DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 基于进程绑定的IBP替换算法 针对Cache的抖动现象以及LRU本身作为末级Cache效率低下的情况，IBP替换算法用进程绑定的思想建立了缓存中数据与进程之间的联系，对缓存中关键线程的数据进行了保护，在Cache替换算法中加入了数据对进程的感知，并根据不同的情况来选择不同方案进行数据替换，避免了重要的数据块受到进程间对共享缓存的竞争所造成的干扰，增加了末级缓存中数据的局部性，从而缓解了Cache抖动的现象。 2.1. 基于进程绑定的IBP替换算法 IBP替换算法的思想实质是通过识别关键进程来对缓存中该进程的数据块进行保护，在根据替换算法进行数据块替换的时候保护该数据块不会被其他数据块替换，从进程感知的角度实现了缓存的划分。IBP替换算法具体流程如图2所示。 系统首先根据tag标示通过地址映射的方式从Cache中匹配相应的数据块，如果匹配成功，便直接从Cache中将该数据块的内容部分传给CPU，如果发生Miss，则需要从内存中读取相关数据并进行数据回写，根据IBP替换算法进行数据替换，在替换的时候，首先会根据LRU替换策略找到相应的数据块，然后对此数据块进行进程匹配，即通过比对该数据块的数据源(进程)的pid与守护进程数组中的关键进程pid进行匹配(check方法)，如果匹配成功，则说明该数据的数据源属于关键进程，然后则需要通过基于寻找最近最少使用的替换策略的LRU替换算法找到下一个进行数据替换的位置，并判断是否超过阈值，在实验中，阈值为两个实验负载容量大小相对整体容量的百分比，若超过阈值，再重复之前的流程直到找到符合要求且不受保护的数据块，并进行数据替换。 LRU替换算法通常会有一个tag专门来记录数据块被使用的次数，被访问的数据块会前移并且tag数值会增加，当缓存容量不足或者发生冲突时会根据数据在缓存中的位置以及标识被引用次数的tag来综合选出最符合条件的数据块进行替换，在本文用来实验的GEM全系统模拟框架中LRU替换算法以及本文提出的IBP替换算法的原理对比如图3所示。 假设缓存只能存储四个数据块a1，a2，a3，a4，并且这4个数据块的数据源(即进程)分别是t1，t2，t3，t4，并且用户绑定了t3进程，其具体访问流程如下： 1) 访问a4数据块 根据标识进行匹配，从缓存中找到相应数据块a4，从缓存中提取该数据并对缓存内数据历史信息进行修改，以便LRU替换策略可以更准确找到最优替换数据块。 2) 访问a5数据块 根据标识进行匹配a5数据块，没有找到相应数据块。根据LRU替换算法找到替换数据块a3，IBP替换算法会根据数据对应的进程PID与守护进程模块中的PID进行匹配，匹配成功即表示该数据的数据源与缓存绑定，不进行替换，而LRU替换算法则直接对数据块a3进行替换操作，并对数据块的历史信息进行更新。 3) 再次访问a3数据块 IBP替换算法由于之前没有将关键进程的数据a3替换出去，当再次访问时，会根据标示找到相匹配的a3数据块，但是由于LRU替换策略之前并没有对a3数据块进行特殊处理，导致再次访问时从缓存中无法匹配到相应数据，需要从内存中读取相应数据，并进行数据替换，造成了缓存的数据抖动，降低了缓存的运行效率。但是IBP替换算法因为“保护”了a3数据块，避免了其受到其他线程数据的干扰，并没有进行二次替换，从效率上比传统的LRU替换算法要提高了很多。 图2. IBP替换算法流程图 图3. LRU与IBP替换算法运行机制对比
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user: 3. 实验及结果分析 3.1. IBP替换算法实验设计 实验将SPLASH2测试集以及PARSEC测试集进行两两分组，并对每一组内其中的一个测试负载进行进程绑定，在相同的运行环境下，横向比较不同的替换算法在运行相同负载时的运行时间，以此比较IBP替换算法对于传统的LRU以及FIFO替换算法对系统效率带来的提升，并且会在不同核数下运行实验负载，横向比较缓存的缺失率，以此来探究不同的核数对IBP替换算法的影响。 本实验模拟的实验环境为Gem5下的x86 CMP体系结构，FS全系统模拟，存储模型为Classic，而实验模拟的系统的CPU个数是4和8，缓存一共分为两级，一级缓存是私有的，末级缓存是共享的，如表1所示。 本实验中所使用到的负载程序是PARSEC测试集与SPLASH2测试集，这两种测试集在各大论文中也都被广泛使用，是公认的用于测试Cache效率的测试集。PARSEC的当前版本包含各方各面的13个应用程序，例如视频编码技术、金融分析和图像处理等。而本实验选用的是PARSEC测试集中的Canneal，Facesim，Fluidanimate，Streamcluster，如表2所示。 SPLASH2是本实验用到的第二个负载测试集，SPLASH-2使用C语言，由12个程序组成，使用PThread并行方式，SPLASH-2包含4个核心程序：Cholesky，FFT，Radix以及LU。这4个核心程序也将和Parsec中的4个负载一起作为验证IBP替换算法效率的实验负载，这些测试集在实验的时候会分别进行归类，充当被绑定的进程，以及未绑定的进程，具体方案在实验结果中会做相应说明。 3.2. 实验结果及分析 如表3所示，本实验共有4组负载测试，这四组测试的测试集分别来自SPLASH2测试集以及PARSEC测试集，在这4组负载测试中，每一组实验都会绑定一个特定的负载，而另一个负载作为辅助进程，最后根据总运行时间进行对比分析，得出我们最后的实验结论。 实验一共分为4组，第一组实验的负载程序是Facesim和Fluidanimate，Facesim为绑定的进程，Fluidanimate是未进行绑定的进程，而替换算法的对比是用最普遍的两种末级缓存替换算法LRU替换算法以及FIFO替换算法以及计时替换策略ATR，而纵轴的单位是以LRU替换算法运行负载的时间归一化后的结果，这样方便进行横向比较，实验结果如图4所示。 对于绑定的进程负载，从总运行时间上看，对于末级缓存来讲，LRU从效果上比FIFO替换算法要好很多，而IBP替换算法会对绑定的进程负载会有10%左右的效率提升，但是同样的对于未绑定的负载就会有一定程度的下降，但是从总时间上看，对于LRU替换算法来说提升了6%左右，而相较于FIFO替换算法更是提高了12%的效率。并且要比计时替换策略ATR要提高了2%左右的效率。 第二组的实验的负载分别是Streamcluster和Canneal，Streamcluster为绑定后的负载，而Canneal是未绑定的负载。实验结果如图5所示。 在第二组负载测试中，LRU替换算法明显优于了不稳定的FIFO替换算法，而本文提出的IBP替换算法对于绑定的进程的效果比第一组负载实验要更加明显，从总时间上对比，比LRU替换算法提高了接近10%的效率，比ATR的缓存效率基本持平。 第三组实验的负载是Radix和FFT，Radix是绑定的进程，FFT是未绑定的进程，实验结果如图6所示。 与第三组负载测试实验结果相似，FIFO替换算法的效果依然很不稳定，而IBP替换算法对于绑定的进程提升效果非常明显，虽然在未绑定的负载测试结果中总时间上比LRU替换算法多了3%左右，但是从总时间上对比还是比LRU替换策略提升了7%左右的效率，而相较于ATR计时替换策略来说也有相应的提高。 最后一组实验的负载分别是Cholesky和LU，Cholesky作为实验中被绑定的进程，而LU是未绑定的进程，实验结果如图7所示。 第四组实验中，对于绑定和未绑定的进程IBP替换算法的效果都不是很明显，从效率上分析，绑定的Cholesky负载来说只比LRU替换算法提升了不到5%的收益，而从总时间上看，IBP替换算法比传统的LRU替换算法也只提升了2%左右的效率，并且总时间也与ATR替换策略基本持平。 由上述四个实验可以看出，对于不同大小以及不同风格的负载，IBP替换算法平均减少了负载7%的运行时间，比传统的LRU替换算法减少了14%的缺失率，并且效率也略优于基于计时替换策略的ATR替换算法。 Table 1 x86 architecture parameter 参数 取值 Number of cores 4，8 Core type Out-of-order Base frequency 2Ghz L1缓存(I & D) 32 KB， 2-way set associative， 64-byte line L2缓存 4 MB， 64-way set associative， 64-byte line Coherence protocol MOESI snooping protocol Memory 268 cycles access time OS Linux 2.6.27 表1. x86体系架构参数 Table 2 PARSEC workload Programe Suite Application domain Size Canneal PARSEC Engineering 400.000 elements Facesim PARSEC Animation 1 frame， 372126 tetrahedra Fluidanimate PARSEC Animation 5 frames， 300，000 particles Streamcluster PARSEC Data mining 16384 point per block 表2. PARSEC测试集 Table 3 The set of binding workload 负载 绑定的负载 未绑定的负载 W1 Facesim Fluidanimate W2 Streamcluster Canneal W3 Radix FFT W4 Cholesky LU 表3. 绑定负载集合 图4. 第一组负载实验结果 图5. 第二组负载测试结果 图6. 第三组负载测试结果 图7. 第四组负载测试结果
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user: 4. 结束语 针对有害替换造成的缓存抖动现象，IBP替换算法通过对不同进程的数据在替换时采取不同的替换策略，对缓存中关键进程的数据进行保护，缓解了缓存中抖动的现象。并通过在相同环境下选取不同的替换算法来运行相同的实验负载进行实验，实验结果显示IBP替换算法平均减少了工作负载7%的运行时间，并且降低了14%的缓存缺失率，并且通过实验发现随着核数的增加，对末级缓存效率的提升也更加明显。IBP替换算法从数据替换的角度粗粒度的实现了Cache的划分，相较于通过硬件来实现Cache划分以解决缓存抖动的解决方案，IBP替换算法对硬件的需求也明显要低很多，从工程化的角度来看更易实现。
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user: 摘 要 库切的小说《耻》自问世以来便获得评论界热烈的反响。小说以平静的语言刻画人物的挣扎，将卢里个人的耻辱投放在南非后种族隔离时代的历史背景下，谱写出卢里从堕落到救赎的悲怆篇章。笔者认为小说中有四条重要线索：爱欲、诗歌、动物和歌剧。其中，对爱欲和诗歌进行语境转换下的解读是理解卢里悲剧根源的重点，而动物和歌剧则是卢里自我救赎的载体和依靠。为达到对主题的准确把脉，笔者借助热拉尔·热奈特的互文性理论来分析小说中的诗歌和歌剧。本文通过分析卢里失去身份和尊严后的自我救赎过程来解读卢里个人的浪漫主义情怀在后殖民语境下的颠覆和升华，以此展现库切对生命本身的尊严和价值的深切思考。 关键词 :生命尊严，浪漫主义，后殖民主义，语境转换，互文性
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user: 1. 引言 1999年，南非作家库切(J. M. Coetzee)的《耻》荣获了英国小说最高奖布克奖。库切以不加藻饰的语言，沉静而略带挣扎的笔调，讲述了戴维·卢里，一个在开普技术大学教授文学和传播学的五十二岁的白人教授的故事。小说可分为两部分，第一部分讲述卢里教授因为一桩丑闻(引诱了自己的一名女学生梅拉妮并与其发生性关系)被迫离职，蒙受耻辱。他离开城市，与在南非边远乡村的女儿露西同住，试图在远离尘嚣的乡村振作自己。第二部分则是故事的高潮。在乡下，卢里和女儿一同经历了噩梦般的洗劫，女儿被三个黑人蹂躏，卢里自己也被烧伤，两人精神都受到重创。而事后，卢里和女儿如何面对创伤继续生活则是小说最吸引人也最为深刻的部分。 不少评论者从后殖民理论的视角解读这部作品，认为《耻》是一部政治性突出的小说，库切在小说中表达了“对殖民主义在南非对殖民地人民和殖民者本人及其后代所造成的后果的深切的忧思和相当的无奈” [ 1 ] 。也有评论者将这部小说比喻为“一曲殖民主义的哀歌”，认为小说既“控诉着殖民主义所造成的种族仇恨、社会动乱、道德败坏、人格扭曲之类的种种恶果，又在引导人们去痛思这些恶果的根源以及后殖民主义时代南非人前途堪忧的命运” [ 2 ] 。笔者赞同前人的观点，认为这部小说确实应该结合其特殊的政治背景来解读，因为小说中各种问题能够被理解的前提就在于露西所说的“在眼下，在这里”，“眼下就是现在，这里就是南非”(131) 1 。除去探讨政治因素导致的社会矛盾冲突以外，笔者认为这部小说内涵的深刻性还体现在作者试图展现的一种人生态度和思想境界，即浪漫主义诗意的人生态度在接受了后殖民语境的洗礼后，生发出对生命尊严的体认和尊重。笔者认为在小说中，爱欲、诗歌、动物和歌剧四条线索暗合了小说清晰的时间线，共同指向主人公卢里浪漫主义情怀的主题表现。通过主人公卢里思想上的自我救赎之路，展现了库切对生命价值与尊严的深刻探讨。 评论界不乏从这四条线索切入对小说的主题进行的解读，但大多数评论均集中于对动物与歌剧这两条线索的分析。在“青铜时代，高贵城邦：《耻》中的音乐和狗”这篇评论中，德瑞克·阿特里奇(Derek Attridge) 2 认为在南非历史背景下，歌剧和狗皆是政治隐喻，它们的存在喻指一个优雅的乌托邦的政治形态 [ 3 ] 。评论家汤姆·海伦(Tom Herron)也认为《耻》中大量动物描写的意义并不在于一种“动物权利的宣言”，而是为了揭示“一个更为明显的伦理和政治事件，即‘白色困境’下的后种族隔离时代的南非”。不仅如此，他认为卢里对狗的灵魂的探索，体现出他从“一个被怀疑腐蚀的人”转变为“认真对待生活，死亡和灵魂的背负耻辱的人” [ 4 ] 。借此，他重点分析了卢里道德层面的升华。戴维·阿特维尔(David Attwell) 3 则认为卢里创作的歌剧主角的转变反映了卢里的心理转变。卢里最终选择以特丽莎为歌剧主角而不是拜伦，意味着“他试图从女性主义视角写女性的主体地位” [ 5 ] 。这种从男权本位视角转换为女性主义视角的尝试也是卢里价值观转变的一种体现。以蔡圣勤为代表的中国学者也关注了小说中的歌剧与动物意象。蔡圣勤提出“流散文人”和“孤岛意识”两个概念是理解歌剧隐喻的重要方式；至于狗的出场，他认为它们形成“遗弃、安乐死和彼岸意象” [ 6 ] ，这些意象表现出南非白人必须面对的后种族隔离时代下的种种问题。在“土地、女人和狗：《耻》的后殖民生态批评解读”中，张兰以生态批评的视角指出，“对狗的残杀暗含了人类中心主义和物种主义。小说表达了库切谴责人类对动物的滥杀，抨击了人类中心主义和物种主义，激发读者重新思考动物权利以及人与动物的关系” [ 7 ] 。 综合前人的评论，不可否认的是动物与歌剧两条线索对于小说主题的解读至关重要。然而，笔者认为爱欲与诗歌两条线索同样重要，因为二者体现了“侵占”、“冲动”等概念在浪漫主义语境和后殖民主义语境中的对立和冲突。正是这种矛盾构成了卢里悲剧的根源，即作为一个接受西方传统思想文化熏陶的白人，卢里难以处理语境转换所造成的思想意识层面的巨大落差。因此，笔者将首先分析爱欲与诗歌在语境转换下的差异如何造成卢里思想意识的崩塌，其次将动物与歌剧解读为卢里自我救赎的载体与依靠。本文将通过分析卢里失去身份和尊严后的自我救赎过程来解读卢里个人的浪漫主义情怀在后殖民语境下的颠覆和升华，以此展现库切对生命本身的尊严和价值的深切思考。
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user: 4. 结论 从以上的爱欲、诗歌、动物和歌剧四条线索，笔者解读卢里浪漫主义思想经历被摧毁而后重塑成更为深沉的人文主义思想的过程。浪漫主义思想在爱欲与诗歌中深深扎根，集中表现于激情和冲动、直觉和本性、纯粹的思想和精神等。卢里经历的挫折和挣扎的根本原因是其对“冲动”、“激情”等概念的理解遭受到语境转换带来的落差。 随着发生在农场的事件，南非后种族隔离时代的政治文化背景被引入文本，卢里固有的浪漫主义世界观在后殖民语境下崩塌，最后不得不妥协。动物与歌剧的线索体现出卢里在经历信念被压抑、剥夺之后所经历的挣扎与回应。对动物的同情以及对中年妇女的理解在以前难以感动、吸引他，而现在却成为他自我救赎的唯一途径。卢里认清要继续生活，就必须承认西方原有的思想意识形态的局限性，必须接受后殖民语境下对原有的浪漫主义概念的重构。唯有如此，他才能获得心灵慰藉，才能在南非的残酷背景下“诗意的栖居”。所幸的是，从卢里原先特权阶级固有的浪漫想法到现在理智的尊重生命，可以看出，卢里的思想已经扎根于广袤的南非大地，与这里特殊的历史与现实融为一体，并从其中产生了超越种族、性别和文化的对生命本身的一种体认和尊崇。 在“黑暗非洲”，西方的传统文化依然经历着一个意识形态上的崩溃与重塑，阶级上二元对立的严峻现实依然存在，南非的人民依然忍受着这种制度所带来的不公正。通过《耻》，库切表达出一种对后殖民语境下西方传统思想文化的理解，并怀着对人类生命本身的尊重提出了发人深省的问题：在这种难以消解的矛盾、对立和冲突中，人究竟应该以何种姿态去面对现实，去生活？小说的后半部分曾描绘了这样一幅图景：洒满阳光的午后，卢里坐在破旧的院子里弹着班卓琴，身边蹲坐一只似乎聆听琴音的小狗。这幅图景也许就是库切对这个后殖民语境下的问题的一种充满浪漫主义的解答吧。
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user: 摘 要 为预防高校体育场地开放活动中安全事故的发生，通过对苏州市高校体育教师、场馆人员等进行问卷调查和实地访谈，采用数理统计逻辑分析方法等，对高校体育场地管理与开放过程中的安全问题进行分析。主要结论：部分高校管理制度不完善，体育场馆开放中随意进行活动，没有一定的秩序，但大多高校能够完善相关制度，提供较为稳妥的环境。建议：各高校不断完善体育场地管理制度，并有效进行安全预防，既要满足学校学生的自身运动需求，又要为附近居民提供一定条件使其能够锻炼，为学校体育场地的安全开放和全民健身事业 [ 1 ] 的快速发展奠定基础。 关键词 :高校，社区，场地管理，安全与预防
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user: 1. 前言 为了响应国家全民健身的号召，快速发展体育事业，解决各高校体育场地管理与安全预防 [ 2 ] 问题成为了重中之重。高校体育场地的开放与管理对国家贯彻全民健身思想有着非常重要的作用，高校体育场地的管理与安全预防是全民健身的物质基础，是实现与完成体育活动的前提。通过查阅相关资料，我国对高校体育场地管理与安全预防情况的分析起步较晚，多为零散讨论，无系统深入的研究，高校体育场地开放的安全事故唯有积极主动预防才能有效减少体育安全事故的发生，因此，对高校的体育活动安全管理工作来说，研究高校体育场地的管理与安全预防情况的分析迫在眉睫。
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user: 2. 研究对象与方法 2.1. 研究对象 苏州市高校体育场地管理与安全预防情况。 2.2. 研究方法 2.2.1. 文献资料法 根据研究目的，通过查阅苏州大学图书馆，苏州大学体育学院资料室以及检索中国学术期刊全文数据库、中国知网、中国核心期刊网等方式，查阅了近些年以来与高校体育场地管理与安全预防相关的文献资料，为本文后期理论研究奠定基础。 2.2.2. 问卷调查法 根据问卷设计的基本要求和原则，编写《关于苏州市高校体育场地管理与安全预防情况》问卷，通过请学校体育学专家进行效度检验，认为问卷中涉及的问题比较全面，可以进行实际调查。问卷采用现场发放回收方式和托付填写两种方式进行，发放问卷80份，回收76份，其中有效问卷74份，有效率为97.4%。 2.2.3. 访谈法 本文研究分析在访谈时围绕“您认为高校体育场地合理吗”、“您认为开放高校体育场地后，对学生有哪些影响安全的因素”等这几个主题对学校体育场馆的管理人员和分管学校体育的领导进行访谈并作出详实的记录。
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user: 4. 结论 1) 外来锻炼人员应该对自己的身体情况十分了解，不强迫锻炼，要有安全防范意识，具备一定的体育场地设施安全知识、会急救措施，且在公共体育场所做到文明守法等。 2) 学生在体育场地设施开放活动中要努力提高体育安全知识和技能方面，多参加学校组织的关于安全预防知识的讲座，把运动事故扼杀在摇篮里。 3) 体育场地设施管理人员进行管理培训，使管理制度更加完善。 4) 高校体育活动安全预防体系包括学校、社区、外来人员、学生四个方面，高校体育活动形成了一个“社区—学校—锻炼群众”的纵深的三级安全预防体系。
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user: 5. 建议 1) 加强对外来锻炼人员的身份认证，做到有证才能入门。 2) 加强体育场地设施开放过程中安全预防管理的工作，对学生以及锻炼市民进行适当的安全讲座。 3) 完善体育场地设施管理制度以及对锻炼群众的安全提示工作，强制要求锻炼群众能够遵守体育场地设施开放中的各项制度。 4) 改善各场地的开放时间，使学生的体育课与外来人员的锻炼不冲突，使场地发挥出最大利用效率。
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user: 摘 要 在正交曲线坐标系下求标量场的梯度和矢量场的散度、旋度一般需要用到拉梅系数，其公式复杂难记。根据张量分析，标量场的梯度和矢量场的散度、旋度应该不依赖于坐标系，在不同的坐标系下应该有统一形式的一般求法。针对柱坐标系和球坐标系，通过简单的分析，给出了基于度规表达式的计算公式，一般性地解决了标量场的梯度和矢量场的散度、旋度的计算问题。本文的讨论，有助于理解拉梅系数产生的原因，更好地理解和认识梯度、散度和旋度的计算。通过对直角坐标系和一般曲线坐标系中结果的分析，澄清了正交曲线坐标系中柱坐标系和球坐标系的基底和对应的局域活动标架基底的关系。 关键词 :正交曲线坐标系，坐标基底，局域活动标架，梯度，散度，旋度
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user: 1. 引言 在大学物理专业的理论力学、电磁学、电动力学和场论等课程中，经常采用矢量微分算符∇来表示可微函数的梯度、散度、旋度等，如gradw = ∇w，div A ⃗= ∇∙A ⃗，rot A ⃗ = ∇ × A ⃗，其中w为三维空间的一个标量场，A ⃗为三维空间中的一个矢量场 [ 1 ] - [ 4 ] 。标量场的梯度、矢量场的散度和旋度是物理场本身的内禀性质，不依赖于坐标系的选择；但在不同的坐标系中其计算形式却十分不同，表达式非常复杂，因而经常容易出错。对此，以前的文献中也有很多研究和讨论，但其中绝大部分是通过坐标变换来阐释和说明的 [ 5 ] - [ 8 ] 。针对一般正交曲线坐标系的情况，根据坐标变换人们给出了采用拉梅系数等成熟的方法，但要理解物理场梯度、散度、旋度计算的内涵还是需要用几何的方法进一步的研究、解析和澄清。 本文将利用黎曼几何和张量分析的知识和概念 [ 9 ] - [ 12 ] ，推导在一般曲线坐标系中梯度、散度、旋度的计算公式，以帮助人们理解和认识拉梅系数的产生根源。由于在三维平直空间中采用笛卡尔坐标系(直角坐标系)，其中的矢量的逆变和协变对应分量刚好相同，因此我们在直角坐标系中讨论问题时就不必区分它们。但是，即使在三维平直空间中，只要不采用直角坐标系，那么问题就会变得比较复杂，我们必须区分矢量的逆变和协变，也必须搞清楚正交曲线坐标系的基底和对应的活动标架的基底的区别和联系。事实上，通常的教科书中给出的正交曲线坐标系中的表达式，都是针对局域活动标架的结果，与黎曼几何中的坐标基底(逆变矢量)、对偶基底(协变矢量)还相差着一个变换关系。
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user: 2. 梯度、散度、旋度的坐标表述和几何表述 2.1. 标量场的梯度和矢量场的散度、旋度在不同坐标系下的计算公式 物理场是空间和时间的函数，如标量场 、矢量场 ，当它们与时间无关时则称为稳定场。本文只讨论物理场的空间变化性质，当然只涉及对空间坐标的偏微分。在直角坐标系中，标量场的梯度和矢量场的散度、旋度可以直接利用直角坐标系中的矢量微分算子(哈密顿算子) 进行计算。此时，标量场 的梯度： 。 矢量场 的散度： 。 矢量场 的旋度： 。 标量场 的拉普拉斯算子： 。 然而，在三维空间的柱坐标系和球坐标系之下矢量微分算子(哈密顿算子) 的定义分别为 和 。此时我们无法直接利用直角坐标系中类 似的简单计算得到梯度、散度和旋度，而是必须考虑和利用拉梅系数，一般性的公式如下： ， (1) (2) (3) (4) 其中 为拉梅系数， 为相应的坐标。对直角坐标系，有 对柱坐标系，有 对球坐标系，有 2.2. 黎曼几何中标量场的梯度、矢量场的散度和旋度的定义 在黎曼几何中，三维空间中的线元为不变量，其表达式为： (5) 其中 为在某一坐标系之下表示空间几何的度规张量(协变张量)。对应的行列式 称为度规行列式，而对应的 的逆矩阵 则是表示空间几何的逆变度规张量(逆变张量)。 根据黎曼几何和张量分析的基本理论，标量场的梯度、矢量场的散度和旋度都是不依赖于坐标系的；而且由于度规的存在，所有的空间张量场(当然包括矢量场)都可以通过协变度规和逆变度规把相应的指标降下来或升上去。在这样的几何背景之下，一个标量场 的梯度为协变矢量，其定义为： 。 (6) 矢量场 的散度为标量，定义为： 。 (7) 矢量场的旋度公式比较复杂，利用黎曼几何理解旋度公式需要先用到体元的概念。体元是指一个 阶的全反称张量场，它需要满足连续且处处非零2个条件。一般而言，体元的选择具有相当的任意性；但当指定一个度规之后，可以选择体元满足下述条件： 其中s代表线元表达式中系数为-1的坐标个数。这种体元叫做与度规适配的体元，一般指定度规后，体元默认采用与度规适配的体元。 有了体元的概念之后，三维空间中一个矢量场的旋度可以表示为 (8) 在上述公式中，矢量场 取其协变矢量的形式，而其旋度 则为逆变矢量的形式。由于体元具有全反称性质，如涉及坐标系下的分量，则体元的三个指标必须不同。对于正定度规，体元在某一坐标系下的分量满足如下数值： (9) 为度规行列式。容易看出， 。 标量场 的拉普拉斯算子为标量，其定义为： 。 (10)
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user: 3. 正交曲线坐标系下梯度、散度和旋度的一般计算方法 3.1. 坐标系的基底和局域活动标架的基底之间的关系 直角坐标系和柱坐标系之间的变换关系为： 取微分，有 ， 这是2组对偶矢量之间的变换关系，左边是直角坐标系的对偶坐标基底，但是右边并不是柱坐标系的对偶坐标基底，而是局域活动标架的对偶基底，这样可以保证它们的正交归一性。 根据对偶矢量的定义，对偶基底之间的变换关系就是矢量的分量之间的变换关系，而矢量分量之间的变换关系和基底之间的变换关系是互逆的，因此有 ， 这样，通常的直角坐标系的基底与柱坐标系的基底的变换关系为 我们通常教科书中使用的柱坐标系的基底，并不是柱坐标系的黎曼几何意义下的坐标基底，而是经过了单位化处理之后的基底，满足正交归一条件，本文中称这套基底为局域活动标架的基底。另外，满足正交归一条件的局域活动标架基底，其逆变形式与协变形式相同，这点类似于我们的直角坐标系，可以把局域活动标架看作是局域的小直角坐标系。 对任意的一个逆变矢量 ，在柱坐标系之下，可以利用局域活动标架基底和坐标系的基底，有两种展开形式，即 ， 。 (11) 类似地，对任意的一个协变矢量 ，在柱坐标系之下，可以利用局域活动标架基底和坐标系的对偶基底，有两种展开形式，即 ， 。 同样，直角坐标系和球坐标系之间的变换关系为： 取微分，有 ， 这是2组对偶矢量之间的变换关系，左边是直角坐标系的对偶坐标基底，但是右边并不是球坐标系的对偶坐标基底，而是局域活动标架的对偶基底，这样可以保证它们的正交归一性。 计算上式中变换矩阵的逆矩阵，得直角坐标系与通常所述的球坐标系的基底之间的变换关系为： ， 这样，通常的直角坐标系的基底与球坐标系的基底的变换关系为 。 对任意的一个逆变矢量 ，在球坐标系之下，可以利用局域活动标架基底和坐标系的基底，有两种展开形式，即 ， 。 (12) 类似地，对任意的一个协变矢量 ，在球坐标系之下，可以利用局域活动标架基底和坐标系的对偶基底，有两种展开形式，即 ， 。 经过以上的讨论和研究，我们知道任何正交曲线坐标系在空间的任何一点都有三组基底来表达和分解一个任意的张量，这三组基底分别为局域活动标架的基底(即通常教科书中的所谓坐标基底) 、对偶坐标基底 和逆变坐标基底 。对不同的正交曲线坐标 系，这三组基底之间的关系会不同，而它们正是求解标量场的梯度、矢量场的散度和旋度时需要考虑的拉梅系数的本质来源。 在柱坐标系情况下，三组基底依次是： 。 它们之间的对应关系为 。 (13) 在球坐标系情况下，三组基底依次是： 。 它们之间的对应关系为 。 (14) 3.2. 梯度、散度和旋度的一般计算公式 在柱坐标系情况下，参考公式(5)，三维空间的线元表达式为： 。 (15) 此时，度规为： ， (16) 度规行列式为： ， (17) 逆变度规为： 。 (18) 由公式(6)，标量场 的梯度定义为： 。 (19) 考虑到3种基底之间的对应关系式(13)，我们得到标量场 的梯度在柱坐标系中以通常的局域活动标架基底表述的结果为： 。(20) 由公式(7)，矢量场 的散度： ， 考虑到公式(11)，我们有 (21) 由公式(8)、(9)，矢量场 的旋度： 利用公式(13)，进一步整理后，我们有 (22) 由公式(10)，标量场 的拉普拉斯算子为标量，其定义为： (23) 在球坐标系情况下，参考公式(5)，三维空间的线元表达式为： 。 (24) 此时，度规为： ， (25) 度规行列式为： ， (26) 逆变度规为： 。 (27) 由公式(6)，标量场 的梯度定义为： 。(28) 考虑到3种基底之间的对应关系式(14)，我们得到标量场 的梯度在球坐标系中以通常的局域活动标架基底表述的结果为： 。(29) 由公式(7)，矢量场 的散度： ， 考虑到公式(12)，我们有 (30) 由公式(8)、(9)，矢量场 的旋度： 利用公式(14)，进一步整理后，我们有 (31) 由公式(10)，标量场 的拉普拉斯算子为标量，其定义为： (32) 可以看出，上述方法不仅没有机械地引入拉梅系数，而且过程也不再仅仅局限于柱坐标系或球坐标系。只要给定一个线元表达式，确定了在一个坐标系中的度规张量的具体形式，再利用度规张量得到坐标基底和局域活动标架基底之间的关系，由最基本的黎曼几何和张量分析的基础知识，就可以求标量场的梯度和矢量场的散度、旋度。从计算结果可以看出，表达式(20)、(21)、(22)、(23)与用拉梅系数给出的表达式(1)、(2)、(3)、(4)在柱坐标系的具体情况下的结果是完全相符的。同时，表达式(29)、(30)、(31)、(32)与用拉梅系数给出的表达式(1)、(2)、(3)、(4)在球坐标系的具体情况下的结果也是完全相符的。
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user: 4. 总结 根据张量分析，标量场的梯度和矢量场的散度、旋度确实不依赖于坐标系，在不同的坐标系下有统一形式的一般求法。我们针对柱坐标系和球坐标系，通过简单的分析，给出了基于度规表达式的计算公式，一般性地解决了标量场的梯度和矢量场的散度、旋度的计算问题。本文的计算，可以帮助我们理解拉梅系数产生的原因，更好地理解和认识梯度、散度和旋度。在实际计算中，不必再死记复杂的拉梅系数。通过对直角坐标系和一般曲线坐标系中结果的分析，澄清了正交曲线坐标系中柱坐标系和球坐标系的基底和对应的局域活动标架基底的关系。
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user: 摘 要 氯化亚砜是由醇制备氯代烃、羧酸制备酰氯的常用试剂，在精细化工产品和有机化工中间体的合成中具有广泛的应用。但是氯化亚砜-醇体系的应用在文献中报道并不多。本文主要综述氯化亚砜-醇体系在羧酸酯化、酰胺脱酰化、羧酸酯化和酰胺脱酰化双重作用等的研究进展。 关键词 :氯化亚砜，酯化，脱酰化，双重作用，选择性，有机合成
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user: 1. 引言 1948年，Persoz和Kremers独立发现了呈平面三角形构型的氯化亚砜(或亚硫酰氯、氯氧化硫) [ 1 ] 。氯化亚砜是一种无色或淡黄色发烟液体，有很强的刺激性气味；可溶于苯、氯仿和四氯化碳，遇水或醇分解成二氧化硫和氯化氢。氯化亚砜具有很强的氯化、酰氯化和脱水等能力：作为氯化剂，可用于烯烃的氯化氢加成、醇羟基的氯取代等；作为脱水剂，可用于醇脱水制烯、醛肟脱水制腈、醇分子内或分子间脱水制醚；作为酰氯化剂，可将羧酸很容易的转化为酰氯；作为催化剂，可有效实现酯和酰胺的制备 [ 1 ] 。氯化亚砜主要用于农药、医药、染料等行业，其下游产品多达70余种 [ 2 ] [ 3 ] 。目前，氯化亚砜已经显示为一种用途广泛的有机化工原料和合成重要化合物的中间体。 虽然Pizey [ 4 ] 、刘娜 [ 1 ] 分别综述了氯化亚砜试剂在有机合成中的一些应用，但并未就氯化亚砜–醇体系在有机合成中的应用进行系统阐述。作者研究室近年开展了氯化亚砜–醇体系在有机合成中的一些应用，发现了该体系在羧酸酯化、N-芳基脂肪酰胺的脱酰化、含有羧基的N-芳基脂肪酰胺同时酯化脱酰化等方面一些有意义的结果。鉴于此，作者拟就氯化亚砜–醇体系在有机合成中一些具体应用进行较为全面的综述。
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user: 2. 氯化亚砜-醇体系在羧酸酯化中的应用 目前，羧酸酯的制备方法很多，诸如羧酸和醇的无机酸催化法、羧酸和醇的有机酸催化法、羧酸和醇的偶联助剂催化法、羧酸盐和卤代烃制备法、酰氯和醇酯化法、酸酐/醇酸催化酯化法等 [ 5 ] 。但采用羧酸和醇制备羧酸酯仍然是最为简便而常见的方法。 脂肪酸、芳香酸和取代酸采用氯化亚砜–醇体系酯化已是较为成熟的方法。该方法虽然不是制备酯的经典方法，但条件温和、操作简便、成本低廉、反应时间短、收率高。特别值得一提的是氨基酸的酯化。一般而言，氨基酸酯化要在温和的条件下进行，以达到高收率、高纯度以及不消旋的特殊要求。氯化亚砜-醇体系在加热条件下，既能溶解氨基酸、保护氨基，同时能够较快实现羧基的酯化，目前已经成为氨基酸酯化的主流方法。 一般认为，氯化亚砜–醇体系对羧酸的酯化是亲核加成–消除反应机理(图1)。 2.1. 饱和脂肪酸的酯化 哌啶环存在于众多镇静类药物(如吗啡、可待因、喷他佐辛等)的结构之中，4-哌啶甲酸乙酯1可用来制备诸如哌替啶的镇静药物。杨晓章等发现，采用经典的酯化方法(如浓硫酸和乙醇)，4-哌啶甲酸不能转化为1，而采用氯化亚砜–乙醇体系、在室温反应24 h，却可以85.0%的收率获得纯度达99%的目标产物1 [ 6 ] ，说明氯化亚砜–醇体系适用于易形成内盐的羧酸的酯化。 图1. 氯化亚砜酯化机理 碳青霉烯(carbapenem)活性强、抗菌谱广，是一类备受关注的新型抗生素药物。在合成doripenem的边链2时，由羟基脯氨酸3与氯化亚砜–甲醇在40℃反应2 h，以大于91%的收率得到4 [ 7 ] 没有生成分子3的分子内酯化产物，显示了良好的反应选择性。 2.2. 芳香酸的酯化 据报道，含有对氨基苯甲酸(PABA)结构单元的上市药物有184种 [ 8 ] 。对氨基苯甲酸烷基酯不仅广泛存在于药物结构中 [ 8 ] ，也是重要的合成中间体，其制备可以从对硝基苯甲酸、对氨基苯甲酸或氨基保护的对氨基苯甲酸酐(或酰氯)出发进行合成。 Hosangadi等 [ 9 ] 1996年报道，采用二氯亚砜–醇体系，许多单取代的苯甲酸包括氨基苯甲酸可以转化为对应的取代苯甲酸甲酯、乙酯和丁酯： 本研究室近年发现，PABA和氯化亚砜–醇体系相互作用，反应温度控制在60℃~80℃，不仅可以得到对氨基苯甲酸甲酯乙酯，也可以顺利合成其丙酯丁酯 [ 10 ] 。不同的是，甲酯乙酯采用蒸出溶剂的方法分离产品，而丙酯丁酯加入石油醚析出产品，这样可防止蒸出丙醇丁醇过程中温度过高发生副反应；此方法收率很高(91%~96%)、操作简便、成本低廉，符合环保的要求，具有较高的工业应用价值。 2.3. 氨基酸的酯化 因氨基未被保护的α-氨基酸甲酯是有机合成的重要中间体 [ 10 ] ，所以氨基酸的酯化吸引着众多研究者的目光。氨基酸甲酯的制备方法很多，如重氮甲烷法、碘甲烷法、硫酸二甲酯法。这些方法多数采用氨基保护的氨基酸，以防止氨基氮上的副反应。在无水氯化氢、二氯亚砜或三甲基氯硅烷催化下，游离氨基酸和甲醇反应生成对应甲酯，是目前制备氨基酸甲酯的重要方法 [ 10 ] 。如L-酪氨酸甲酯盐酸盐5的制备，在70℃反应10 h，收率达98% [ 11 ] ； L-对硝基苯丙氨酸甲酯盐酸盐6的制备，在70℃反应3 h，收率达89.5% [ 12 ] ； 甘氨酸甲酯盐酸盐、L-丙氨酸甲酯盐酸盐及L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐的制备，在70℃反应1 h，收率分别为96.9%、89%、73.5% [ 13 ] 。 有文献报道，使用氯化亚砜–醇体系酯化氨基酸还有助于制备氨基酸甲酯结晶型产品，如采用氯化亚砜–醇体系能够得到L-丝氨酸甲酯盐酸盐7结晶体，而采用经典方法(无水甲醇和干燥氯化氢)不能得到其盐酸盐晶体 [ 14 ] 。7常用作抑制肿瘤及调节内分泌功能的原料药。 目前的研究显示，采用氯化亚砜–醇体系催化合成氨基酸甲酯盐酸盐，反应条件温和，操作简便，产物不需要进一步提纯，收率和纯度均较高，成本低廉，普适性广，具有十分广阔的工业应用前景。
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user: 3. 氯化亚砜-醇体系在N-芳基脂肪酰胺脱酰化中的应用 胺类化合物中的氨基能参与许多反应，如伯胺、仲胺很容易发生氧化、烷基化、酰化以及与羰基的亲核加成反应等，而在合成工作中要使氨基保持不变，通常需要对其进行保护。保护苯环上的氨基最简便且常用的方法是将氨基转化为酰胺。因此，目前广泛使用酰基来保护苯环上的氨基，这使得N-芳基脂肪酰胺的脱酰化过程变得越来越重要。 N-芳基脂肪酰胺的脱酰化方法很多，如酸性(HBr [ 15 ] 、AcOH [ 16 ] 等)水解法或碱性(KOH [ 17 ] - [ 19 ] 、NaOH [ 20 ] [ 21 ] 等)水解法。这些方法虽然适用面广，但反应条件较为苛刻，需要过量的催化剂、较高的反应温度、较长的反应时间等。另一种方法是将酰胺在碱(CH 3 ONa [ 22 ] 等)或酸(HCl [ 23 ] 等)催化下醇解脱酰基，操作相对容易、反应时间较短、收率高。但当酰胺分子中还含有酯基、醚键、烷胺酰基、磺酰胺基、羟胺酰基等其它基团时，上述两种方法就会因为选择性较差不再适用。 本研究室发现，氯化亚砜–醇体系不仅可以高效的脱除N-芳基脂肪酰胺(RCONHAr)的酰基，收率高，反应时间短，后处理简单，而且当芳胺环上含有醚键、酯基等基团时，这些基团均不发生变化 [ 24 ] 。 当芳胺环上同时含有胺磺酰基、羟胺酰基、烷胺酰基等基团时，该体系可以选择性的脱除N-芳基脂肪酰胺上的酰基，而不影响其它类型酰胺基 [ 24 ] 。 当将芳基变为芳杂环，氯化亚砜–醇体系也可以选择性地脱除N-芳杂环基上的脂肪酰基；当脂肪酰基从乙酰基改变为丙酰基、氯代烷酰基等时，氯化亚砜–醇体系也可以选择性地脱除脂肪酰基，显示了氯化亚砜–醇体系脱酰基的适用范围 [ 24 ] 。 尽管氯化亚砜–醇体系脱除酰基能力很强，但将脂肪酰基变换为芳酰基如苯甲酰基，采用同样的方法却不能将芳酰基脱除 [ 25 ] 。 氯化亚砜–醇体系脱除N-芳基脂肪酰胺的的机理，应该属于酰胺的醇解过程，可能与氯化亚砜–醇体系催化羧酸酯化类似。 钯催化高效绿色合成的邻三氟甲基乙酰苯胺，是一种具有潜在高度生物活性的关键结构。有研究者采用本研究室发现的二氯亚砜–醇体系脱除乙酰基，在75℃回流1.5 h，以95%的收率获得8 [ 26 ] 。
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user: 4. 氯化亚砜-醇体系的脱酰化和酯化双重作用 有机合成特别是药物合成过程中，有时需要将含有羧基和酰胺双官能团分子的羧基酯化、酰胺基脱酰基。若先酯化后水解，采用水溶液中的酸碱催化水解方法，一般不能选择性地保留酯基。本研究室发现，氯化亚砜–醇体系既可以简便高效的将各类羧酸酯化，也可快速方便的将N-芳基脂肪酰胺脱酰基化。基于此结果，我们认为氯化亚砜–醇体系有可能一步完成含有羧基和酰胺双官能团分子的羧基酯化、酰胺基脱酰基。研究之初，我们选用对乙酰氨基苯甲酸为模型分子进行试验。实验结果显示，氯化亚砜-醇体系能将对乙酰氨基苯甲酸的羧基酯化、乙酰基脱除，反应一锅完成，而且收率很高(91%~94%) [ 27 ] 。 其后，试验了其它分子体系 [ 28 ] ，反应式如下： 对氨基苯磺酰胺衍生物9的某些分子具有良好的抗糖尿病活性 [ 18 ] [ 19 ] 。为了制备9，通常需要将中间体10脱除乙酰基并将羧基酯化，得到中间体11后再酰化引入R 2 CO，需要3步才能完成合成；而以氯化亚砜–醇体系与11相互作用，一步即可实现羧基的酯化和乙酰基的脱除，仅需2步即可完成合成 [ 18 ] [ 19 ] ，且反应过程中没有对磺胺基造成任何影响，进一步证实了氯化亚砜–醇体系一步脱除N-芳基脂肪酰胺的酰基并实现羧基酯化的能力，有助于含有对氨基苯甲酸和苯磺酰胺结构单元分子的进一步结构优化。
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user: 5. 氯化亚砜-醇体系的脱Boc保护基 氨基最常见的保护基有苄氧羰基(Cbz， Z)、芴甲氧羰基(Fmoc)和叔丁氧羰基(Boc)。Boc是脂肪氨基、氨基酸、多肽氨基的的重要保护基。Boc的引入和脱除方法很多，常见的脱保护试剂有TFA体系 [ 27 ] 、氢卤酸体系 [ 28 ] [ 29 ] 、磺酸体系 [ 27 ] 、硅胶催化法 [ 30 ] 等。在有机合成过程中，有时需要将含有羧基和Boc保护氨基的双官能团分子的羧基酯化、Boc保护基脱除。据氯化亚砜与醇的作用机制以及Boc保护基的脱除机理可推知，氯化亚砜–醇体系可能具有将Boc保护基脱除并将羧基同时酯化的能力。 S-胸腺嘧啶-L-半胱氨酸甲酯盐酸盐(HCl.H-Cys(T)-OCH 3 ，13)是液相合成二肽–环多胺键连产物的重要单体 [ 31 ] 。余孝其研究组采用氯化亚砜–甲醇体系直接酯化S-胸腺嘧啶-L-半胱氨酸盐酸盐，仅以约40%的收率制得13 [ 32 ] 。 唐雪梅等认为，收率低可能是羧基裸露的S-胸腺嘧啶-L-半胱氨酸盐酸盐12在甲醇中的溶解性较差所致。先将12游离的氨基用Boc保护起来(所得产物14易溶于甲醇)，然后与氯化亚砜–甲醇反应，以两步反应总收率77%制得13。这为在醇溶液中溶解性较差的氨基酸的酯化提供了一种高效的新方法 [ 33 ] 。 类似的方法，获得了12的乙酯、丙酯、丁酯及戊酯，单步收率75%~90%。此方法在酯化羧基的同时，脱除了Boc保护基，一步实现羧基酯化和氨基脱保护基。氯化亚砜–醇体系既可以简便高效的将羧基酯化，也可以同时脱除氨基的Boc保护基，为某些酯基和Boc保护氨基共存分子的选择性反应提供了新方法。 需要说明的是，4-苄氧酰氨基苯甲酸15在氯化亚砜和醇作用下只能发生羧基酯化反应，分子中的Cbz保护基不受影响 [ 25 ] Fmoc对二氯亚砜–醇体系也具有高度的稳定性 [ 34 ] ：
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user: 6. 结语 氯化亚砜–醇体系不仅是酯化反应的有效试剂，也可作为脱保护试剂选择使用；更重要的是，该试剂组合可作为某些分子的酯化和脱保护试剂，一步实现两个反应。文献报道最多的是氯化亚砜–醇体系的酯化作用，而脱保护、酯化脱保护联用是本实验室近年来发现并加以应用的。氯化亚砜和醇都身兼二职，实验过程简洁易行，后处理仅需减压旋蒸，高效简便；试剂价格便宜，可因加热回流而使某些溶解性不好的化合物也顺利参与反应，反应效果仍然很好。氯化亚砜具有刺激性，需在通风设备中进行使用，工业上的大量使用对设备腐蚀性较大。到目前为止，使用比较多的氯化试剂除氯化亚砜外还有草酰氯，但草酰氯价格稍微昂贵，气味更大，腐蚀性更强。因此，氯化亚砜–醇体系随着作用范围的拓展，其应用将会越来越广泛，随着工业设备的不断改进，将在工业上广泛使用。
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user: 摘 要 小流域洪水陡涨陡落，又因缺乏长系列的实测水文资料，其洪水预报方案编制困难。针对该问题，以北方半湿润半干旱地区的冰峪沟小流域为例，在分析该流域气候、洪水特点以及资料获取情况的基础上，结合国内常用洪水预报模型的适用情况，选取大伙房模型和HEC-HMS模型开展冰峪沟小流域的洪水模拟研究。模拟结果表明：当前期土壤较干旱、降雨强度较大时，易于发生超渗产流，大伙房模型和HEC-HMS模型模拟产汇流的效果都较好，均可用于指导小流域进行洪水预报预警。但相比而言，大伙房模型模拟产汇流的平均误差较小，对于具有长系列实测水文数据的半干旱半湿润地区小流域，可优先选择大伙房模型进行洪水预报。而HEC-HMS模型在实测水文资料较缺乏的小流域更具有推广价值。 关键词 :小流域，洪水模拟，大伙房模型，HEC-HMS模型
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user: 1. 引言 小流域洪水灾害频发且常伴有地质灾害，严重威胁着人民生命和财产安全，因而开展小流域洪水模拟方法的研究意义重大。一般而言，小流域洪水具有陡涨陡落、汇流时间短的特点 [ 1 ] ，不易于进行洪水预报；另外，小流域往往又缺乏长系列的实测水文数据和高精度的地形地质等资料，很多水文模型的应用受到限制，其洪水预报方案的编制比大流域更为困难。因此，如何选取合适的预报模型是做好小流域洪水预报的关键。 针对小流域洪水预报，目前还没有通用的洪水预报模型，国内应用较广泛的有集总式和少数分布式模型等，如采用新安江模型在湿润地区中小河流建立的山洪预报方案 [ 2 ] 、应用于黄土高原小流域的HEC-HMS模型 [ 3 ] 、LL-III分布式模型 [ 4 ] 以及改进的CASC2D模型 [ 5 ] 等；而国外通常建立分布式预报模型，例如TOPMODEL、TOPKAPI、HEC-HMS模型等 [ 6 ] ，并结合GIS、雷达估测降雨等技术来构建小流域的洪水预报预警系统 [ 7 ] 。我国幅员辽阔，南北方气候和下垫面条件差别较大，产流机制不同。其中，大伙房模型以超渗产流机制为基础，比较适合北方半干旱地区，尤其在东北地区应用效果较好 [ 8 ] ；我国南方湿润地区的降雨径流多为蓄满产流，新安江模型应用效果较好 [ 9 ] ；TOPMODEL模型在国内外的应用已经相当成熟，但模型并没有考虑降雨、蒸发等要素的时空变异性 [ 10 ] ；HEC-HMS分布式模型结构简单，需要的实测水文资料较少，并对地形地质等资料要求不高，适合小流域的洪水预报 [ 11 ] [ 12 ] 。总体来说，每种洪水预报模型的适用情况不同，其产汇流机制也有所差别，在实际应用中并不是模型越复杂模拟效果越好，因此选取小流域洪水预报模型时，应综合考虑各种因素确定适合的预报模型。 本文以大连市英那河上游的冰峪沟小流域为研究区域，分析冰峪沟流域2005~2013年间仅有的7场实测洪水资料，选取大伙房模型和HEC-HMS模型，开展该流域的洪水模拟研究，为小流域洪水预报预警提供技术支持。
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user: 2. 研究区域及模型选择 2.1. 区域概况 冰峪沟小流域地处辽东半岛大连市境内。如图1所示，冰峪沟水文站位于英那河上游，集水面积为260 km 2 ； 图1. 冰峪沟流域概况图 该流域呈树状狭长型，主河道全长43 km，平均河道比降为2.31‰；流域内植被较好，其中林地、灌木丛和耕地分别约占流域面积的68%、22%和10%。该流域处于温带亚湿润气候区，降水的时间分布极不均匀，主要集中在7月下旬至8月上旬。由于暴雨持续时间短强度大，加之地势北高南低，洪水过程陡涨陡落，造成灾害严重。 2.2. 模型选择 本次研究选用冰峪沟流域2005~2013年之间的实测水文资料，模拟时段长为1小时，经过整理、审查之后仅得到7场洪水，对其产汇流机理分析发现：该流域的洪水过程普遍具有起涨时间较短、退水快的特点，尤其是当前期土壤较为干旱、降雨量较大(暴雨持续时间短)时，其降雨产流方式与超渗产流原理相似。 结合国内常用水文模型的适用情况，综合考虑冰峪沟流域的气候、降雨产流特点，因而选取集总式的大伙房模型进行该流域历史场次洪水模拟；同时又因冰峪沟流域的实测水文资料系列较短，难以建立复杂的分布式洪水预报模型，因而选取HEC-HMS半分布式模型开展本次研究，并将两种模型的模拟结果进行对比分析。
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user: 4. 结论 本文利用大伙房模型和HEC-HMS模型进行冰峪沟小流域历史洪水的模拟研究，结果表明：两个模型模拟产汇流的结果都较好，均可用于指导冰峪沟小流域的洪水预报。但相比而言，大伙房模型模拟产汇流的平均误差较小，因此在实际工作中，对于处于半干旱半湿润地区的小流域，如果掌握较长系列的实测水文数据，可优先选择大伙房模型建立洪水预报方案，这也恰恰是目前大多数小流域所不具备的。而HEC-HMS模型的参数值可以结合地形和土地利用等资料来确定，其应用于水文资料较缺乏的小流域更具有优势。
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user: 摘 要 为实现发动机的水空两用，提出了一种新型的多涵道水空两用发动机概念设计。在建立了初步的三维有限元模型的基础上，重点对水中模式的工作情况进行了分析计算，初选金属钠作为水反应燃料，得到了燃料流量、燃烧室压强、推力的变化关系及燃料流量和比冲的变化关系，初步确定了燃料流量的适宜范围，肯定了水中工作条件下的推进效果。使用CFD软件对金属水反应冲压发动机的参数设计进行了模拟分析，确定了最有利于金属水反应和水冲压发动机推进效果的参数选择。初步评定新型水空两用发动机达到了设计目的。 关键词 :航空发动机，水空两用，概念设计
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user: 1. 引言 随着科技和时代的发展，飞行器呈现出越来越多样化的发展势头，多栖飞行器即是这种环境下的产物；同时在另一方面，面对未来战争的需求，只能在天空中飞行的飞机有一定局限性，如果有既能在空中飞行，又能潜入水下航行的水空两用飞机，将会获得特别的作战效能甚至带来新的作战方式的转变，对未来战争的发展具有重要的意义 [ 1 ] 。 目前世界上对水空两用飞行器的研究的主要目的是为了研制出一种配合潜艇作战的快速武器而进行的，称之为潜射无人机。虽然潜射无人机目前只是处于初期的研制、论证和试验阶段，并没有成熟的运用于战场发挥其作用，但它的发展情况和前景很受各国相关部门关注。美国先后研制了海上搜索者、鸿鹅、海上哨兵三型潜射无人机 [ 2 ] [ 3 ] 。 要实现飞行器的水空两栖作战就必然需要有一个能够水空两用的动力装置。目前世界上潜射无人机的动力装置多采用燃料电池动力系统，在空中依靠电力驱动飞行，其缺点是无法实现长时间的空中巡航，且无法完成潜艇式的水中行进，极大地限制了水空两用飞行器的应用。本概念设计即是针对水空两用飞行器的新概念动力装置设计。该设计借鉴了传统涡轮风扇发动机，同时有机融合了金属-水反应冲压发动机，总体设想是在空中工作时使用涡扇发动机实现喷气推进以提升空中巡航能力，在水下工作时使用金属-水反应发动机实现水冲压喷射推进，使得飞行器在水中也能像潜艇一样航行。
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user: 2. 新型水空两用发动机概念设计及总体方案 2.1. 新型发动机总体方案设计 新型水空两用发动机为实现在空中和水下两种不同工况条件下的持续工作，其设计参考了中小型涡轮风扇发动机及外骨架结构形式 [ 4 ] [ 5 ] ，取消了中心转轴，同时舍弃了压气机、涡轮的静子叶片，代之以内、外转子层，使得压气机和涡轮均实现对转。位于内转子层内部的中央涵道，作为水中工作时的介质通道，同时为安置金属水反应冲压发动机提供了结构上的基础。具体的结构实现形式如下： 发动机前部支撑架固定安置在发动机罩内，发动机罩与发动机尾部支撑架固定安置在飞行器的发动机安装架上。外转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动。内转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动。为保证强度和刚度，可在发动机罩及内、外转子层上布置加强筋。压气机叶片与涡轮叶片固定装于榫槽上，榫槽分布于外转子层内侧及内转子层外侧。风扇叶片固定装于外转子层外侧的榫槽上。环形燃烧室固定安装在内转子层上，可随内转子层一起转动。如图1所示。 图1. 新型水空两用发动机总体概念设计示意图 新型水空两用发动机的工作原理简介如下： 空中工作状态下，外转子层和内转子层对转，水冲压发动机不工作。气流一部分进入外涵道经由风扇离开发动机，一部分进入内涵道，经由压气机压缩做功后，通过收敛通道结构进入环形燃烧室进行燃烧，高温高压燃气从燃烧室喷出后推动涡轮做功，从而驱动内转子层和外转子层转动。燃气经过涡轮后通过收敛尾喷管再经由出口导叶离开发动机。以此实现发动机在空中的持续工作。 在将要进入水中工作状态时，发动机在水面位置吸入少量水，经由压气机形成水雾对环形燃烧室及其他高温部件逐渐进行冷却，同时发动机转速下降，待发动机整体冷却至合适温度后，发动机停转并整体进入水中。 水中工作状态下，发动机前部整流罩开启，金属水反应冲压发动机进入工作状态，水沿中央涵道经由水流主入口进入金属水反应燃烧室；金属燃料腔处的水流辅入口打开，少量水流经此入口进入金属燃料腔进行初步金属水反应，反应生成的热量用来加热固态形式储存的水反应金属，使其成为液态方便反应的进一步进行，反应生成物及熔化的金属燃料一起进入金属水反应燃烧室，与水进一步充分混合发生剧烈反应，产生大量氢气和能量，反应生成物沿中央涵道喷出，实现持续喷水推进。通过调节水流辅入口阀门大小，可以方便得控制金属燃料的加入速率，从而控制金属水反应的进行程度，达到调节金属水反应发动机推力的目的。 2.2. 新型水空两用发动机总体结构设计 新型水空两用发动机总体结构形式以传统涡轮风扇发动机为基础，有机融合了多项新技术，对多个部件进行了取舍、增添，其总体结构布局如图2。 建立三维模型有助于对新概念发动机进行各项参数(如重量、转速、噪声、压比等)的估算与模拟。新型发动机材料采用航空用钛合金，材料平均密度4470 kg/m 3 ，发动机本体结构估算质量为496.4 kg (1094.5 lb)，附件估算总重为165.5 kg (364.8 lb)，发动机总体估算质量约为660 kg (1459.3 lb)与同类型发动机相比在结构重量方面减少了35%~50%，大幅度提高了结构效率。压气机部分采用了经典的NACA stage35叶型，共有6级叶片。新型发动机部分组件的结构设计如表1所示。 2.3. 新型水空两用发动机部分关键结构设计 2.3.1. 轴承支承设计 新型水空两用发动机的主要转动部件是内、外转子层，二者均由支撑架上的轴承来支撑。其中，前、后止推轴承均使用多排径向球轴承，多排球轴承被证明在高速运转的环境下，仍能保持优秀的使用性能与稳定性，使用维护成本更低。前后圆周轴承均使用双层圆周滚动轴承，在高速转动条件下，双层滚动轴承将绝对转速以合适的转速分配比分配至内、外滚动体，进一步减小了高速旋转对轴承的负荷，降低材料及制造工艺要求。内、外转子层的支撑结构形式如图3所示。 2.3.2. 油电管路设计 油电管路从机身经由发动机罩埋设在前部支撑架内。当管路接近内转子层安装位置时，首先分出输电管路，通过固定安装在内转子层外侧的一圈导电滑环与沿轴向埋设在内转子层的数条电路联通，并最终进入环形主燃烧室点火装置和水冲压发动机。对于燃油通道，绕过轴承并与架设在中央涵道的输油管 图2. 新型水空两用发动机总体结构设计剖视图 Table 1 The architectural design of some component 部件 尺寸，mm 叶片 厚度，mm 重量，kg 类型 级数 每级数目 内转子层 长：800.4 压气机叶片 3 36 5 83.6 涡轮叶片 2 36 外转子层 长：815.9 压气机叶片 3 45 5 182.3 半径：152.2 涡轮叶片 1 36 发动机罩 长：308.276 4 14.8 半径：336.7 表1. 部分组件结构设计 路联通，燃油经由输油管路进入内转子层，最终进入环形燃烧室，输油管路末端接头结构与内转子层之间缝隙布置刷式密封防止燃油泄漏。内转子层中的输油管路沿周向布置8条。如图4、图5所示。 2.3.3. 金属水反应冲压发动机设计 初步设计金属水反应冲压发动机总体结构为圆筒型，前部为水流主入口，筒壁四周沿周向均布四个金属燃料入口，四个金属燃料入口的另一端与环形金属燃料腔联通，环形金属燃料腔的前部沿周向布置四个大小可调的水流辅入口。圆筒内部为金属水反应燃烧室，水金属燃料与水发生的剧烈化学反应主要在此处进行。后部为收敛喷管，金属水反应生成物经由收敛喷管喷出，产生持续动力。金属水反应冲压发动机总体结构示意图如图6所示。