Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2022 Vol.23 No.12 P.955-1046

Cover:

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Contents:

<244>

<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Inkjet 3D bioprinting for tissue engineering and pharmaceutics

Deng-ke ZHAO, He-qi XU, Jun YIN, Hua-yong YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200569 Downloaded: 2135 Clicked: 29979 Cited: 0 Commented: 7319(p.955-973) <Full Text> <PPT> 1485

Chinese summary <2905> 喷墨生物3D打印的组织工程和药学应用

作者：赵登科^1,2,3，徐赫崎^1,3，尹俊^1,2，杨华勇¹
机构：¹浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；²浙江大学，浙江省三维打印工艺与装备重点实验室，中国杭州，310058；³这些作者对本文的贡献相同
概要：生物3D打印具有通过层层叠加增材制造的方式构建所需载活细胞3D结构的能力。作为生物3D打印技术的重要组成部分，喷墨生物3D打印利用载细胞液滴作为基本单元，构造仿生组织或器官，以期用于替代人体损伤或病变的组织或器官。由于其优异的打印精度和准确性，喷墨生物3D打印目前已被广泛应用于组织工程和药物研发等领域。然而，尽管大量的应用已证明其在不同领域内的可行性和广泛适用性，喷墨生物3D打印仍然受限于生物材料的选择和打印工艺。本文针对喷墨生物3D打印，首先归纳总结了现有关键打印技术、可打印生物材料和其在组织工程和药学领域内的典型应用，进而对其面临的关键挑战和潜在解决方案进行讨论。

关键词组：喷墨生物3D打印；生物材料；体外组织模型；体内组织替代物；药物筛选

Research Articles

Hole-growth phenomenon during pyrolysis of a cation-exchange resin particle

Zheng-liang HUANG, Yun-bo YU, Qi SONG, Yao YANG, Jing-yuan SUN, Jing-dai WANG, Yong-rong YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200233 Downloaded: 690 Clicked: 803 Cited: 0 Commented: 4(p.974-987) <Full Text> <PPT> 244

Chinese summary <499> 阳离子交换树脂颗粒热解过程中的孔增长现象

作者：黄正梁¹，余云波¹，宋琦¹，杨遥¹，孙靖元¹，王靖岱²，阳永荣²
机构：¹浙江大学，化学与生物工程学院,浙江省先进化学工程制造技术重点实验室,中国杭州,310027；²浙江大学，化学与生物工程学院，化学工程国家重点实验室,中国杭州，310027
目的：传统非催化气固反应模型无法用于解释离子交换树脂的热解过程。本文旨在探讨不同条件下管式炉反应器中阳离子交换树脂的热解模式，并研究反应气氛、反应温度和树脂结构对新型热解模式的影响规律。希望提出的中心孔扩展模式为非催化气固反应模型的验证和开发提供指导。
创新点：1.确定一种新的非催化气固反应，且该反应遵循中心孔膨胀模式；2.厘清中心空穴扩展模式的形成机理。
方法：1.通过实验分析及相关表征测试，研究反应气氛、反应温度和树脂结构对新型热解模式的影响规律；2.通过数值模拟和动力学角度（Flynn-Ozawa方法），分析磺酸基团的分解和转化动力学，厘清中心空穴扩展模式的形成机理；3.通过仿真模拟（COMSOL Multiphysics），初步模拟树脂颗粒在初始反应阶段的温度变化，为阳离子交换树脂热解新模式提供间接验证。
结论：1.确定了一种新的非催化气固反应，且该反应遵循中心孔膨胀模式；2.厘清了中心空穴扩展模式的形成机理，发现其主要与磺酸基团的反应路径有关；3.中心孔扩展模式因其规律的反应过程和可预测的反应位点，可为非催化气固反应模型的验证和开发提供指导。

关键词组：非催化气固反应；阳离子交换树脂；热解；中心扩孔；温差；转化

Enhanced photocatalytic performance of S-doped covalent triazine framework for organic pollutant degradation

Yi SHEN, Jing-yu HU, Lun LU, Chao ZHU, Qi-le FANG, Shuang SONG

DOI: 10.1631/jzus.A2200440 Downloaded: 660 Clicked: 776 Cited: 0 Commented: 0(p.988-997) <Full Text> <PPT> 220

Chinese summary <496> 硫掺杂共价三嗪骨架对提升有机污染物光催化降解性能的研究

作者：沈意¹，胡京宇¹，卢伦²，朱超^1,3，方齐乐⁴，宋爽¹
机构：1.浙江工业大学，环境学院，中国杭州，310032；2.生态环境部华南环境科学研究所，国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室，中国广州，510655；3.浙江工业大学，化学工程学院，中国杭州，310032；4.北京师范大学，自然科学高等研究院，中国珠海，519087
目的：随着工业化的快速发展，各种有机化合物会导致水质的恶化，进而对生态系统和人类健康构成巨大威胁。因此，有机废水的污染控制显得尤为重要。甲基橙（MO）和双酚A（BPA）作为典型的有机污染物，对环境和健康有不可忽视的影响。本文旨在构建可见光驱动去除废水中有机污染物的低成本无金属催化剂（CTFS_x），探究其降解有机污染物的性能，并提供一种实用有效的去除水中有机污染物的方案，为基于CTF的光催化剂的设计和优化提供一种可行的方法。
创新点：针对MO和BPA污染物的性质和结构差异，考察了CTFS_x的光催化能力和污染物分子中羟基官能团的影响，实现了水中有机污染物的高效去除和光催化剂的循环利用，并探明其光催化机制，不仅为解决水中低浓度有机污染物去除的难题提供了针对性策略，也为开发具有增强可见光收集和电荷分离的无金属催化剂的设计提供了可行有效的方案。
方法：1.通过实验分析，以MO和BPA作为染料和药品及个人护理品（PPCPs）的代表性污染物探针，检测材料的光催化性能与污染物分子中羟基官能团的关系；2.基于表征和性能实验从活性氧（ROS）和材料性质两方面得出催化剂性能提升的机制。
结论：1. CTFS_x对MO和BPA的光催化降解效果优于CTF-1，具有较好的稳定性和可重用性；CTFS₅具有最佳的光催化性能；在可见光催化反应的6 h内，53.2%的MO和84.7%的BPA被降解，且降解的拟一级速率常数可分别达到0.145 h^?1和0.29 h^?1，分别是CTF-1的3.6倍和5.8倍。2.可见光吸收的增强、自由电荷复合程度的降低、光生电子和空穴的快速分离和转移以及·OH产生量的提高是导致光催化活性显著提高的重要因素。3. S掺杂方法有效地改进了CTF-1的光吸收性能、电子结构和调制能带结构。

关键词组：共价三嗪骨架；光催化；硫掺杂；甲基橙；双酚A

Optimum insulation thickness of external walls by integrating indoor moisture buffering effect: a case study in the hot-summer-cold-winter zone of China

Yan-hao FENG, Zi-tao YU, Jiang LU, Xu XU

DOI: 10.1631/jzus.A2200158 Downloaded: 710 Clicked: 993 Cited: 0 Commented: 466(p.998-1012) <Full Text> <PPT> 236

Chinese summary <494> 结合室内湿缓冲效应的外墙最佳保温层厚度：中国夏热冬冷地区的案例研究

作者：冯彦皓¹，俞自涛^1,2，陆江³，徐旭⁴
机构：¹浙江大学，热工与动力系统研究所，中国杭州，310027；²浙江大学，清洁能源利用国家重点实验室，中国杭州，310027；³浙江科技学院，土木与建筑工程学院，中国杭州，310023；⁴中国计量大学，能源工程研究所，中国杭州，310018
目的：探讨室内和外墙中的湿缓冲效应对外墙最佳保温层厚度的影响，提高夏热冬冷地区外墙最佳保温层厚度的预测精度。
创新点：1.通过结合热湿耦合传递模型和室内热湿环境模型，构建考虑室内湿缓冲效应的最佳保温层厚度优化方法；2.获得室内湿缓冲对最佳保温层厚度的影响规律及与外墙湿缓冲的对抗关系。
方法：1.通过理论分析，构建水分从室外环境转移至室内环境时的外墙能量负荷，并得到最佳保温层厚度的优化方法（图1）；2.通过案例研究，得到气密性和室内热源对最佳保温层厚度的影响（图6）；3.通过优化方法间的对比，探讨室内湿缓冲和外墙湿缓冲对最佳保温层厚度的影响。
结论：1.室内湿缓冲效应对最佳保温层厚度的影响是围护结构外墙中湿缓冲效应的2.54倍，而且这两种湿缓冲效应对最佳保温厚度的贡献相反。2.在每小时换气一次（1 ACH）和100%正常热源条件下，南墙的最佳保温厚度可能被高估了2.13%~3.59%，而单面墙的年能量负荷可能被低估了10.10%~11.44%；在同属夏热冬冷地区的不同城市中，外墙湿缓冲的影响差异较大。3.气密性的降低和室内热源的增加会导致最佳保温厚度的轻微降低。

关键词组：保温层厚度优化；热湿耦合传递；室内水分缓冲；外墙；生命周期成本

Investigations on lubrication characteristics of high-speed electric multiple unit gearbox by oil volume adjusting device

Shuai SHAO, Kai-lin ZHANG, Yuan YAO, Yi LIU, Jun GU

DOI: 10.1631/jzus.A2200274 Downloaded: 807 Clicked: 802 Cited: 0 Commented: 0(p.1013-1026) <Full Text> <PPT> 237

Chinese summary <495> 通过油量调节装置研究高速动车组齿轮箱的润滑特性

作者：邵帅¹，张开林¹，姚远¹，刘逸¹，顾俊²
机构：¹西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，中国成都，610031；²苏州舜云工程软件有限责任公司，中国苏州，215100
目的：油量调节装置作为高速动车组齿轮箱的一个重要零部件，可实现不同油温环境下自动调节从动齿轮搅油的油位。本文旨在探讨油量调节装置在不同工作状态下对齿轮功率损失和各轴承润滑油量的影响，为定量评估齿轮箱润滑特性提供有效依据。
创新点：1.建立实际工况下高速动车组齿轮箱的高保真三维模型，并探讨油量调节装置的不同工作状态对齿轮箱润滑特性的影响；2.在齿轮箱各轴承位置设置监测环，并从各轴承的润滑油油量和覆盖率的角度分析轴承润滑特性。
方法：1.应用移动粒子半隐式（MPS）方法，对比分析油量调节装置的不同工作状态对齿轮箱润滑特性的影响；2.通过与德国齿轮研究中心（FZG）的试验结果进行对比，验证数值仿真方法的准确性和适用性；3.通过数值仿真，分析不同转速、不同浸油深度、不同油温等实际工况下的齿轮箱搅油功率损失和各轴承的润滑油油量。
结论：1. MPS方法非常适用于分析复杂结构的齿轮箱的润滑特性；2.齿轮功率损失和各轴承润滑油油量与齿轮转速、浸油深度和润滑油油温呈正相关；3.油量调节装置主要通过减少输出齿轮搅拌的润滑油油量来减少齿轮的功率损失和参与轴承润滑的润滑油油量。

关键词组：高速动车组；飞溅润滑；无网格移动粒子半隐式法；轴承润滑；搅油功率损失；油量调节装置

A novel stacking-based ensemble learning model for drilling efficiency prediction in earth-rock excavation

Fei LV, Jia YU, Jun ZHANG, Peng YU, Da-wei TONG, Bin-ping WU

DOI: 10.1631/jzus.A2200297 Downloaded: 702 Clicked: 805 Cited: 0 Commented: 0(p.1027-1046) <Full Text> <PPT> 233

Chinese summary <334> 土方开挖过程中钻进效率预测的Stacking集成学习模型

作者：吕菲，余佳，张君，俞澎，佟大威，吴斌平
机构：天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，中国天津，300350
目的：对钻进效率进行精确预测是制定土方开挖进度计划的关键。但现有预测方法多采用单个机器学习模型，存在参数敏感性和过拟合等问题，且往往忽略了环境因素和人员操作因素的影响。针对这些问题，本文提出一种同时考虑多种因素综合影响的新的集成学习预测方法。
创新点：1.建立一种基于Stacking集成学习的钻进效率预测模型；2.定量地考虑地质特性、人员操作、环境和机械特性等多种因素的综合影响；3.提出一种基于自适应步长策略的改进布谷鸟搜索优化方法，优化模型关键参数。
方法：1.通过多次对比实验，最终选择极值梯度提升（XGBoost）、随机森林（RF）和反向传播神经网络（BPNN）三个模型作为基学习器，支持向量回归（SVR）作为元学习器进行集成。2.建立基于自适应步长策略的改进布谷鸟搜索优化算法，对集成模型的Max_depth等超参数进行优化。3.将钻进效率值及相关影响因素的样本数据输入到每个基学习器中，得到相应的输出结果，再将预测结果作为元学习器的输入值，得到最终的预测结果。4.以中国西南地区某土石方工程为例，通过五折交叉验证方法，验证模型的鲁棒性，并采用五个常用评价指标评价模型的精度和泛化性能。
结论：工程应用结果表明，相比于目前流行的单个机器学习方法中预测性能最好的XGBoost和基于粒子群算法优化的Stacking集成模型，本文所提方法的平均绝对百分比误差（MAPE）分别提高了16.43%和4.88%。

关键词组：钻进效率；预测；土方开挖；Stacking集成学习；改进的布谷鸟搜索算法