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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.1 P.1-96
Research Articles
Xiaowei YE, Xiaolong ZHANG, Yanbo CHEN, Yujun WEI, Yang DING
DOI: 10.1631/jzus.A2300011 Downloaded: 1170 Clicked: 1808 Cited: 0 Commented: 0(p.1-17) <Full Text><PPT> 392
机构：1浙江大学，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310027；2浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310027；3浙大城市学院，城市基础设施智能化浙江省工程研究中心，中国杭州，310015
目的：盾构隧道施工阶段面临管片上浮问题，不均匀上浮将引起管片破损、开裂、渗漏水等病害，严重影响隧道施工质量与长期服役性能。本文系统地总结了管片上浮机理与影响因素，提出粒子群优化-随机森林（PSO-RF）混合算法，建立管片最大上浮量预测模型，可实现盾构隧道管片上浮量的准确预测，用以指导盾构隧道安全施工。
创新点：1.提出混合的PSO-RF算法，预测管片最大上浮量；2.总结盾构隧道施工期管片上浮机理与影响因素。
方法：1.基于管片上浮机理，筛选出12个管片上浮影响因素；2.提出PSO-RF混合优化算法，提升预测模型的预测性能；3.基于管片上浮数据库，建立管片上浮预测模型，并对比PSO-RF模型与RF模型的预测性能。
结论：1.提出的PSO-RF混合模型明显提升了管片最大上浮量预测模型的预测性能；2. PSO-RF管片上浮预测模型成功预测了管片的最大上浮量，有更小的预测误差（MAE=4.04mm，RMSE=5.67mm）与更高的相关性(R2=0.915)；3.盾构机千斤顶推力与隧道埋深是影响管片最大上浮量预测模型性能的主要因素。
关键词组：随机森林；粒子群优化；管片上浮；机器学习预测；盾构隧道施工
Wanqing XU, Yucong XUE, Jiang LU, Yifan FAN, Xiaoyu LUO
DOI: 10.1631/jzus.A2200536 Downloaded: 1807 Clicked: 1352 Cited: 0 Commented: 0(p.18-35) <Full Text><PPT> 341
机构：1浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；2浙江大学,海宁国际校区绿色建筑与低碳城市国际研究中心，中国嘉兴，314400；3浙江科技学院，土木与建筑工程学院，中国杭州，310023
目的：夏热冬冷地区气候全年高湿且居民采用间歇用能辅以通风的方式调节环境，由于建筑室内外环境条件复杂多变，轻型木结构建筑在该区的适用性尚有待研究。本文旨在研究用能季典型气象日及相应间歇用能工况下的室内环境及围护结构热湿传递特征，并探究在不同条件下围护结构不同朝向及不同位置热湿传递的差异，明确墙体冷凝霉变的关键位置，为工程运用提供参考。
创新点：1.建立轻型木结构建筑足尺模型，并在墙体不同位置设置温湿度监测点进行实验与比较；2.以夏热冬冷地区间隙用能工况作为实验条件，研究更加贴近真实情况。
方法：1.通过文献调研梳理夏热冬冷地区居民用能及通风习惯，选择典型间歇工况作为实验条件。2.运用温湿度自记仪、传感器对室内及墙体内部温湿度进行监测，通过对比不同时刻、位置的温湿度差异，总结轻型木结构建筑室内环境及围护结构材料在典型工况下的热湿特征。
结论：1.一号建筑的总传热阻略高于二号建筑，总传湿阻大大高于二号建筑，其外墙对温湿度的变化具有更强的抵抗能力，在室内外环境不理想时能较好地保持与调节室内环境；而二号建筑在间歇用能和通风时相应较快。2.岩棉层两侧的材料容易出现相对湿度较高的状况，夏季靠室内侧的石膏板具有高湿风险，而冬季靠室外侧的定向刨花板（OSB）层具有高湿风险。
关键词组：轻型木结构建筑；现场试验；典型工况；室内环境；热湿传递
Biotreatment of incinerated bottom ash and biocementation of sand blocks using soybean urease
Xiaoniu YU, Yidong XU
DOI: 10.1631/jzus.A2300006 Downloaded: 959 Clicked: 1510 Cited: 0 Commented: 0(p.36-46) <Full Text><PPT> 383
机构：1东南大学，江苏省土木工程材料重点实验室，中国南京，211189；2浙大宁波理工学院，土木建筑工程学院，中国宁波，315100
目的：大豆脲酶基生物水泥与脲酶菌基生物水泥功能相同，其同样可被应用于环境和土木工程中。由于培养脲酶菌的过程复杂且成本较高，本文提出使用简单且成本相对较低的大豆脲酶，其可诱导碳酸盐沉淀，是一类新型生物水泥。它可被应用于污染物中重金属处理和软土地基加固。在处理后的重金属污染物中，可有效降低游离重金属的浓度至安全阀值以下；在胶结后的砂土中，可显著提高其力学性能。
创新点：1.大豆脲酶可采用水浸泡法提取；2.根据最佳脲酶活性，确定大豆粉末的最佳浸泡时间和用量；3.根据最佳去除率，确定最佳去除镍离子的配方；4.根据脲酶水解机理和矿物形成的生物化学反应机制，讨论大豆脲酶基生物水泥矿化固结镍离子和胶结砂土的机理和过程。
方法：1.通过浸泡大豆粉末，根据最佳脲酶活性确定最佳浸泡时间和掺量（图S3和S4）；2.通过调节尿素掺量、大豆粉末滤液含量和矿化时间，在溶液中镍离子最佳去除率下，确定尿素、镍离子与大豆粉末滤液的最佳质量比（图5a~5c）；3.通过应用最佳质量比下的尿素和大豆粉末滤液，可以有效去除垃圾焚烧底灰中镍离子和提升胶结砂土的力学性能（图6和7）；4.通过大豆脲酶矿化固结镍和钙离子的示意图，揭示大豆脲酶基生物水泥的形成机制和胶结机理（图8）。
结论：1.大豆粉末与水混合可以释放大豆脲酶，并溶于水中，可催化分解尿素，引起电导率变化，从而确定脲酶活性；2.大豆粉末的最佳浸泡时间和掺量需要根据不同浸泡时间和掺量与脲酶活性的关系确定；3.尿素、镍离子与大豆粉末滤液的最佳质量比需要根据不同尿素掺量、大豆粉末滤液含量和矿化时间与镍离子去除率关系确定；4.通过应用最佳质量比下的尿素和大豆粉末滤液，可以获得不同镍离子浓度下的去除率和不同胶结次数下的砂土的碳酸钙含量和无侧限抗压强度。
关键词组：生物水泥；大豆粉末滤液；去除率；砂土；无侧限抗压强度
Zichao YIN, Yesha NI, Lin LI, Tong WANG, Jiafeng WU, Zhe LI, Dapeng TAN
DOI: 10.1631/jzus.A2200014 Downloaded: 703 Clicked: 1120 Cited: 0 Commented: 0(p.47-62) <Full Text><PPT> 369
机构：1浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310014；2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
目的：汇流旋涡的实时监测可有效促进冶金精炼、燃料系统、水力发电等工业场景的提质增效。本文旨在建立两相旋涡流固耦合模型，获取壁面冲击振动信号和提取旋涡贯穿特征，以期为工业防涡和抑涡提供理论参考与技术支持。
创新点：1.建立了涡流力学模型，得到了临界贯入状态的规律；2.建立了流固耦合模型，得到了涡激振动信号；3.提出了一种基于四方程的振动响应求解方法。
方法：1.采用水平集方法，建立自由汇流旋涡模型来研究气液两相作用机理；2.建立流固耦合动力学模型，研究冲击振动特性，并揭示临界流动状态的转变机理；3.搭建实验观测平台，验证数值计算结果的准确性。
结论：1.涡流耦合能量引起的压力振荡是流固冲击振动产生的根本原因；2.旋涡达到临界穿透状态时，两相耦合引起的压力振荡导致各频率信号显著增强，且高频波段尤为明显；3.根据流体动力学相似理论搭建的实验平台可基于冲击振动特性实现对汇流旋涡的实时监测。
关键词组：自由汇流旋涡；流固耦合建模；多物理场模型；振动冲击特性
Xiaoxuan LI, Bingqing WANG, Xudong PENG, Yuntang LI, Xiaolu LI, Yuan CHEN, Jie JIN
DOI: 10.1631/jzus.A2200612 Downloaded: 1155 Clicked: 1358 Cited: 0 Commented: 0(p.63-78) <Full Text><PPT> 323
机构：1中国计量大学，质量与安全工程学院，中国杭州，310018；2中国计量大学，机电工程学院，中国杭州，310018；3浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023
目的：研究丁腈橡胶硬度对O形液压杆封静/动态密封性能的影响，为其工程中橡胶硬度的选型提供理论参考。
创新点：1.基于混合弹流润滑模型，分析了丁腈橡胶硬度对O形液压杆封静/动态密封性能的影响；2.以低泄漏、低摩擦为目标，获得了静/动态应用下丁腈橡胶O形液压杆封的橡胶硬度优选范围。
方法：1.通过数值分析静接触压力、von Mises应力、最小液膜厚度、泄漏率和摩擦力，揭示丁腈橡胶硬度对O形液压杆封静/动态密封性能的影响机理；2.以最大静接触压力和最大von Mises应力作为静密封性能评价指标，以及以净泄漏量和摩擦功耗作为动密封性能的评价指标，确定丁腈橡胶O形液压杆封的最佳橡胶硬度值。
结论：1.随着橡胶硬度的增加，丁腈橡胶O形液压杆封的抗变形能力增强，静接触压力增大，最小液膜厚度减小，泄漏量减小，摩擦力增大；2.低硬度密封易产生挤出效应和应力集中现象，因此更适合在高速或低密封性要求的场合使用；3.高硬度密封具有更优的静/动态密封性能，所以特别适用于高压工况场合，但由于其摩擦力较大，因此在满足泄漏要求的前提下应尽量选择相对较低的橡胶硬度以减小摩擦。
关键词组：丁腈橡胶硬度；密封性能；优化选型；O形圈
Haoyu SUN, Haiyang MA, Li WANG, Yang LIU, Tian HOU, Wenjie TANG, Qing YU, Meiwen AN, Meiling WEN
DOI: 10.1631/jzus.A23D0045 Downloaded: 1154 Clicked: 1666 Cited: 0 Commented: 0(p.79-96) <Full Text><PPT> 355
机构：太原理工大学，生物医学工程学院生物医学工程研究所,中国太原，030024
目的：三维（3D）水凝胶模型在组织工程中起到了促进组织再生的关键作用。三维水凝胶模型中的仿生微通道网络系统是实现最佳细胞功能的必要条件。本文旨在研究利用电纺技术和牺牲模板法制备具有内部微通道网络的仿生水凝胶支架，用于三维内皮细胞培养形成功能性人工微血管。
创新点：1.首次利用静电纺丝技术成功制备直径＞10 μm的纤维材料，作为形成微通道网络的牺牲材料；2.通过反复挤压的方式，在高浓度甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶内成功创建了微通道和空腔，从而创建了微血管样通道；3.成功在微通道腔内形成内皮细胞单层，并研究了3D水凝胶支架表面和支架内对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的活性、增殖、形态发生和血管再生的影响。
方法：1.以难挥发的去离子水和易挥发的六氟异丙醇（HFIP）为溶剂，通过优化配比及电纺条件，使其静电纺直径更大的纤维，用于形成微通道结构的牺牲材料（图1）；2.合成并研究高浓度的纯GelMA水凝胶和支架的理化性能和生物相容性。通过力学性能、溶胀性能和降解性能等表征和对比，筛选出最优性能的支架（图2~5）；3.通过对支架表面和支架内的内皮细胞培养，量化对比内皮细胞的形态发生以及细胞核铺展，研究支架对人工微血管形成的影响（图6~8）。
结论：1.在室温条件下，聚乙烯醇（PVA）纤维能够被聚丁二酸丁二醇酯（PBS）溶液快速溶解；2.通过力学性能、溶胀性能和降解性能等测试，与纯GelMA水凝胶相比，含微通道网络的仿生GelMA水凝胶力学性能有所下降。虽然微通道网络的存在降低了其各种性能，但仍有利于HUVECs的生长和增殖，且满足组织再生的周期，特别适用于三维细胞培养和组织工程应用；3.CCK-8毒性测试和对细胞的活-死染色结果显示，三种支架均具有良好的生物相容性。在培养7 d后，材料表面细胞相互连接形成管状结构，HUVECs在浓度为25%的支架比15%和20%的支架细胞数量显著增加，且有更明显的铺展和管状结构。这表明其状态良好，支持了含内部结构的GelMA水凝胶支架的生物相容性，且此支架可作为生物医学领域的3D细胞培养，应证了上述所提到的内含微结构的水凝胶亦适用于细胞附着与增殖。4.经过对细胞的4’,6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）和微丝染色，结果显示培养3 d后，在支架通道内形成了稳定的内皮单细胞层，细胞核分布均匀且沿着孔道主轴方向排布，微丝清晰可见，大多倾向于轴向分布。其次，微孔道通过接触引导影响HUVECs的细胞行为与形态，从而促进HUVECs形成微血管。发现微通道管腔3D微环境通过接触引导促进融合的内皮细胞单层的形成，进一步表明了此支架作为体外微血管的再生的适用性。最后，通过量化对比，微通道加速了微血管的再生。
关键词组：仿生支架；光交联；微通道网络；组织工程；人工微血管