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

2023 Vol.24 No.10 P.841-936

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Micro-Newton scale variable thrust control technique and its noise problem for drag-free satellite platforms: a review

Changyi XU, Wenya LI, Xuhui LIU, Yong LI, Chao ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300104 Downloaded: 750 Clicked: 908 Cited: 0 Commented: 0(p.841-858) <Full Text> <PPT> 303

Chinese summary <23> 微牛级变推力控制技术和无拖曳卫星平台的噪声问题：综述

作者：徐昌一¹，李文娅¹，刘旭辉²，李永²，张超³
机构：¹大连理工大学，控制科学与工程学院，中国大连，116024；²北京控制工程研究所，中国北京，100190；³浙江大学，机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058
概要：实现空间引力波探测、地球重力场高精度测量、参照系阻力效应测量等基础空间物理量的高精度测量，需要高性能卫星平台在接近"纯重力"的飞行环境中实现"无拖曳控制"。无拖曳控制的关键技术是微牛顿尺度下的变推力控制。推力噪声是实现无阻力飞行最重要的技术指标。因为推力噪声的形成机理和影响规律的物理因素，噪声抑制技术的发展受到限制。针对推力噪声的主要挑战，本文对微牛顿变推力控制技术和无拖曳卫星平台的推力噪声问题进行了系统的综述，并对今后的研究方向进行了讨论。该工作为实现下一代无阻卫星的低噪声变推力控制提供了详细的理解和支持。

关键词组：空间物理探测；卫星平台；无拖曳控制；微牛级变推力技术；推力噪声

Research Articles

Microfluidic fuel cells integrating slanted groove micro-mixers to terminate growth of depletion boundary layer thickness

Jinchi SUN, Xiongwei TIAN, Zhangqing LIU, Jie SUN, Menglian ZHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300087 Downloaded: 707 Clicked: 925 Cited: 0 Commented: 0(p.859-874) <Full Text> <PPT> 402

Chinese summary <20> 集成斜槽微混合器以终止耗尽边界层厚度增长的微流体燃料电池

作者：孙金池¹，田雄伟¹，柳张清¹，孙洁²，郑梦莲^1,3
机构：¹浙江大学，能源工程学院，热工与动力系统研究所，中国杭州，310027；²浙大宁波理工学院，能源与环境工程研究所，中国宁波，315100；³能源高效清洁利用全国重点实验室，中国杭州，310027
目的：由于微流体燃料电池通常在共层流状态下运行以实现无膜设计，因此它们通常在扩散传输方面受到严重的传质限制。本文旨在研究新型流道设计并提供优化设计的一般性理论模型。
创新点：1.提出了在流道侧壁集成斜槽微混合器的新型微流体燃料电池，并发现了其耗尽边界层厚度停止增长的现象；2.针对存在横向二次流的传质过程开发了简化的模型以及极限电流密度的无量纲关系式。
方法：1.通过计算流体力学软件模拟新型流道中电解质的传质过程，研究预测电池性能（极限电流密度与氧化剂流和燃料流之间的对流混合）；2.通过开发简化的模型，揭示横向二次流的传质强化机理；3.通过推导无量纲关系式，分析设计参数对极限电流密度的影响。
结论：1.与无槽微流体燃料电池相比，集成斜槽微混合器的微流体燃料电池实现了显著的传质增强，且极限电流密度增加了115%；2.由于电解质之间界面附近的横向二次流动较弱，所以电解质之间的对流混合得到了很好的控制；3.研究发现耗尽边界层厚度的增长在距离通道入口仅10倍流道高度处终止，并可用简化的传质模型进行机理解释；4.无量纲关系式表明，随着电极长度的增加，极限电流密度具有渐近值，且该数值受电极附近横向流动速度以及电极宽度的显著影响。

关键词组：微流体；燃料电池；无膜；斜槽微混合器；传质；耗尽边界层

Using pipette tips to readily generate spheroids comprising single or multiple cell types

Rong PAN, Xiaoyan YANG, Shiming WU, Yuanyuan XIE, Feng CHEN, Ke NING, Wei SUN, Ling YU

DOI: 10.1631/jzus.A22D0235 Downloaded: 844 Clicked: 1046 Cited: 0 Commented: 0(p.875-885) <Full Text> <PPT> 346

Chinese summary <15> 使用移液器吸头培养三维肿瘤球

作者：潘茸¹，杨晓艳¹，武士铭¹，谢媛媛¹，陈凤¹，宁珂¹，孙伟²，余玲¹
机构：¹西南大学，材料与能源学院，清洁能源与先进材料研究所，发光分析与分子传感教育部重点实验室，中国重庆，400715；²海南师范大学，化学化工学院，中国海口，571158
目的：三维细胞培养相较于常规的二维培养在模拟肿瘤微环境上具备很大的优势。本文旨在将移液器吸头（商品化且实验室通用的一种耗材）作为独特的细胞培养容器进行细胞培养，以实现高通量、简单、省时且经济高效的三维细胞球培养。
创新点：1.将移液器吸头作为细胞培养容器，其实验过程未涉及任何机械加工和化学处理，因此极大地简化了肿瘤球培养实验过程，为实验条件有限的实验室提供了三维细胞培养的替代方案；2.该培养平台集稳定、便捷、省时、低成本和高通量于一体；3.该平台在培养过程中可进行原位观测；4.除了用于细胞球的培养外，该培养方式还展示出在肿瘤球融合和药物筛选等方面的应用潜力。
方法：1.将细胞悬液吸到移液器吸头中，并将吸头置于吸头盒内，然后放入细胞培养箱里进行常规细胞培养。2.培养24 h后，在显微镜下观察细胞团聚形成三维细胞球；可直接推动移液器按钮进行细胞球的转移和后续分析。3.将两个或多个在吸头内形成的细胞球转移到同一个吸头，实现多个肿瘤球的配对和融合。4.待细胞成球后，在移液器吸头内加入药物，评价药物的细胞毒性。
结论：1.将移液器吸头作为三维细胞培养平台，通过简单地抽吸和培养，即可在短时间内高通量地获得细胞球。2.成功构建了两种肿瘤细胞（DU145）与血管内皮细胞（HUVEC）的共培养模型。3.两个或多个细胞球可通过配对和融合组装成更大的细胞聚集体，显示了该平台在微组织工程领域中的应用前景。4.成功在移液器吸头内完成了原位药物筛选；不同浓度的阿霉素会对移液器吸头中的细胞球造成不同程度的损伤。

关键词组：移液器吸头；三维细胞培养；肿瘤球；共培养；原位观测

Effect of CO₂-mixing dose and prolonged mixing time on fresh and hardened properties of cement pastes

Minlu WANG, Shuang LUO, Ba Tung PHAM, Tung-Chai LING

DOI: 10.1631/jzus.A2200571 Downloaded: 1096 Clicked: 969 Cited: 0 Commented: 0(p.886-897) <Full Text> <PPT> 331

Chinese summary <14> 不同CO₂搅拌剂量及后续搅拌对水泥浆体新拌和硬化性能的影响

作者：汪珉璐，罗双，Ba Tung Pham，林忠财
机构：湖南大学，土木工程学院，中国长沙，410082
目的：本文旨在探究不同CO₂搅拌剂量对于水泥浆体新拌及硬化性能的影响，通过延长搅拌时间来提升其性能，并通过热重分析、扫描电镜观察等微观分析探究CO₂与新拌水泥浆体之间的反应机理。
创新点：1.采用定制的具有气密性的搅拌仪器；2.通过延长搅拌时间改善CO₂搅拌水泥浆体的流动性和微观结构。
方法：1.通过流动性、凝结时间、水化热测试对水泥浆体的新拌性能进行表征；2.通过抗压强度、吸水性及吸水率测试对水泥浆体的硬化性能进行表征；3.通过热重分析、扫描电镜观察、背散射电子图像分析对样品的微观结构进行表征。
结论：1.随着CO₂剂量的增加，水泥浆体的流动性急剧下降，甚至失去塑性，这主要与水泥熟料表面生成的水合物和碳酸盐所形成絮凝网络有关。2在施加1min的后续搅拌后，新拌水泥浆体的流动性可以提高53%~85%，这是因为絮凝结构被破坏，被束缚的自由水释放。3.CO₂搅拌会造成抗压强度降低约10%~20%，这是由于新拌水泥浆体的流动性差，导致硬化基质中形成了更多的孔隙结构。4.在施加1min的后续搅拌后，其抗压强度提高18%~32%；与对照样品相比，早期强度提高3%~15%，这是由于沉积的CaCO₃的水化促进作用和其更致密的微观结构。5.样品的28d抗压强度与吸水率之间存在较强的线性相关性，说明孔隙分布对CO₂搅拌水泥浆体强度变化起着重要作用。

关键词组：CO₂搅拌；碳酸钙；水泥早期水化；流动性；微观结构

Geo-environmental properties and microstructural characteristics of sustainable limestone calcined clay cement (LC3) binder treated Zn-contaminated soils

Haoliang WU, Heng SONG, Xinpo SUN, Yuzhang BI, Shenjing FU, Ning YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200531 Downloaded: 910 Clicked: 1174 Cited: 0 Commented: 0(p.898-911) <Full Text> <PPT> 342

Chinese summary <13> 可持续石灰石煅烧粘土水泥(LC3)固化剂处理锌污染土的环境岩土特性及微观结构特征

作者：伍浩良^1,2，宋恒³，孙新坡³，毕钰璋⁴，符深靖³，杨宁³
机构：¹中山大学，土木工程学院，广东省海洋土木工程重点实验室，中国广州，510275，中国；²南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），中国珠海，519082；³四川轻化工大学，土木工程学院，中国自贡，643002；⁴东南大学，交通学院，中国南京，211189
目的：传统水泥材料普通硅酸盐水泥（OPC）处置总金属污染土面临高碳排及长期环境安全性的问题。本文旨在利用新型低碳探讨多尺度的形式获取新型绿色低碳固化剂石灰石煅烧粘土水泥（LC3）修复锌污染土的关键环境岩土工程参数，揭示LC3固化稳定化锌污染土的微观机理。
创新点：1.探明LC3固化多浓度梯度Zn污染土的物理化学特性、力学强度和环境安全性特征规律；2.揭示LC3固化土重金属固定及强度增长的关键机理。
方法：1.通过无侧限抗压强度（UCS）和渗透试验，获取LC3固化多浓度梯度Zn污染土的力学参数发展规律（图3）；2.通过毒性特征浸出试验（TCLP）和合成沉降浸出试验（SPLP），得到LC3固化剂符合毒性浸出安全指标的浓度（图6）；3.采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）等微观测试技术，明确LC3固化Zn污染土的微观机理（图7和8）。
结论：1.证明了LC3替代OPC处理锌污染土壤的可行性；2.LC3和OPC固化污染土的UCS和渗透率k之间为负增长关系；3.LC3固化土壤中的锌离子及提高污染土强度的主要取决于水化产物的形成。

关键词组：石灰石煅烧粘土水泥（LC3）；固化/稳定化（S/S）；锌污染土；微观机理

Experimental investigation of the thermal insulation performance of Ce/Si/Ti oxide heat-reflective coating

Rui SU, Yue LV, Qian SU, Yanfei PEI

DOI: 10.1631/jzus.A2200550 Downloaded: 540 Clicked: 657 Cited: 0 Commented: 0(p.912-924) <Full Text> <PPT> 342

Chinese summary <13> Ce/Si/Ti氧化物热反射涂层对高速铁路轨道板温度场影响及其优化研究

作者：苏芮，吕悦，苏谦，裴彦飞
机构：西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031
目的：为解决无砟轨道板在温度荷载作用下变形开裂的问题，本文研制了一种复合氧化物，并制备一系列热反射涂层试样，旨在通过宏观和微观试验，以及数值仿真探究影响涂层降温效果的环境温度，得到一种能够有效减小无砟轨道板温度应力和温度变形的热反射涂层，以提高轨道板的使用寿命，减少维修次数。
创新点：1.制备一种具有紫外屏蔽性的无机复合氧化颗粒；2.设计一系列复合氧化物热反射涂层；3.研制室内太阳光模拟试验系统；4.通过室内试验分析涂层降温效果。
方法：1.制备一系列热反射涂层；2.微观层面，通过傅里叶变换红外、紫外可见光谱，对本文所制备材料进行成分和光学特性分析，论证Ce/Si/Ti氧化物作为轨道板热反射涂层功能填料的可行性；3.宏观层面，通过搭建室内太阳光模拟测试装置，分别对有涂层和没有涂层的混凝土试件表面和内部温度进行分析研究，讨论本文所制备涂层的宏观隔热效果；4.通过数值仿真对轨道板结构传热变形三维模型研究轨道板隔热反射涂层的工程应用效果。
结论：1.热反射涂层能够使轨道板表面温度和内部温差降低11.54~21.31°C，当Ce/Si/Ti氧化物掺入量为40%~50%时，涂层降温效果较优异，能够使轨道板表面温度降低70%，温差减少40%左右，并且使轨道板竖向位移减小约70%。2.综合考虑涂层的隔热率、混凝土内部温差和涂层附着强度以及轨道板变形控制效果，Ce/Si/Ti氧化物的最优掺入量为40%，且该涂层最适合用作轨道板隔热涂层。

关键词组：轨道板；太阳辐射；隔热涂层；降温性能

Design and comparative analysis of self-propelling drill bit applied to deep-sea stratum drilling robot

Peihao ZHANG, Xingshuang LIN, Hao WANG, Jiawang CHEN, Zhenwei TIAN, Zixin WENG, Ziqiang REN, Peng ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2200351 Downloaded: 1462 Clicked: 1286 Cited: 0 Commented: 0(p.925-936) <Full Text> <PPT> 398

Chinese summary <15> 应用于海底地层钻探机器人的自推进钻头设计及自推进效果对比分析

作者：张培豪^1,2，林型双^1,2，王豪^1,2，陈家旺^1,2,3，田祯玮¹，翁子欣¹，任自强^1,2，周朋¹
机构：¹浙江大学，海洋学院，中国舟山，316021；²浙江大学，海南浙江大学研究院，中国三亚，572025；³海洋感知技术与装备教育部工程研究中心，中国舟山，316000
目的：海底地层钻探机器人作为一种新型的海底地层地质调查手段具有广阔的应用前景。本文旨在分析并设计一种新型的自推进式螺旋钻头，以减小机器人在地层中运动时的前端阻力。
创新点：1.通过理论建模分析，推导出新型自推进螺旋钻头的螺旋升角与土壤钻屑排出运动的关系；2.建立仿真模型，成功模拟钻头在海底土壤中的钻进过程，并通过其贯入力和扭矩分析其自推进效果；3.设计试验装置，成功模拟钻头在土壤中的钻进过程，并通过其贯入力和扭矩进一步验证其自推进效果。
方法：1.通过理论推导，构建螺旋叶片升角与土壤钻屑排出运动之间的关系，得到具有设计优势的新型自推进钻头。2.通过Abaqus有限元仿真软件，采用耦合欧拉-拉格朗日方法进行钻头钻进过程的仿真分析，可视化观察钻头钻进过程对周围土壤的扰动范围（图9）；对比自推进钻头与传统锥形钻头在相同转速下轴向贯入力上的差别，确定其自推进效果的优势（图10）。3.通过试验，进一步验证所设计的自推进钻头在配制的模拟海底土壤中的减阻钻进效果（图14）。
结论：1.自推进钻头钻进过程对周围土壤的影响范围小于传统锥形钻头；2.自推进钻头能够靠排出土屑提供推进力，因而有着更小的钻进阻力；3.自推进钻头的轴向推进力随着转速的增加而不断增大，所以较高转速有着更好的钻进减阻优势；4.自推进钻头的扭矩高于传统锥形钻头。

关键词组：海底地层调查；钻探机器人；自推进钻头；钻进阻力