图1所示。以课程体系建设为基础，以学科建设为龙头，以人才培养为重点，以专业师资队伍建设为依托，实践资源共享体制和运行机制为保障，统筹规划、整体推进。 图1. 专业内涵建设体系 新时期，专业建设应与时俱进，树立多学科交叉融合的观念、新工科观念、工程教育认证“以学生为中心、以成果为导向”等观念。地方高校的专业建设要紧紧围绕地方转变经济发展方式需要，不断加大调整和发展力度。学科建设包含三要素：一是构成科学学术体系的各个分支，二是在一定研究领域生成的专门知识，三是具有从事科学研究工作的专门的人员队伍和设施。长期以来，往往会混淆学科和专业的概念，专业通常被等同于二级学科。在此观念下，高校中必然出现三种表现，第一种是学科之间各自独立分割，资源不能共享的现象。而体现在人才培养方面，则是过于专门化，知识面窄。第三种是在科研方面，研究方向狭窄、整体效益低下等。所以有些名牌大学采取了或精减、或合并专业的举措，并强化大学科、学科群的意识。 新时代新要求，专业师资队伍建设要从以下五方面着手。第一，确保教师数量满足教学需要，师资结构合理，在实践教学中应有企业专家、行业专家作为兼职教师。第二，专业教师的教学水平、专业能力、工程经验、沟通能力、职业发展能力等足备，此外，还需要能够开展工程实际问题研究、参与国内外学术交流。第三，保障本科教学和学生指导，教师要有足够时间、精力投入其中，并积极开展教学研究和改革。第四，专业教师既要为学生提供学业中的咨询、指导、答疑，还要对学生的职业生涯规划、职业从业教育方面有足够的引导。第五，专业教师首先要明确自身在教学质量提升过程中的责任，进而不断改进工作作风和提高能力水平。 人才培养是专业建设的重点。人才培养模式包含“培养目标和规格，为实现一定的培养目标和规格的整个教育过程，为实现这一过程的一整套管理和评估制度，以及与之相匹配的科学的教学方式、方法和手段”四层含义。江苏海洋大学坚持以人才培养为中心，努力为地方经济社会发展培养上手快、后劲足、具有社会责任感、创新精神和实践能力、适应地方经济发展和基层工作需要的应用型人才。机械与海洋工程学院不断探索多学科深度交叉融合、多元协同、有效适应的应用型船舶与海洋工程人才培养模式。一方面，加强传统船舶与海洋工程人才培养模式改革，参照工程教育认证要求，不断修订培养方案，打通机械工程、船舶与海洋工程、电子工程、计算机工程大类的选修课，并加大实践比例，提高学生上手快、后劲足的能力。另一方面，开展江苏省现代职业教育体系建设“4 + 0”试点项目，与江苏海事职业技术学院联合，开办“4 + 0”船舶与海洋工程专业班，2019年已招收第一届学生，积极探索以成果为导向、培养适应地方社会经济发展需要的人才培养模式。第三，积极申报与乌克兰船舶大学合作办学项目，探索中外合作办学的船舶与海洋工程人才培养模式。
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user: 3. 船舶与海洋工程专业建设探索 3.1. 新时代新工业形式下，地方高校船舶与海洋工程教育体系与新经济新产业需求的 发展部分不适应现状 新工业时代的特点对高等船舶与海洋工程人才提出了新的要求，包含学科交叉融合能力、工程实践动手能力、创新创业能力、自主学习能力，以及人文素养、社会责任素质等。同时，高校船舶与海洋工程教育与新经济时代不相适应的矛盾日渐凸显，特别是主要服务于地方经济社会发展的省属应用型本科院校现有船舶与海洋工程教育体系在新经济时代面向产业的开放性与融入性、适应度、支撑度等方面的不适性更为突出。所以，需要从以下六个方面开展研究，找到解决问题的办法和途径。一方面是学校发展定位与内涵发展与国家经济发展战略及产业发展需求适应性；另一方面是船舶与海洋工程人才培养体系与产业发展的适应性；第三，校企互动机制与新工业背景下的人才培养与协同创新需求的适应性；第四，建立信息融通、资源共享、合作双赢、协同发展的机制；第五，船舶与海洋工程专业发展、学科建设、科研活动有效对接产业需求的程度，并且反哺到人才培养的效果；第六，人才培养机制能否有效支撑新工科下船舶与海洋工程人才培养目标的达成和学校治理体系能否适应工程人才的培养需要等。 专业在高校的教学和建设中居于核心地位。制定科学的专业建设规划不仅十分重要，而且十分紧迫。制定专业建设规划应以专业背景分析为基础，从专业培养目标的确立，学科、课程、教材的设置，以及教学计划、师资队伍配备和实验实习基地的装备等方面，进行科学、合理的规划。教师是实现高校人才培养、科学研究和社会服务三大职能的重要资源。学科建设是内涵式发展战略的基石和平台。如何以学科建设为龙头，以专业建设为依托，以课程建设为基础，统筹规划、整体推进。是一个需要解决的问题。 3.2. 基于多学科交叉融合的视角，探索地方高校船舶与海洋工程人才培养新体系 当前，多学科交叉融合的实践主要包含四种模式：产教融合、科教融合、学科融合和创新创业融合，其中学科融合为保证，产教融合为龙头，驱动力为创新创业融合，催化剂为科教融合 [ 7 ]。多学科交叉融合、“产科学创”四位一体协同工程人才培养体系如图2所示。 产教融合的内涵是在建立产业和高校之间的信息分享、专业人才培养目标和产业发展需求的契合适应、校企深度合作、协同育人三种机制的基础上，达成基于信息融通、资源共享的产业和高校协同育人及创新体系。科教融合是通过科研与教师的“教”的融合、科研与学生的“学”的结合来实现教师对工程人才培养的有效支撑。双创融合通过建立产业预备阶段师生共建的创新创业孵化平台，产业融入过程校企共建的创新创业协同中心，产业转化之后师生为主体法人的创业运营项目等载体来支撑创新创业人才的培养。学科融合通过面向产业需求确定人才培养目标，基于人才培养目标建立多学科对专业的支撑，辅以培养大学生创新创业能力，整合多学科的人力物力资源，构建跨学科的团队和平台。 体制问题一直成为阻碍学科交叉融合的障碍之一。为适应新经济、新产业对人才的全新要求，需要弥补现有人才培养的不足，通过体制与机制创新，构建高度开放、高度交叉融合，多维协同的高等船舶与海洋工程教育新体系。而如何根据地方高校船舶与海洋工程专业培养应用型工程技术人才的定位来实施多学科交叉融合，是一个需要解决的问题。 3.3. 从服务地方区域经济发展需求出发，探索多学科交叉融合船舶与海洋工程创新人才 培养模式 实施人才强国、科教兴国战略，给高等教育带来了新的机遇与挑战。中国需要高水平大学，高校需要跨越式发展。“学科建设”是高校发展的基础，学科建设的重要内容是高层次人才培养。随着新产业时代的到来，海洋工程类企业高层次工程技术人才需求增大的同时，也对船舶与海洋工程人才提出了更高的要求。 图2. 多学科交叉融合、“产科学创”四位一体协同工程人才培养体系 地方高校要大力支持地方产业的结构调整、转型升级、以及企业技术进步等发展形势，就需要基于自身的优势、特点，培养适应新产业、新经济的应用型船舶与海洋工程技术人才，结合“新工科”理念，探索和实践多学科交叉融合的人才培养观念，构建课程交叉、主辅相宜、项目为纽带、竞赛为载体、文理渗透的人才培养新体系。一方面提升选修课地位，制定学科交叉融合的人才培养方案。树立学科与专业一体化的思想，进一步明确人才培养目标，构建多学科渗透、交叉、融合的人才培养方案，建立健全规范的专业人才培养的目标体系。此外，实现学科交叉，合理优化选修课程。另一方面，建立学科交叉课程教学体系。通过“课程群”整合课程，基于学科交叉融合合理整合课程教学内容，建立综合性交叉课程教学体系，突出课程体系中实践教学环节地位，提高学生分析问题、解决问题的能力。第三，以科研项目为桥梁，构建推进跨学科研究、打破院系界限与学科壁垒的重要载体的学科交叉融合、协同创新的平台。通过校企产学研合作、跨学科和专业合作等途径，优化、嫁接、拓宽优质工程教育资源，强化学科交叉融合、协同创新平台。第四，以学科竞赛为载体，提升创新人才培养质量。学科知识竞赛、创新创业大赛、技能竞赛等赛事是大学创新人才培养的重要载体，也是高校衡量学生创新能力、社会评价高校办学水平的重要指标之一，学科建设与学科竞赛日渐相辅相成、互助提高。目前，海洋工程类的学科竞赛大部分包含船舶、机械、材料、自动化、计算机、电子、人文等多学科知识，对培养多学科交叉融合创新人才具有十分重要的意义。第五，注重文理渗透，培养综合型创新人才。逻辑推理和抽象思维与直觉感受和形象思维的交融，是科学创造不可或缺的两只翅膀。要想培养创新型人才，就必须促进自然科学和社会科学相互交融、协调发展。
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user: 4. 结论 基于应用型本科院校主要服务地方经济社会的特点，结合培养“适应新经济形式及新产业态势”的船舶与海洋工程专业技术应用型人才的要求，从多学科交叉融合的特点出发，开展“产科学创”四位一体协同工程人才培养体系、课程体系重构，以及多学科共享实践平台的体制机制的研究，对于地方高校在新工科建设背景下，如何找准定位，聚焦地方产业当前及未来发展所需求的学科专业建设具有借鉴意义和应用推广价值。一方面，有益于探索和实践多学科交叉融合、“产科学创”四位一体协同船舶与海洋工程应用型人才培养体系；另一方面，有益于基于多学科交叉融合的船舶与海洋工程课程体系重构的思考研究；第三，有益于校内外实践资源多学科交叉融合的共享。
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user: 摘 要 在2009年Zhu和Schauz分别提出的在线列表染色中，图的列表配置是随着在线染色游戏的进行在线给出的。James Carraher，Sarah Loeb和Thomas Mahoney等人证明了在线版本的Ohba猜想的一部分。我们将这个结果推广到了多重染色中。 关键词 :多重在线列表染色，Ohba猜想 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 设G是一个图，f和g是由 映射到 的两个函数，其中对G中的任意一点v都满足 。G的一个f-列表配置是一个映射L，分配给G中的每一点v一个由 个正整数组成的集合 作为点v可以用的颜色。G的一个g-染色是一个映射S，分配给G中的每一点v一个由 个颜色组成的集合 ，使得对G中任意相邻的两点u和v都满足 。对于G的一个列表配置L，G的一个 -染色是G的一个g-染色，且对于G中每个点v都满足 。如果G有一个 -染色，就称G是 -可染的。称G是 -可选当且仅当G对于任意f-列表配置L，都是 -可染的。根据定义，我们可以得到如下结论： • 如果 ，其中b是一个常数，则 -可选就是 -可选。 • 如果 ，则 -可选就是f-可选。 • 如果 ，其中a和b都是常数，则 -可选就是 -可选。 列表染色已经有了很多广泛的研究。一般，我们称最小的使得G是k-可选的正整数k为图G的选择数，用 表示。 在本文中，我们还考虑了列表染色的另一个版本。在2009年，Zhu和Schauz [ 1 ] 介绍了由列表染色推广而来的一种染色，称为在线列表染色。在线列表染色的定义可以通过一个双人游戏来表示。 定义1：设G是一个图，f和g是两个映射 ，G的 -列表染色游戏由两个玩家组成，分别叫Lister和Painter。游戏的开始，G中的每个点v都有 个筹码。在游戏的每一轮i： Lister先从 中还没有染到 个颜色的点中选一个非空子集 ，同时， 中的每个点都将减少一个筹码；而玩家Painter将从 中选择一个独立集 ，给 中每个点染颜色i。 如果存在某个正整数m使得在游戏的第m步时，有一个点v已经没有筹码了并且这个点还没有被染到 个颜色，那么Lister赢了。 否则，也就是在某一步，每个点v都已经被染了 个颜色。这个情况，我们就称Painter赢了游戏。 如果Painter在 -列表染色游戏中有一个赢的策略，那么我们就称G是在线 -可选的。当f和g是两个常数函数 时，称G是在线 -可选的。如果 ，则在线 -可选就是在线f-可选。 我们称最小的使得G是在线k-可选的正整数k为图G的在线选择数，用 表示。根据定义我们可以知道对于所有图G，都有 且 。 Ohba [ 2 ] 在2002年提出了一个猜想，一个图G如果满足 ，则这个图就满足 。这个猜想已经被Noel，Reed和Wu [ 3 ] 证明了是正确的。 定理1：如果图G满足 ，则 。 而关于在线选择数 ，也有一个类似的猜想。 猜想1：如果图G满足 ，则 。 尽管已经有一些结果证明了存在图G满足 是在线选择数等于选择数的，但是在线版本的Ohba猜想目前还没有被证明。关于在线版本的Ohba猜想的一个弱一点的版本的猜想是存在常数 使得当 时， 。Kozik，Micek和Zhu [ 4 ] 证明了如果 ，则 。Carraher，Loeb和Mahoney [ 5 ] 证明了如果 ，则 。 定理2：如果 ，则 。 定理3：如果 ，则 。 定理4：设G是一个独立数为m的图，且 ，若 则 。 Erdös，Rubin和Taylor提出了猜想如果G是k-可选的，则G对于任意正整数m是 -可选的。然而，Zdenĕk Dvořák，Xiaolan Hu和Jean-Sébastien Sereni [ 6 ] 证明了若 ，存在图G是k-可选的，但不是 -可选的。但是这个图是不满足Ohba猜想的条件的，因此我们可以思考，在Ohba猜想的条件下，Erdös猜想是否成立。也就是，当 ，如果 ，G是否对于任意正整数m都是是 -可选的。 问题1：设G是一个简单图且 ，如果 ，G是否对于任意正整数m都是 -可选的？ 根据在线列表染色的定义，我们可以知道如果G对任意正整数m都是在线 -可选的，则G对任意正整数m都是在线 可选的。 因此对于在线列表染色，我们有类似的问题。 问题2：设G是一个简单图且 ，如果 ，G是否对于任意正整数m都是在线 -可选的？ 然而，在线版本的Ohba猜想目前还没有被证明，因此我们在弱Ohba猜想的结果上进行了推广，证明了如果 ，则G是否对于任意正整数m都是在线 -可选的。
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user: 2. 主要定理证明 在这个部分，我们将证明如果对任意正整数m，图G都是在线 列表可选的，那么我们可以通过加上一个点数有限制的独立集来构造一个对于任意正整数m都是在线 -列表可选的图。 在此之前，我们先介绍一些证明中将用到的表示方法。对于图G和图 ，将通过加上图G的点与图 的点之间的所有的边联合所获得图称为图G和图 的结合，用 表示。对于图G的任意一点v，令 ， 。 在证明主要定理之前，先介绍多重在线列表染色的一个重要性质。 定理5：对于图G中的一点v，如果 ，则G是在线 -列表可选的等价于 是在线 -列表可选的。 我们称多重在线列表染色的这个性质为退化。利用这个性质，我们希望能由一个对任意正整数m都是在线 -列表可选的图构造出一个对任意正整数m都是在线 -列表可选的图。 当我们描述两个玩家的策略的时候，称Lister标记了集合M，称Painter染了集合M中的一个独立集。 定理6：图G是一个色数为k的图，若对于任意正整数m，G都是在线 -列表可选的且 ，那么 也是在线 -列表可选的。 证明：令 ，在游戏的第i步，我们令fi(v)表示v的现有筹码数， 表示v待染的颜色数。所以， ， 。如果第i轮中，v被Lister选中，则 ，若没被Lister选中，则 。若v被Painter染色，则 ，若v没被Painter染色，则 ，根据定理5，如果 ，则我们可以把v点去掉。 记 。我们关注游戏过程中对于T中的点v， 的值。若 ，则点v在之后的游戏中就可以忽略不计。 若 ，根据定义我们可以知道对于每个点v，游戏每进行一轮， 的值都不会减小。尤其，如果某一回合点v没有被Lister选中而点v的邻居被Painter染色，则 的值至少减少1。因此，当某一回合点v遇到这种情况时，我们就称点v赚到了一次。 记 ，且 。我们要证明 是在线 −列表可选的，也就是要证明在 的在线 −染色游戏中，Painter有一个赢的策略。 我们用 表示Painter在G的 −在线染色游戏中用的策略。Painter在 的在线 −染色游戏中，除了有m次的特殊回合出现的时采用其他策略外，其他的回合仍按照策略 进行染色。 Painter采取的策略是：每次都根据策略 选择 中的点染，除非情况(*)发生： 中的每个点都已经至少赚了 次，其中 。 当(*)发生的时候，Painter染 否则，Painter将根据策略 染 。 下面我们证明该策略是Painter的一个赢的策略。假设Painter使用该策略，Lister赢得游戏。 首先我们证明情形(*)至多发生了 次。 假设情形(*)发生了m次，发生在游戏的第 轮，第 轮，...， 轮。记第i轮时，Lister选取的顶点的集合为 ，Painter染色的顶点集为 。令 对任意 ， ，根据定义，x至少赚了 次机会，而由于当x没有赚到时，即因为它被Lister选中了，因此x至多被Lister选中了 次。即有 。 根据定义， 因此 。 根据情形(*)的定义，对 ，有 且有， 所以 包含 。即 中的顶点在第 轮均已染色m次。而根据引理??， 中的顶点均不需再考虑，故Painter只需将G中的顶点染色即可。因为G的每个顶点有 枚筹码，扣除上述m次情形(*)，G的每个顶点还有 枚筹码。因此根据策略 ，Painter可以将G的顶点染好。 即根据这个策略，Painter可以将 中的每个点都染到m个颜色。这与我们的假设相矛盾，因此情况(*)至多发生了 次。 由于情况(*)至多发生了 次。对于T中的每一个点v而言，点v被标记同时被染色的次数至多有 次。且每当Painter染了T中的点时，T中没有点赚到一次机会。并且，对于Painter染了G中点时的每一回合，T中至少有一个点还没有赚到 次机会。故T中的每一个点v被Lister标记但是没被Painter染色的次数至多为 次。 否则 中的每个点都赚了 次机会，根据命题?? ，同理， 中的每个点都不需再考虑。在之后的游戏中，只要v被Lister选中，Painter就将其染色直到点v被Painter染了m次。这样Painter将赢得游戏，不符合假设条件。 则此时v一共被Lister选中的次数至多为 次。我们可以发现对于T中的每一点v，v一共被Lister选中的次数少于 。因此Lister不可能赢得游戏。 综上，在 的在线 −染色游戏中，Painter有一个赢的策略。定理得证 ■ 定理7：设G是一个图且 ，如果 ，则对任意正整数m，G都是在线 -列表可选。 证明：令 。由于 ，我们可以假设G是一个完全k-部图。设 为图G中点数为1的部集的个数，其中 。否则，G中没有点数为1的部集，则 ，这和图G的点数矛盾。称图G中点数为1的部集中的点为单点。我们将对 进行归纳。 当 时，图G可以看成是由 联合一个点数为 的独立集T得到的图。根据定理6，G是在线 -列表可选的。 当 时，令T是点数最少的非单点的部集，其中 ，并且令 。接下来我们将证明对任意正整数m， 都是在线 -列表可选的，并且t的大小一定满足定理2.1的条件。 我们希望 的点足够小使得我们可以利用归纳假设，也就是 事实证明这是对的，因为当 且 时， 接下来，我们将证明t的大小满足定理6的条件。我们希望 。也就是需要证明 ，也就是 该不等式成立且当 时，等号成立，定理得证。 ■ 对于一个图G，如果把图中的每个点替换成一个完全图 ，如果两点在原图中是邻点，则在新图中对应的两个 完全图中的点也对应是邻点，我们将由图G都经过这样变换得到的新图记为 。如果对于任意正整数m， ，则说明对任意正整数m，G都是在线 -可选的。 定理8：设G是一个独立数为a的图，且 ，若 则对任意正整数m来说，G都是在线 -可选的。 证明：因为 且 ，所以 因此 。根据定理可知， 。则对任意正整数m来说，G都是在线 -可选的。 ■ 但是，这种方法不适用于Ohba猜想的多重列表染色的推广，只适用于点数与色数关系成比例的条件下列表染色的推广。同时，用此方法我们还可以得到以下结果。 定理9：设G是一个独立数为a的图，如果 且 ，则对任意正整数m来说，G都是在线 -可选的。
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user: 摘 要 通过孔缝结构把温度较低的气体冷却介质输送到需要热防护的壁面上，并沿高温气流的流向形成冷气薄膜，将固体壁面与高温气流隔离开来，防止壁面因直接接触高温气流而超温损坏的技术称为气膜冷却，该技术有效地应用于燃气轮机燃烧室和透平叶片等高温零部件。本研究对某航空燃气涡轮发动机单级跨声速涡轮进行了全气膜冷却设计，采用源项模型对冷气喷射进行仿真，通过数值模拟得到了不同冷气喷射条件下的涡轮流场，研究了冷气喷射对涡轮气动特性的影响，并分析了叶片表面气膜冷却效率。结果表明，随着冷气喷射量的增加，涡轮膨胀比和气动效率均有所下降，降低幅度约2%，而通流能力的增强以及冷气部分动能的有效利用使得涡轮输出功率有一定程度的提高。通过分析叶片表面气膜冷却效率发现当冷气/主流流量比为0.09时获得了最佳气膜冷却效果。 关键词 :跨声速，涡轮，气膜冷却，气动特性，冷却效果 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 高涡轮前燃气温度有利于提高单位质量燃气输出功率和航空发动机热力循环效率，进而提高发动机推重比和降低耗油率，是改善发动机性能的主要技术途径 [ 1 ]。然而，燃气温度的提高将导致涡轮叶片热负荷急剧增加，对其机械强度、工作稳定性和服役寿命提出了严峻挑战 [ 2 ]。因此，涡轮叶片热防护技术是航空燃气涡轮发动机的一项关键技术，而气膜冷却作为重要的冷却手段，一直都是高性能航空发动机的研究热点之一 [ 3 ]。 气膜冷却最初源自机冀的喷气解冻技术 [ 4 ]，热端部件的气膜冷却是指从高温环境的壁面上的孔向主流喷射冷却工质，在主流的压力和摩擦力作用下附着在壁面上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走高温燃气的部分热量，从而对壁面起到冷却保护作用 [ 5 ]。用最少冷却介质获得最佳冷却效果以满足叶片正常工作需要，并把冷却介质对涡轮气动性能的影响降到最低，是气膜冷却研究的意义所在 [ 6 ]。气膜冷却效果影响因素繁多，国内外研究者做了大量的研究工作，如研究了主流条件 [ 7 ] [ 8 ] 、动叶旋转效应 [ 9 ] 、叶片曲率 [ 10 ] 、气膜孔的结构和布置 [ 11 ]，以及冷却介质气动参数 [ 12 ] 等因素对冷却效果影响，对冷气喷射条件下流动及换热机理有了较为清晰的认识。这些研究一般关注于单个或某几个因素对冷却效果的影响，而对全气膜冷却条件下、整级涡轮气动特性和冷却效果的研究比较少见。本研究以某燃气涡轮发动机单级高压跨声速涡轮为对象，首先对导叶、动叶分别进行了全叶身气膜冷却设计，利用数值模拟的方法对冷气喷射条件下的涡轮进行了全三维流场仿真，研究气膜冷却对涡轮气动特性的影响和涡轮叶片气膜冷却效果。
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user: 2. 单级涡轮全气膜冷却设计 对涡轮叶片进行气膜冷却设计时，需从受热环境、主流特征、局部曲率、气动损失等方面予以考虑。 叶片前缘是热负荷最高的位置，为避免局部超温或温度梯度过大导致温度热应力，对导叶、动叶前缘进行了多排喷淋孔设计，分别布置了6排(SL1~SL6)、7排(RL1~RL7)径向气膜孔，期望局部降温且温度分布均匀，其中径向喷射角度为25˚，冷却空气具有偏向叶顶方向的喷射角度，防止燃气通过气膜孔反向侵入叶片内部。对于吸力面(叶背)，主流燃气绕吸力面急剧膨胀加速，冷气入射将导致气动损失显著增加，而且从叶背中、后部高速区域喷射出来的冷却介质仅能利用10%~50%的理想动能 [ 13 ]，故不宜在这些位置开设气膜孔。而外凸型的曲率造型有利于形成稳定的气膜，因此在吸力面靠近前缘的位置分别设计了4排(SS1~SS4)、3排(RS1~RS3)倾斜气膜孔，结合开孔位置的型面曲率变化，确定上游两排孔倾斜角度为45˚、下游孔倾斜角度为30˚。与吸力面相比，压力面(叶盆)喷射出来的冷气可利用能量达到80% [ 13 ]，但内凹型面的曲率造型对气膜的稳定形成是不利于的，为了保证在气膜失效的位置得到新冷却空气的补充，沿流向在压力面前段、中段及后段均设计了倾斜气膜孔，导叶设计4排(SP1~SP4)，动叶设计3排(RP1~RP3)，SP1倾斜角度为45˚，其余孔排倾斜角度为30˚。采用圆形气膜孔，孔径1 mm，沿径向孔距、孔径之比约4.3，每排设计气膜孔数量为15，相邻孔排采用交叉布孔方式，气膜孔排位置排布如图1所示。 图1. 气膜孔排布
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user: 3. 数值计算方法 采用NUMECA FINE/Turbo软件开展整级涡轮全气膜冷却数值研究。针对周期性特点，在周向对一个栅距进行了网格划分，把计算区域离散成为16块结构化网格。采用一阶精度的节距守恒连接方式解决定常计算中动/静叶连算时数据传递问题，该方法把动/静界面的流动参数周向平均后沿当地流动方向传递，能够保证连接界面的质量、动量、能量的精确守恒。计算采用了Spalart-Allmaras (S-A)单方程湍流模型，此模型对于大压力梯度下的三维黏性流体分离流动模拟具有良好的适用性。S-A模型通过壁面处修正公式描述边界层内的流动，而没有引进壁面函数，因而在数值求解过程中要求近壁处网格尽量要细，以保证在壁面边界层的层流底层分布有一定数量的计算网格，为了满足这一需要来准确捕捉边界层内的流动信息，网格生成过程中对近壁处网格进行了加密处理，最贴近壁面网格与壁面间距为3.4 × 10 −5 m，最终生成网格节点总数为2，189，904，计算网格如图2所示。 图2. 数值计算网格 该跨声速涡轮具有双设计点的特点，保证发动机在单、双外涵两种模式下高效工作，满足飞行包线的要求。主流边界条件依据两种模式分别给定涡轮进口总温、进口总压、出口静压以及工作叶片转速。采用源项模型模拟冷气从气膜孔喷出的流动过程，首先在叶片表面指定位置指定气膜孔的结构参数，即孔径尺寸和喷射方向，再给出冷却空气温度、速度等气动热力参数，从而实现气膜冷却的数值模拟。源项模型适用于研究冷气喷射对主流气动性能的影响，对冷却孔不需进行几何建模及网格处理，前处理工作易于实现，适于整级或多级涡轮、多排喷射孔气膜冷却的数值模拟 [ 6 ]。通过调节冷气射流速度改变冷气流量与主流流量比例(Mc/M，流量比)，探究不同冷气喷射条件下气冷涡轮气动特性和冷却效果。
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user: 4. 计算结果分析 4.1. 气冷涡轮总体气动特性 以冷气、主流质量比(Mc/M)为变量，分别研究了冷气喷射对涡轮质量流量、膨胀比、涡轮功和效率等参数的影响，揭示气膜冷却对总体气动性能的影响规律，其中涡轮气动效率η T 的定义为： η T = h 1 − h 2 h 1 − h 2 ， i s (1) 通过观察导叶进口、导叶出口以及动叶出口等3个特征截面的质量流量研究了冷气喷射对该单级涡轮流通能力的影响(图3)。对于导叶，由于单、双外涵两种模式下均接近阻塞工况，流通能力接近极限，因此，叶片表面气膜冷却气体的入射造成涡轮进口流量降低。然而，由于通道内流动的不均匀性和三维性，音速面没有贯穿整个流道，在进口燃气流量有所下降的情况下，叶片表面气膜孔喷出的冷却空气造成转/静面流量小幅增加。对于动叶，两种模式下动叶流通能力均未达到极限，冷气入射使动叶出口界面流量提高，流通能力进一步得到发挥。高能流体的减少及低能流体的增加造成燃气膨胀能力下降，并且冷气与主流掺混过程伴随的能量耗散也会降低燃气的膨胀能力，由图4可见，膨胀比随冷气射入量增加而降低，冷气喷射质量最大时，膨胀比较无气膜冷却时分别下降了1.7% (单外涵)和2.1% (双外涵)。 图5显示涡轮输出功率略有提升，分析认为这是由于冷却工质的能量得到了部分利用所导致，即上游冷气经过充分掺混后在动叶流道内膨胀做功，在一定程度上弥补了因主流流量减少、冷热气流掺混所引起的能量损耗。通过对比发现，由于双外涵模式下与阻塞工况偏离较大，其通流能力和膨胀比受冷却工质入射的影响更加敏感，因此造成的涡轮功率变化也更为显著(2.31%)。与之不同的是，单外涵模式下 图3. 冷气喷射对流量的影响 图4. 冷气喷射对膨胀比的影响 图5. 冷气喷射对涡轮功的影响 冷气入射对涡轮功输出功率影响较小，在流量比为0.09时达到最高值，而后随冷气流量进一步增加反而下降，这表明过多的冷气喷射对涡轮的功率输出是不利的，冷气膨胀做功对涡轮功的提升是有限的。冷气入射引起涡轮气动效率降低(图6)。单外涵模式下主流入口燃气温度高，无冷气喷射条件下(Mc/M = 0)的气动效率高于双外涵模式，符合通过提高进口燃气温度改善发动机性能的初衷；单外涵下气动效率降低幅度更加显著，符合气冷涡轮相关理论和工程经验，说明计算结果是合理的。设计要求涡轮效率不低于89%，而计算显示当冷气注入量为13%时，涡轮效率仍接近91%，在可接受范围之内。 图6. 冷气喷射对气动效率的影响 4.2. 气膜冷却效果分析 冷却效率η是衡量气膜冷却效果的主要指标，其定义为： η = T 1 ∗ − T a w T 1 ∗ − T c ∗ (2) 其中， T 1 ∗ 和 T c ∗ 分别为主流和冷却射流的总温，T aw 为绝热壁温。图7~图10以单外涵模式为例给出了不同冷气、主流质量比(Mc/M)对叶片表面气膜冷却效率影响。 图7. 导叶吸力面气膜冷却效率分布 图8. 导叶压力面气膜冷却效率分布 图9. 动叶吸力面气膜冷却效率分布 涡轮导叶吸力面为外凸型面，主流燃气急剧膨胀加速，形成气流的高速区域，这种流动特点对气膜的形成是有利的；然而，主流速度越高，冷气喷射造成的掺混损失就越严重，引起的气动效率下降越显著。因此，在气膜冷却设计阶段，吸力面中、后段等高速区域未布置气膜孔。数值模拟结果显示(图7)，上游气膜孔冷气量较少时，只在叶片前缘区域的气膜孔附近获得了较高气膜冷却效率，叶片后段不能被有效覆盖，冷却效率较低，其数值随冷气量的增多而明显提高。当流量比达到0.09时，气膜冷却效率基本稳定不变。观察导叶压力面(图8)，第13、14排气膜孔之间存在低冷却效率区，这是由于这两排孔距离较远造成的，随着冷气流量的增加，该区域的冷却效率逐渐得到改善；另外，此区域冷却效率径向分布差异较大，即近叶根区域冷却效率劣于叶尖，分析认为主要是由于前缘径向喷射冷气所导致的。当流量比达到0.09时，叶片压力面已得到有效冷气覆盖，气膜冷却效率分布均匀，维持在0.92附近。继续增加冷气喷射质量，气膜冷却效率略有降低(约0.9~0.91)，随着喷射动量的提高，冷却空气进入主流而不再贴附在叶片表面，数值模拟结果表明压力面侧冷气喷射量不宜过高。 涡轮动叶吸力面(图9)局部冷却效率沿径向分布不均匀，表现为叶中冷却效率低、端壁附近冷却效率高，并且这种不均匀性沿流向逐渐加剧。上游区域(叶片前段、中段位置)的冷却效率径向差异约5%。由于旋转离心力作用，喷射的冷气向叶尖偏转，因此绝热壁温较低；而叶根处切线速度低，燃气动量与喷射冷气动量相比不占优势，造成冷气堆积覆盖在叶片表面，使得下端壁附近效却效率较高。下游区域(叶片中后段)的叶尖附近，存在顶部间隙流动、刮角涡及叶背表面的径向窜流等复杂的二次流结构，当喷射动量较低时，冷却空气被二次流推离叶尖区域，对应位置气膜冷却效率较低，随着冷气动量的提高，该位置冷却效果逐渐得到改善，当流量比达到0.09~0.1时，气膜冷却效率接近50%，并基本维持不变；同时考虑到吸力面叶型曲率较大，冷气量进一步增加时，更多的冷却气体射入主流，覆盖保护能力很难再提高。下游区域叶根区域冷却效率较低，前缘的高温燃气被射流冷气冲压而贴附于轮毂端壁向下游流动，不断膨胀加速，当流经全部孔排后，这部分气流不再被射流冲压，开始发生径向偏折，流动区域向叶片中部扩展，导致叶根区域冷却效率低。动叶压力面(图10)冷却效率分布主要受到孔排布置的影响，在间距较远的25、26和26、27孔排之间存在两个低效率区，当流量比高于0.09时，压力面气膜冷却效率分布基本率基本维持稳定。综合分析导叶、动叶表面冷却效率、冷气消耗量以及涡轮效率，当流量比为0.09时，获得了满意的冷却效果。 图10. 动叶压力面气膜冷却效率分布
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user: 5. 结论 以某燃气涡轮发动机单级跨声速涡轮为研究对象，确定了叶片表面气膜孔排布位置、气膜孔数目、冷气喷射方向，完成了静叶、动叶全叶身气膜冷却设计；而后，采用附加源项法模拟冷气喷射，在两种工作模式下对整级气膜冷却涡轮进行了数值模拟，通过调整冷却工质质量流量研究气冷涡轮气动特性，得到以下主要结论： 1) 随着冷气入射量的增加，涡轮级膨胀比、涡轮效率均有所降低，其中单外涵模式下效率降低了1.92个百分点，最为严重；冷气进入气流通道后，部分动能被有效利用，涡轮输出功率有一定程度的提高。 2) 综合考察涡轮效率、气膜冷却效率和冷气消耗量后认为，该涡轮级在流量比为0.09时(两种模式)获得了最佳气膜冷却效果。通过分析冷却效率和叶片表面温度场发现，导叶吸力面附近主流流速高、压力低，冷却效率对喷射冷气量变化非常敏感；导叶压力面处主流压力较高，有利于冷却气体压覆在叶片表面，冷却效率沿流向均匀地维持在较高范围内；动叶吸力面冷却效率呈现明显的“C”型分布特征，叶片中部冷却需要加强；由于旋转离心力的作用，动叶压力面冷气覆盖与导叶相比均匀度较差。通过无气膜冷却、冷气流量比为0.09的涡轮流场对比分析发现，超音导叶的冷气入射会削弱气流的膨胀，而跨音动叶则使其得到加强。 3) 冷却效率显示叶片在表面形成了一层冷气薄膜，对叶片起到了有效保护。总体而言，本文冷却方案是合理的，对高性能航空发动机高温部件热防护设计具有一定借鉴意义。
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user: 摘 要 秀山石灰石矿在开采过程中，受爆破及采动影响，台阶的边坡成型完整性较差，影响边坡的整体稳定性，给矿山安全开采造成了一定的威胁。针对此问题，根据矿山工程地质条件，确定了合理的爆破工艺参数，同时采用密集预裂孔不耦合装药结构的控制爆破工艺技术以及预裂孔、主炮孔微差爆破的起爆方式，在预裂控制爆破后实现了完整性较好的预裂孔及靠帮边坡，有效提高了台阶靠帮边坡的围岩完整性和稳定性，保障了矿山开采的安全性，该技术手段对类似露天矿山靠帮边坡的稳定性控制具有一定的借鉴意义。 关键词 :预裂孔，装药结构，爆破工艺，边坡稳定性 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 据统计，在矿山露天开采过程中，边坡稳定性造成的矿山事故占全部事故的40%以上，因此如何有效控制矿山边坡的稳定性，对露天矿山的安全生产具有重要的保障意义 [ 1 ] [ 2 ]。自二十世纪七十年代以来，预裂爆破及数在我国生产建设中得到了广泛应用，但预裂爆破的成缝机理至今仍没有统一 [ 3 ]。露天矿山靠帮边坡稳定性的决定性因素主要包括工程地质条件、边坡设计以及边坡爆破工艺等。因此根据矿山工程地质条件，合理设计靠帮边坡的边坡角，同时通过科学合理的爆破工艺控制技术降低爆破、采动对边坡完整性的破坏，可有效控制边坡的稳定性，保障矿山安全开采。
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user: 2. 工程背景 2.1. 工程地质条件 矿区地形属于起伏较大丘陵地形，矿体上部出露地表，埋藏很浅。同时矿体倾角较大，一般为35˚~39˚，上下盘围岩稳定性较好。开采境界范围矿层从老至新主要为泥盆系五通组砂岩，石炭系黄龙组白云岩和船山组灰岩，二叠系栖霞组灰岩、孤峰组硅质砂岩和龙潭组炭质页岩等。矿山开采矿种为船山组和栖霞组灰岩，矿层熔岩裂隙发育，矿岩局部完整性较差，硬度系数约3~7。 2.2. 爆破及开采工艺 矿山采用露天开采方式，自上而下台阶式开采，台阶高度设计为15 m，采用中深孔爆破，钻孔直径为115 mm，超深孔长度为17.5米。主要开采及爆破工艺参数如下表1。 Table 1 Main technical parameters of mining and blastin 序号 项目 单位 构成参数 1 台阶高度 m 15 2 靠帮边坡坡面角 ˚ 60 3 采场最终边坡角 ˚ 35~41 4 炮孔直径 mm 115 5 炮孔孔排距 m 4.5 × 3.5 6 底盘抵抗线 m 3.5 7 钻孔倾角 ˚ 75 8 钻孔孔深 m 17.5 表1. 矿山开采及爆破主要技术参数 2.3. 边坡稳定存在的问题 在矿山开采过程中，在矿岩层理、裂隙发育处，爆破后边坡围岩完整性较差，易造成边坡失稳，目前对采动边坡采用机械处理的方式来降低边坡失稳的威胁(图1)。但是，在边坡终了靠帮过程中，岩体完整性受爆破采动影响，对边坡的稳定性安全造成很大的威胁。 图1. 矿山开采过程中边坡围岩现状
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user: 3. 预裂控制爆破技术方案及应用效果 3.1. 预裂控制爆破技术介绍 预裂控制爆破技术是目前国内露天矿山应用较为广泛的技术，预裂爆破的原理就是设计在终了边坡坡面方向布置一排密集炮孔，采用不耦合装药，在主爆区炮孔爆破之前起爆密集孔，在爆区和坡面之间形成预裂面，以减弱主爆区爆破对边坡岩体造成的扰动作用，从而形成较完整的边坡面，保证边坡的稳定性 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]。 3.2. 影响预裂爆破的主要因素 影响预裂爆破的因素很多，如工程地质条件、岩石物理力学性质、爆破工艺参数等，这些因素相互作用，最终产生不同的爆破效果。 1) 岩石物理力学性质 岩石的物理力学性质主要包括岩石的风化程度、抗拉强度、抗压强度、泊松比等相关参数。由于岩石本身是由固体颗粒组成，内部空隙含有空气、水分和其他杂质成分，而不同物质成分的物理力学性质也存在差异，在爆破过程中克服岩石本身强度做功所需的能量消耗也存在一定的差异，因此岩石物理力学性质是影响爆破效果的重要因素。 2) 工程地质条件 工程地质条件决定了岩石自身的完整性，是影响岩石爆破效果的关键因素。一般而言，岩石完整性越好，越有利于预裂控制爆破，炸药在起爆过程能够均匀的释放能量，易在预裂孔中心线方向形成完整的爆破光面。而对于工程地质条件较差，含有破碎、裂隙带及非均质夹层的岩体，在爆破过程中较难控制炸药能量的释放方向，爆破后的光面完整性也相对较差，易造成靠帮边坡的超欠挖现象，从而影响爆破后边坡的稳定性。 3) 爆破工艺参数 预裂爆破的工艺参数主要包括炮孔直径、炮孔间距、装药不耦合系数及装药结构等。炮孔直径根据工程地质条件、钻孔深度等确定。研究表明 [ 4 ]，在预裂孔爆破过程中，首先在径向方向产生1~2倍的裂缝，进而向预裂孔中心线方向发展，炮孔间距一般为10倍炮孔直径。另外，装药不耦合系数，决定了预裂爆破孔中炸药起爆后应力波的传递方向，对形成爆破光面起到关键性作用，而合理的布置预裂孔和主爆区炮孔内的装药结构，可有效降低主爆区爆破对预裂爆破形成的光面造成的损伤。 3.3. 预裂爆破技术方案 1) 爆破工艺参数方案 根据现场穿孔设备和岩石物理力学性质，预裂孔炮孔直径设计为115 mm，炮孔间距取孔径10倍约为1.2 m，结合现场15 m台阶高度和60˚的台阶坡面角，孔深确定为17.5 m，底盘抵抗线为1.2 m，采用不耦合装药，填塞长度为3.5 m。主爆区炮孔直径为115 mm，孔深为17.5 m，孔排距为4.5 × 3.5 m，底盘抵抗线为3.5 m，主爆区炮孔填塞长度为3.5 m。预裂控制爆破技术方案如图2所示。 图2. 预裂控制爆破工艺参数方案 2) 装药结构 a) 主爆区主炮孔 采用耦合装药的方式，炮孔装药采用柱状连续装药结构，装药高度不大于14米，药柱上、下各三分之一处各放置1个起爆药包，每个起爆药包装1发7段毫秒导爆管雷管。为保证爆破效果，防止冲孔现象的发生，炮孔装药完毕后，采用粘土或岩粉填塞炮孔，填塞长度不小于3.5米。 b) 主爆区缓冲孔 采用不连续装药的方式，分4段装药，装药高度不大于14米，装药长度及填塞长度均为2 m，每段药各放置1个起爆药包，每个起爆药包装1发5段毫秒导爆管雷管，炮孔装药完毕后，采用粘土或岩粉填塞炮孔，填塞长度不小于3.5米。 c) 预裂孔 预裂孔采用不耦合装药的方式，分4段装药，分别将药卷捆绑至竹片，每个起爆药包装1发2段毫秒导爆管雷管，采用粘土或岩粉填塞炮孔，填塞长度不小于3.5米。 预裂控制爆破炮孔装药结构具体如图3所示。 图3. 预裂控制爆破炮孔装药结构情况 3.4. 应用实践效果分析 试验效果表明，按照预裂控制爆破工艺方案进行装药、爆破，爆破后预裂孔间距为1.2 m，靠帮边坡角为60˚，同时爆破后形成完整性较好的的边坡光面，有效保障了终了边坡的稳定性及矿山安全开采(图4)。 图4. 预裂控制爆破边坡光面情况