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二维碳基复合光催化材料的理论设计与性能研究

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二维碳基复合光催化材料的理论设计与性能研究

作者：李浩天江西理工大学

学位级别：硕士

光催化清洁制氢技术被认为是解决当下能源危机的一种有效手段,二维材料领域最热门的石墨烯材料受限于零带隙特征无法被用作高效的光催化剂。通过对石墨烯改性得到碳基材料,不仅保留了原有的优异性质,还改善了部分不利的缺陷,因此有潜力... 详细信息

光催化清洁制氢技术被认为是解决当下能源危机的一种有效手段,二维材料领域最热门的石墨烯材料受限于零带隙特征无法被用作高效的光催化剂。通过对石墨烯改性得到碳基材料,不仅保留了原有的优异性质,还改善了部分不利的缺陷,因此有潜力应用在光催化领域。近年来,随着材料模拟计算深度和广度的不断扩展,第一性原理计算方法也已经发展成为计算与分析材料物性的重要工具。本文从碳基材料切入,构建范德华异质结,借助第一性原理计算方法综合分析了异质结类型、电子结构、界面效应以及光催化活性,目的就是探寻结构稳定、性能优异、可用于光催化分解水制氢的高效光催化剂。主要研究内容如下:(1)两种宽禁带半导体(SiC和GaN)与还原氧化石墨烯(RGO)构成异质结的光催化性能研究:结合电子结构和界面特性分析得出Si C/RGO复合结构为Ⅰ型异质结,这是一种潜在的长寿命光电材料。Ga N/RGO复合结构是一种理想的可用于光催化分解水制氢的Ⅱ型异质结,得益于它的结构特性,光生电子-空穴的重组受到限制,极大改善了异质结的光催化性能。Ga N/RGO异质结1.92 e V的带隙值不仅保证了可见光照射下的光吸收,同时确保可以跨越p H=0时水的氧化还原电位,这是光催化分解水制氢得以实现的重要条件。此外,氧化反应和还原反应以相对同步的速率进行,这加快了整个反应的发生速度,从而进一步提高光催化的效率。(2)碳基二维半导体与二维过渡金属二卤族化合物构成CN/WS异质结的光催化性能研究:通过分子动力学模拟、声子色散谱以及弹性常数的计算证明了异质结的热力学稳定性,动力学稳定性和机械稳定性。电子结构、界面效应和巴德电荷定量分析相结合,确定CN/WS复合结构为Z型异质结,并且在可见光范围内具有良好的光吸收性能。根据Z型异质结中电荷转移和分离的特点,尽管CN/WS异质结的带隙值偏小(<1.23 e V),依旧可以实现p H=0到p H=7的全范围分解水。载流子迁移率和激子结合能也可以证明异质结的光催化性能良好。除此之外,通过过电位的计算(0.83 V)表明CN/WS异质结析氧能力优异,有望成为一种新型高效的光催化剂。

关键词：第一性原理碳基复合材料范德华异质结光催化

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柔性基层沥青路面温度场的预估模型

武汉理工大学学报 2010年第24期32卷 84-89页

作者：李浩天贾渝白琦峰江苏省交通科学研究院南京211112 东南大学交通学院南京210008

以实测气象数据和路面温度场为回归分析的研究对象,建立了柔性基层沥青路面温度场预估模型。采用分层统计方法,克服了预估模型在路面较深处精度降低的困难。充分考察了气温、太阳辐射对路面不同层位的温度场的影响的滞后时间。模型中引... 详细信息

以实测气象数据和路面温度场为回归分析的研究对象,建立了柔性基层沥青路面温度场预估模型。采用分层统计方法,克服了预估模型在路面较深处精度降低的困难。充分考察了气温、太阳辐射对路面不同层位的温度场的影响的滞后时间。模型中引入了温度随深度增加的衰减因子。结果表明,气温、太阳辐射对路面不同层位表现出不同的滞后时间,各层模型引入的影响因素应不一。引入温度衰减因子后,通过分层统计方法建立的各层温度场模型均呈现较高精度。

关键词：道路工程沥青路面柔性基层温度场预估模型分层统计衰减因子

掺杂石墨基地质聚合物的制备及其导电性能研究

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掺杂石墨基地质聚合物的制备及其导电性能研究

作者：李浩天广西大学

学位级别：硕士

冬季,降雪天气时常在我国北方出现,并且有着较大的覆盖面积和较长的积雪天数,严重阻碍交通出行,对行人的出行安全威胁很大,给交通运输带来了极大的不便,传统的机械清除法清扫并不干净,且设备耗资巨大,经济效益差,而传统的盐融法除雪方... 详细信息

冬季,降雪天气时常在我国北方出现,并且有着较大的覆盖面积和较长的积雪天数,严重阻碍交通出行,对行人的出行安全威胁很大,给交通运输带来了极大的不便,传统的机械清除法清扫并不干净,且设备耗资巨大,经济效益差,而传统的盐融法除雪方式会对环境产生不良影响。同时,北方采用集体供暖的方式,不仅消耗大量的资源,还对环境造成污染,也是雾霾产生的主要原因之一。春季,在我国南方会出现“回南天”,影响人的身体健康,传统处理方式效率低下,耗能巨大,造成严重的资源浪费,而通过利用导电地质聚合物的焦耳效应,在避免过度浪费资源和污染环境的前提下,达到化雪、除湿的作用。针对以上问题,本实验参考石墨导电混凝土和磷酸基地质聚合物的工艺,以偏高岭土和石墨为原料,磷酸为激发剂,制备掺杂石墨基导电地质聚合物。先以抗压强度为指标,考察不同温度、HO、磷酸和石墨添加量对掺杂石墨基导电地质聚合物的影响;以电阻率为指标,考察不同温度、HO、磷酸添加量,不同石墨添加量和石墨颗粒大小对掺杂石墨基导电地质聚合物的导电性能的影响规律。(1)掺杂石墨基导电地质聚合物的抗压强度较佳的养护制度是在60℃反应1d后脱模,后在密封的袋子中养护2d,再敞开养护2d;当磷酸/偏高岭土质量比为0.8,HO/偏高岭土质量比为1.4,石墨/偏高岭土质量比为0.9,石墨目数为8000时抗压强度最大为6.91MPa。(2)掺杂石墨基导电地质聚合物的电阻率最低的养护制度是在60℃反应1d后脱模,后在密封的袋子中养护2d,再敞开养护2d;当磷酸/偏高岭土质量比为0.9,HO/偏高岭土质量比为1.4,石墨/偏高岭土质量比为0.8,石墨目数为8000时电阻率最低为0.039Ω·m。(3)对制成的掺杂石墨基导电地质聚合物进行XRD表征,发现掺杂石墨基导电地质聚合物在20°0°之间出现弥散峰,石墨在地质聚合物中仍然保持原有特征峰,没有出现新的特征峰,说明掺杂石墨基导电地质聚合物与磷酸基地质聚合物物相相似,都是无定型的,石墨的物相在反应中没有改变。(4)从红外光谱分析可知,添加了石墨的地质聚合物的红外光谱与未添加石墨的地质聚合物的红外光谱基本一致,未出现新的化学键,而且不同石墨添加量的红外光谱图也基本一致,说明石墨未参加到地质聚合反应中,石墨添加量的多少也不会影响磷酸基地质聚合物的生成,与XRD检测结果一致;但石墨添加量增加,会使石墨基导电地质聚合物抗压强度下降。(5)从SEM分析中,发现石墨颗粒被地质聚合反应生成的凝胶物所包裹,当石墨加入量较少时,此时的石墨颗粒较为分散,颗粒之间接触面积较小,此时导电地质聚合物主要通过隧道效应和场致发射效应导电,电阻率较大。随着石墨粉不断增加,石墨颗粒之间的接触面积不断增大,此时主要靠导电通路效应进行导电,地质聚合物的电阻率大幅下降。

关键词：地质聚合物磷酸偏高岭土石墨导电性能

一种差动型高增益DC-DC变换器分析与设计

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电力系统保护与控制 2023年第17期51卷 119-131页

作者：岳舟李浩天廖辰星李嘉健湖南人文科技学院能源与机电工程学院湖南娄底417000

针对传统DC-DC变换器电压增益低、开关管电压应力较高、输入电流和输出电压纹波较大等问题,提出一种由两个多电平升压变换器差动连接而成的DC-DC变换器。首先,详细分析了所提变换器的拓扑结构、工作状态以及电路参数设计。理论分析结果... 详细信息

针对传统DC-DC变换器电压增益低、开关管电压应力较高、输入电流和输出电压纹波较大等问题,提出一种由两个多电平升压变换器差动连接而成的DC-DC变换器。首先,详细分析了所提变换器的拓扑结构、工作状态以及电路参数设计。理论分析结果表明,在占空比为0.5时,该新型变换器输入电流和输出电压的纹波相互抵消,具有明显的纹波抑制功能。同时,当电容器以互补开关方式运行时,电容器纹波的减少降低了电容器的尺寸。此外,该新型变换器无需添加额外的开关管,驱动及控制电路设计简单。然后,对所提变换器与其他类似变换器在电压增益、元件器数量以及半导体器件的电压应力等方面进行了对比分析,进一步说明了所提变换器的优越性能。最后,通过仿真研究和样机实验验证了理论分析的正确性,以及所提拓扑结构在降低元器件电压应力、提高电压增益方面的有效性。

关键词：升压变换器纹波抑制高电压增益差动连接

ROV深海采矿系统输送泵内部流动分析与优化设计

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ROV深海采矿系统输送泵内部流动分析与优化设计

作者：李浩天湖南大学

学位级别：硕士

深海矿产开采因其较高的商业价值,逐渐受到全球商业采矿公司的关注。目前,业内认为以深海输送泵为动力的ROV(遥控无人潜水机器人)深海采矿水力管道提升方式最具前景,而深海输送泵作为提升系统的关键装备,直接影响着整个提升系统的提升... 详细信息

深海矿产开采因其较高的商业价值,逐渐受到全球商业采矿公司的关注。目前,业内认为以深海输送泵为动力的ROV(遥控无人潜水机器人)深海采矿水力管道提升方式最具前景,而深海输送泵作为提升系统的关键装备,直接影响着整个提升系统的提升高度、效率与稳定性。本文采用理论分析、数值模拟等方法深入探究深海输送泵的内部流动规律,并基于响应面法和遗传算法研究叶轮叶片对深海输送泵性能的影响,优化叶片结构。论文以“十三五”期间我国自主研制了的多级输送泵(后文统一为“十三五泵”)为研究对象,结合CFD理论对其进行数值模拟,分析输送泵的内部流动特性。采用放大流量设计法对输送泵重新设计,确定叶片的各参数范围,运用响应面法与遗传算法优化法对输送泵进行优化。主要内容为:(1)根据海底矿产开采的工作要求,采用放大流量设计法开展深海输送泵的设计。根据相关理论,计算叶片各参数的合理取值范围,确定二级输送泵的总体设计结构。并以“十三五泵”为对象,基于RNG k-ε湍流模型对其进行数值模拟,将数值模拟结果与试验结果比较分析,验证CFD数值模拟方法的准确性和可行性。(2)基于欧拉-拉格朗日固液两相模型,对深海输送泵内固液两相流动特性进行研究。对比研究清水工况和固液工况的特性及压力、速度分布规律。深入探究不同流量下颗粒的分布规律及流动规律,分析泵开机时颗粒的流动分布规律及泵内颗粒体积变化规律。结果表明,深海输送泵无法在小流量固液工况下正常运行;输送泵在额定工况下正常开机运行,在流动稳定后泵内的颗粒体积浓度稍高于进入时固液两相介质的颗粒体积浓度。(3)运用响应面法、数值模拟方法建立叶片各参数与泵扬程、效率响应面回归模型,验证对比回归模型预测值与数值模拟计算值。结果表明该响应面模型可以准确地预测不同叶片参数下泵的性能参数。(4)运用遗传算法优化叶片设计参数,分析叶片参数对扬程与效率的影响,进而提高深海采矿输送泵的扬程和效率。提出并验证了对输送泵叶轮叶片的优化方法:第一种方法为将其中一个待优化值转化为不等式约束条件,运用遗传算法进行单目标优化,可得到一个目标值不小于某一值下另一目标值的最优值,采用此方法获得了扬程不小于45米且效率取到最大值时的叶片设计参数;第二种方法是运用NSGA-Ⅱ算法对扬程、效率进行双目标优化,得到最优前端解集,并根据设计需求从最优前端解集中选取最合适的叶片设计参数。

关键词：深海采矿深海输送泵固液两相流放大流量设计法数值模拟响应面法遗传算法

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基于速差反馈的独立车轮曲线通过性能分析

振动与冲击 2018年第23期37卷 126-132,156页

作者：李浩天池茂儒梁树林吴兴文西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031

为解决独立车轮在直线和大半径曲线上的自导向能力不足和耦合轮对在小半径曲线上通过能力有限的问题,从胎-地接触力学角度分析了汽车差速器差速原理,引出了机械差速器和等转矩分配差速策略应用于铁道车辆的适应性。根据车轮运动状态,理... 详细信息

为解决独立车轮在直线和大半径曲线上的自导向能力不足和耦合轮对在小半径曲线上通过能力有限的问题,从胎-地接触力学角度分析了汽车差速器差速原理,引出了机械差速器和等转矩分配差速策略应用于铁道车辆的适应性。根据车轮运动状态,理论推导了曲线半径分界点的存在。提出了一种独立车轮电差速控制方法,建立了独立车轮轻轨车辆的动力学模型和基于速差反馈的控制模型,并根据电机特性,选取控制系统关键参数。通过SIMAT联合仿真,分析了不同半径下独立车轮轻轨车辆的曲线通过性能。结果表明:通过小半径曲线时,差速轮对曲线通过性能较优,动力学行为类似于独立车轮;通过大半径曲线时,同速轮对曲线通过性能较优,自导向能力和动力学行为类似于耦合轮对;通过中等半径曲线时,两种控制方式的车轮曲线通过性能差距缩小,且存在交叉互换的曲线半径分界区,分界区位于500～600 m。

关键词：独立车轮差速原理速差控制轮对曲线通过性能滑模控制

干式空心电抗器星形架热效应对包封温度的影响研究

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干式空心电抗器星形架热效应对包封温度的影响研究

作者：李浩天昆明理工大学

学位级别：硕士

在电力系统中,干式空心电抗器作为长距离输电系统的主要辅助设备,其作用为无功补偿、移相以及限制电力传输系统的短路电流等。由于干式空心电抗器具有优异的电气性能,其在电力传输系统中发挥着重要作用。在电抗器的日常运行过程中,由于... 详细信息

在电力系统中,干式空心电抗器作为长距离输电系统的主要辅助设备,其作用为无功补偿、移相以及限制电力传输系统的短路电流等。由于干式空心电抗器具有优异的电气性能,其在电力传输系统中发挥着重要作用。在电抗器的日常运行过程中,由于星形架产生涡流热效应和包封生热,同时,其随时处于大电流、高电压和强磁场相结合的极端环境中,包封局部温度升高,甚至过热,最终导致正常工作的电抗器在其顶、底两端的星形架附近发生烧损甚至火灾。这给国家和企业,乃至人民的生活带来了巨大的损失,给周边的环境造成了巨大的破坏。因此,利用有限元分析的方法,研究星形架热效应对包封温度的影响,以及对比光纤Bragg光栅检测电抗器包封的温度分布数据进行有效的分析,都对电力系统的发展具有重要的意义和重大的实用价值。针对干式空心电抗器的结构特点和检测需求,利用有限元分析方法和数据对比法,有效地对干式空心电抗器包封温度所受星形架热效应的影响进行研究,以及将仿真结果与电抗器温升试验数据做对比分析。本文研究内容主要包括:(1)根据干式空心电抗器的结构,从其星形架结构特点入手,在干式空心电抗器工作的情况下,星形架上导线通电产生电流,在电抗器中心圆环处产生涡流效应,由于涡流生热,星形架将热量发散到各方向的支架上。分析研究了星形架的涡流热效应,并结合电抗器实际参数与传热学知识对干式空心电抗器进行了有限元建模,建立了一个与电抗器实际尺寸1:1的有限元模型。(2)运用ANSYS WORKBENCH对干式空心电抗器进行有限元分析,得到干式空心电抗器在无星形架下的十一层包封的温度分布图。针对星形架的涡流热效应,通过有限元分析得到了电抗器星形架热效应对包封温度的影响图,并对第一、三、五、六、七、九、十一层包封在是否有星形架影响下的包封温度分布进行了对比,分析了星形架热效应对各包封温度的影响。包封层从两侧向中间,星形架热效应对包封温度的影响越来越小,对第一层包封温度影响较大,对第六层包封温度影响较小。(3)通过电抗器温升试验,分别介绍了试验所用的光纤Bragg光栅温度传感器以及传感器的安装位置分布。通过搭建的光纤Bragg光栅温度传感网进行温升过程的在线检测,将所得的包封温度的实际测量数据与仿真结果数据做对比,并加以分析,分析结果为试验数据基本位于仿真数据的区间之内。通过数据分析,为干式空心电抗器的运行安全提供依据。本文通过有限元分析和数据对比等方式,分析了干式空心电抗器星形架热效应对电抗器包封的温度分布的影响研究。实施过程中完成了电抗器结构的建模与有限元仿真、数据对比等工作,以上经验对电力传输系统中干式空心电抗器的预防火灾和在线检测有着重要参考价值。

关键词：干式空心电抗器星形架有限元分析温度数据对比

高稳定锆基金属有机框架分离膜的制备及脱盐性能研究

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高稳定锆基金属有机框架分离膜的制备及脱盐性能研究

作者：李浩天大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着人口的增长以及工业的发展,水资源短缺以及水体污染的问题日趋严重。膜法脱盐技术被认为是一种能够从盐水中收集淡水资源的有效方法。渗透蒸发(PV)作为一种热膜耦合技术,在高盐水处理中受到越来越多的关注。然而,目前PV膜普... 详细信息

近年来,随着人口的增长以及工业的发展,水资源短缺以及水体污染的问题日趋严重。膜法脱盐技术被认为是一种能够从盐水中收集淡水资源的有效方法。渗透蒸发(PV)作为一种热膜耦合技术,在高盐水处理中受到越来越多的关注。然而,目前PV膜普遍存在通量低和稳定性不足的问题。由于独特的优势(如规整的孔结构、高孔隙率以及多样化的构造单元),结晶分子筛膜(例如沸石和金属有机骨架(MOF))在脱盐应用中受到越来越多的关注,其中,高稳定Zr-MOF UiO-66膜被视为一种有前景的脱盐膜。但是,该膜目前仅被应用于低浓度盐水的处理,且存在渗透性不足和低盐截留率等问题。为解决上述问题,本论文中,我们提出“原位纳米晶播种+二次生长”策略,用于制备高质量、稳定的MOF薄膜(UiO-66),并将其用于高盐水的PV脱盐过程。为了解决膜的质量问题,在粗糙的莫来石载体上引入了高质量的TiO纳米中间层,以促进UiO-66晶种的生长;在该晶种层的基础上,继续进行二次生长,最终获得了共生良好的UiO-66选择性膜层;随后系统地研究了UiO-66膜在不同盐浓度、进料温度下的分离性能,以及在不同化学环境中的长期操作性能;进一步地,对进料液中存在有机和无机模型污染物时发生的膜污染行为进行了研究。主要的结果结论如下:(1)莫来石陶瓷载体和TiO纳米中间层的制备研究。以无机固废粉煤灰以及天然矿物铝矾土作为原材料,采用“湿法纺丝+高温烧结”工艺制备了低成本的莫来石中空纤维陶瓷载体,然而,该载体表面粗糙,孔径分布宽并且成核位点浓度低。为提高载体表面质量,采用“浸渍涂覆”工艺在莫来石载体表面引入了一层TiO纳米中间层,该中间层具有更低的表面粗糙度、更小的孔径及改善的表面化学环境,不仅有利原位生长均匀分布的UiO-66纳米晶种层,且能够有效避免其在大孔载体中生长。(2)UiO-66分离膜的制备及表征研究。通过前体溶液的异相成核,UiO-66纳米晶种(～180 nm)原位生长并均匀分布在TiO-莫来石载体上,经过随后的二次生长过程,可以形成高质量的UiO-66薄膜。该薄膜具有晶体共生良好且无缺陷的表面形貌、亲水性以及较低的膜厚度(约1μm),XRD、FTIR等表征结果证明,所制备的膜具有UiO-66纯相,单气体渗透的结果也证明了该UiO-66薄膜是完整无缺陷的。(3)UiO-66膜的PV脱盐性能以及长期操作稳定性。在PV过程中研究了UiO-66膜的脱盐性能,结果表明,UiO-66膜的渗透通量随进料温度的升高而增加,且随进料盐浓度的增加而下降,且脱盐率始终保持较高水平(>99.9%)。除了表现出超高的盐截留率,UiO-66膜处理高盐度水(7 wt.%)时也表现出高通量(37.4 L·m·h),性能优于目前处理低盐度水(3.5 wt.%)的沸石和MOF膜(2-20 L·m·h)。此外,UiO-66膜在苛刻环境(例如高温和酸性高盐溶液)下也表现出优异的长期运行稳定性。(4)UiO-66膜的膜污染行为研究。研究了Zr-MOF对于水中有机污染物的吸附作用并以腐植酸、海藻酸钠以及矿物离子为模型污染物,探讨了UiO-66膜长期脱盐过程中的膜污染行为。首先,Zr-MOF与四环素存在较强的化学吸附作用,这是导致膜发生污染的主要因素之一。其次,对于由腐殖酸和海藻酸钠引起的有机膜污染,该污染过程可分为两个阶段,膜-污染物作用阶段以及污染物层-污染物作用阶段。根据XDLVO理论的定量计算结果,在这两个阶段中各种相互作用表现出相似的变化趋势,负的总相互作用能表明全部界面处均表现出吸引的相互作用,当靠近膜表面时,短程相互作用(AB酸碱相互作用)主导了膜污染,当分离距离较大时,长程相互作用(LW范德华相互作用)在膜污染中起主导作用。此外,由Ca、Mg等矿物离子引起的矿物结垢则较为严重,会堵塞水的传输通道,降低水通量。本研究中提出的膜制备策略不仅适用于UiO-66膜,也可以扩展到的其他MOF膜的制备及更多分离应用。此外,有必要采取合适的抗污染策略以提高UiO-66膜对真实含盐废水的抗污染能力。

关键词：金属有机框架 UiO-66 分离膜渗透蒸发脱盐

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深海开采矿浆泵水力管道提升理论与设计

中国有色金属学报 2021年第10期31卷 2953-2962页

作者：邹伟生李浩天康娅娟湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院佛山528000

水力管道提升系统是联系海底采矿车和水面采矿船的中间环节和海底矿石运输通道。本文对矿浆泵水力提升系统的关键技术和关键装备进行研究,提出了粗颗粒海底矿石浆体在提升管道中的流动模型和理论,并提出了具有通过粗颗粒、高扬程、轴向... 详细信息

水力管道提升系统是联系海底采矿车和水面采矿船的中间环节和海底矿石运输通道。本文对矿浆泵水力提升系统的关键技术和关键装备进行研究,提出了粗颗粒海底矿石浆体在提升管道中的流动模型和理论,并提出了具有通过粗颗粒、高扬程、轴向流、能回流特性的矿浆泵的高比转数混流泵型和技术以及矿浆泵放大流量、等功率设计理论,得到了试验室矿浆试验、海底矿石提升海上试验的验证,应用这些理论和技术对海洋矿产资源商业开采矿浆泵水力提升系统进行了改进。

关键词：海洋矿产资源水力提升系统粗颗粒浆体矿浆泵