張曉濤，呂 奎，陸愈實

（中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢430074）

冷熱氣體介質(zhì)對空氣幕阻隔作用的影響

張曉濤，呂 奎，陸愈實

（中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢430074）

為了研究高溫與常溫空氣介質(zhì)對空氣幕阻隔作用的影響，利用火災動力學模擬器軟件構(gòu)建了空氣幕局部模型，并設置火災熱壓與常溫風壓情況兩種場景，在進行模型合理性驗證后，采用大渦模擬的方法對兩種場景分別進行了數(shù)值模擬。探討了在空氣幕不同出口風速下，兩種場景對空氣幕射流失效位置、氣體滲入臨界壓差及滲入速率的影響，同時還分析了熱壓與風壓共同作用對空氣幕阻隔性能的影響。研究表明：在火災場景下，熱壓導致空氣幕射流失效的位置高度為常溫風壓的166．67％～200．00％，造成空氣幕失效的臨界壓差是風壓的159．27％～202．33％，滲入速率則是風壓的280．41％～315．46％。當空氣幕出口風速為10 m／s時，在風壓與熱壓共同作用下，風壓每提高1 Pa，空氣幕保護區(qū)域內(nèi)溫度提高約10～20°C，一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。且隨著風壓的增加，一氧化碳在空氣幕近前方產(chǎn)生明顯的累積效應，對火災撲救與人員疏散不利。

空氣幕；空氣介質(zhì)；熱壓；風壓；臨界壓差；FDS；數(shù)值模擬

空氣幕作為一種氣體的隔斷裝置，由Van Kennel在1904年首次應用［1］，在其后的50年內(nèi)，被廣泛應用于各個領域。由于空氣幕具有良好的氣流阻隔作用，且不會阻礙人員與車輛的自然流通，因此在工業(yè)、建筑、交通等多個領域有著廣泛的應用。近年來，各個領域的學者對空氣幕阻隔性能進行了研究，在采礦工業(yè)防塵方面，Kissell研究了空氣幕對可吸入粉塵的阻隔作用［2］；在開放式冰庫的保溫方面，Goncalve研究了空氣幕對室內(nèi)不同溫度氣體導熱的隔斷作用［3］；在交通領域，Cioc?nea通過CFD建模，研究了利用空氣幕對長輸隧道車輛尾氣進行控制［4］；在消防領域，Luo通過實驗與數(shù)值模擬，研究了空氣幕對煙氣蔓延的阻隔作用，并與擋煙捶壁進行了對比［5-6］。

近年來對空氣幕阻隔性能的研究可根據(jù)其阻隔介質(zhì)分為兩類:一類為高溫介質(zhì)，主要為火災時期的高溫有毒煙氣，其空氣幕內(nèi)外壓差由熱壓導致；另一類為常溫介質(zhì)，主要為粉塵等污染物以及室內(nèi)外空氣，其空氣幕內(nèi)外壓差由風壓導致。但是兩類介質(zhì)對空氣幕阻隔性能的不同影響卻很少有學者研究。而正確區(qū)分兩類介質(zhì)對空氣幕阻隔性能的影響，不僅能為空氣幕參數(shù)的設置提供全面的理論依據(jù)，而且對相關標準的制定也具有重要的指導意義，因此有必要研究不同介質(zhì)對空氣幕阻隔性能的影響。本文通過數(shù)值建模，利用FDS火災動力學模擬軟件構(gòu)建了高溫與常溫兩類場景，并從空氣幕失效位置、臨界壓差及氣體滲入發(fā)展速率方面進行了對比研究，同時分析了在熱壓與風壓共同作用下空氣幕阻隔性能的變化，為不同場合下空氣幕的使用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

FDS是由美國NIST（National Institute of Standars and Technology）開發(fā)的軟件，主要解決火源驅(qū)動的計算流體動力學模型。該模型通過解算一系列N-S方程，能夠較為精確地計算低速、熱驅(qū)動的流體流動。由于FDS是開源程序，因此其計算的合理性也得到了許多學者的驗證［7-9］。

FDS在數(shù)值計算時，其主要的基本控制方程如下:

質(zhì)量方程:

動量方程:

能量方程:

式中:ρ為密度，t為時間，u為速度矢量，p為壓力，fb為作用于流體上的外力（除重力外），τij為粘性力張量，h為比焓為熱釋放速率為輻射熱損失速率，k為導熱系數(shù)，T為熱力學溫度，Di為第i種組分的擴散系數(shù)，Yi為第i種組分的質(zhì)量分數(shù)，ε為粘性耗散率。

本文使用大渦模擬進行解算，其算法主要是通過已經(jīng)設置好的數(shù)學濾波進行處理，把包括脈動在內(nèi)的湍流瞬時運動方程分解為描寫大渦流場的運動方程與小渦流場的運動方程，對小于特征尺度的小渦流場，采用湍流模型進行求解，通過這樣的分化，既能保證了計算的精確性，同時對計算機內(nèi)存的需求也明顯降低。

2 模型的構(gòu)建及參數(shù)設定

本文根據(jù)某建筑中走廊局部結(jié)構(gòu)構(gòu)建數(shù)值模型，帶有空氣幕的門將該走道分為兩部分:右邊部分為外部環(huán)境；左邊部分是需空氣幕保護的部分，稱為空氣幕保護區(qū)域。

為了研究兩種場景下不同氣體介質(zhì)對空氣幕的影響，本次研究主要對兩種場景進行建模:

場景1:火災情況下熱壓對空氣幕的影響；

場景2:常溫（25℃）下風壓對空氣幕的影響。

2．1 物理模型設置

本次模擬中，場景1走廊模型尺寸為20．4 m× 3．6 m×3．0 m（長×寬×高），走廊兩端與大空間辦公樓相連接，因此設置中假設與外界直接相通?；鹪淳嚯x空氣幕7．5 m，其面積為1．0 m×1．0 m，反應物質(zhì)為庚烷?？諝饽磺昂?．5 m處分別設置了氣壓探測平面、流量探測平面及熱量探測平面，其面積為3．6 m× 3．0 m（寬×高），用以測量空氣幕內(nèi)外壓差、氣體滲入流量。大門為標準雙開門，尺寸為2．0 m×2．4 m（寬×高），門后端中心1．0 m處豎直均勻設置一排速度探測點，其最低探測器距離走廊地面為0．1 m，最高探測器距離走廊頂面也為0．1 m，探測點間距為0．1 m，用以測量滲過空氣幕后氣體流速。距走廊頂部2．8 m處，每隔0．5 m橫向設置了熱電偶，用以測量走廊縱向溫度變化。在門的正上方，橫向設置了空氣幕，其尺寸為0．2 m×2．0 m（長×寬），空氣幕射流向外噴出的角度為20°。模型的構(gòu)建如圖1（a）、（b）所示。

圖1 模型及場景設置Fig．1 Model configuration and the scene settings

場景2的設置與場景1基本相同，較場景1主要有兩點區(qū)別:1）去掉了火源；2）在走廊兩端設置了與外界相通的供風口以提供風壓，風口面積尺寸為3．6 m×3．0 m（寬×高）。其模型構(gòu)建如圖1（c）所示。

2．2 網(wǎng)格獨立性分析

在模擬計算時，網(wǎng)格劃分得越細，其計算所得的結(jié)果就越精確，但計算所需的時間會呈指數(shù)增長［10］。為了得到精確的模擬結(jié)果且不耗費太多的成本與時間，在模擬計算前應對網(wǎng)格的劃分進行分析。本文提出了三種網(wǎng)格劃分方案，如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分方案Table 1 The cases of mesh grid size

在空氣幕出口風速為10 m／s，火源熱釋放率為10 MW時進行模擬，同時觀察不同方案下溫度探測器所測結(jié)果并分析其差異性，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方案下溫度變化Fig．2 Comparison of smoke temperature under different mesh cases

通過圖2可知，在不同方案中，溫度變化的差異性并不大，而方案1計算所耗費的時間為方案3的39倍，為了保證計算的準確性及效率，本文選取方案2進行網(wǎng)格劃分。

2．3 火源熱釋放率及其風壓值設定

在場景1中，煙氣流動主要是由熱壓驅(qū)動的，而其驅(qū)動力的大小主要取決于火源的熱釋放率（HRR）的大小，本文通過改變火源熱釋放率來調(diào)整熱驅(qū)動力，其熱釋放率設定值從1～15 MW，每間隔0．5 MW進行一次模擬。在場景2中，本文跟據(jù)場景1中測得的空氣幕內(nèi)外平均壓差，直接通過風口設定壓差值。

2．4 模擬時間的確定

通過圖2可知，當模擬時間達到200 s時，溫度隨著時間上升的趨勢已經(jīng)明顯減弱，在250 s以后，溫度變化已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，為了保證模擬的準確性，本文確定模擬時間為300 s。

2．5 空氣幕出口風速設置

通過謝晶等［11-12］對空氣幕的研究可知，在標準雙開大門中，空氣幕射流能夠到達地面的最小風速約為6 m／s，而Foster［13］指出，在工程設計中需要在空氣幕最小送風速度上乘以一個安全系數(shù)，其取值范圍為1．3～2．0。因此，為了研究不同的空氣幕出口風速對其隔斷效果的影響，本文由低至高設置了三種不同的出口風速，分別為8、10及12 m／s。

2．6 模型相關參數(shù)的設定

由于模擬計算選擇的是大渦模擬，因此需要對相關的參數(shù)進行設置。其主要有以下2個參數(shù):

1）Smagorinsky常數(shù)，即CS，是大渦模擬中求解流體粘度的一個非常重要的參數(shù)。Zhang曾研究Smagorinsky常數(shù)對模擬結(jié)果的影響，其研究結(jié)果表明，當CS為0．18時，其模擬結(jié)果與相對應的實驗結(jié)果有著良好的一致性［14］。因此，本文取CS為0．18。

2）普朗特數(shù)Pr與施密特數(shù)Sc，這兩個參數(shù)是導熱及擴散計算時的重要參數(shù)。根據(jù)Zhang的模擬及實驗的對比研究［14］，本文設置普朗特數(shù)Pr與施密特數(shù)Sc均為0．5。其余參數(shù)的設置均使用FDS中默認參數(shù)。

3 模型驗證

在進行模擬實0驗之前，為了保證每次模擬的有效性，本文對所構(gòu)建模型進行了驗證。由于本次模擬涉及兩種不同場景，因此本次仿真驗證分別依據(jù)兩種場景進行驗證。

3．1 火災場景相關參數(shù)驗證

在火災相關參數(shù)驗證中，本文根據(jù)Luo所搭建的實驗平臺構(gòu)建數(shù)值模型［5］，并在相同位置設置溫度探測器。將模擬計算所得的溫度變化與Luo實驗測量的溫度變化進行對比。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬與實驗的溫度曲線對比Fig．3 Comparison of smoke temperature with the experiment data

通過圖3可知，模擬所得的溫度變化與Luo實驗所得溫度變化非常接近，說明在本次數(shù)值計算中，與火災的相關模擬參數(shù)設置是有效的。

3．2 風壓參數(shù)驗證

風壓驗證是基于在空氣幕沒有開啟的情況下進行的。通過改變門內(nèi)外風壓差，以測量氣體滲入流量，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)進行回歸分析，其所得結(jié)果與公開發(fā)表論文中的結(jié)果進行比較［15-16］，如圖4所示。

圖4 氣體滲入關系比較Fig．4 Comparison of smoke infiltration with simulation and experiment data

由圖4可知，本次模擬數(shù)據(jù)擬合系數(shù)為0．698，R2值為0．998，說明回歸分析結(jié)果具有很好的相關性。在前人相關研究中，Yuill實驗擬合系數(shù)為0．63［15］，Wang模擬擬合系數(shù)為0．59［16］。

本次模擬結(jié)果與前人的研究結(jié)果有一定的誤差，這可能是因為Yuill與Wang是在大空間環(huán)境下進行實驗與模擬，而本文是基于走廊環(huán)境下進行模擬，因此入風量較Yuill與Wang的測試值有所增加，但誤差屬于可以接受的范圍內(nèi)，因此可以證明在本文的模擬中，與風壓相關的參數(shù)設定是有效的。

4 結(jié)果與分析

4．1 空氣幕失效位置分析

空氣幕失效位置的高低決定了失效面積大小，繼而直接影響空氣幕的阻隔性能。圖5展示了當內(nèi)外平均壓差值均為3．5 Pa時，空氣幕出口風速為8、10、12 m／s下，走廊氣體流速分布圖。

圖5 不同出口風速下場景1及場景2對空氣幕射流的影響Fig．5 The impact on air curtain jet under variable discharge velocity in case 1 and case 2

通過圖5可知，兩種場景下，空氣幕保護區(qū)域均有氣流速度分布，說明空氣幕此時均發(fā)生了失效，而隨著空氣幕出口風速的增大，保護區(qū)域氣流速度分布明顯減弱，說明較大的出口風速有助于提高空氣幕的阻隔性能。而在出口風速相等的情況下，場景1保護區(qū)域的氣流速度分布明顯較場景2強烈，這說明在內(nèi)外平均壓差相等的情況下，火災熱壓造成的氣體滲入量明顯大于風壓所造成的，由此可以推斷，相對于場景2，場景1導致的空氣幕失效位置更高，因此氣體滲入量更大。

為了精確地確定失效位置的高度，本文通過采集空氣幕后1．0 m處氣流軸向速度值進行分析。根據(jù)Wang的研究［15］，當空氣幕發(fā)生失效后，空氣幕射流會發(fā)生偏折現(xiàn)象，如圖6［15］所示。

圖6 空氣幕偏折現(xiàn)象Fig．6 Deflection of Air curtain jet

由圖6可知，在空氣幕失效位置處，其氣流軸向速度最大，因此，可通過保護區(qū)域氣流最大軸向速度位置的高度表征空氣幕失效位置高度。表2給出了不同出口風速時，兩種場景下軸向速度最大值及其高度。

由表2可知，在內(nèi)外平均壓差相等情況下，場景1最大軸向速度出現(xiàn)高度較場景2大，約為場景2的167．67％～200％，且最大軸向速度也明顯較場景2大，因此可以推斷，同一時間內(nèi)，氣體滲入空氣幕的量也較風壓情況下大。

表2 失效位置高度Table 2 Height of disable position

4．2 氣體滲入流量與內(nèi)外壓差分析

隨著空氣幕內(nèi)外壓差ΔPoi的增大，空氣幕阻隔能力不斷減弱，當內(nèi)外壓差超過一個特定值時，空氣幕將發(fā)生失效，此特定值被稱為空氣幕在該工況下的臨界壓差，PC。當內(nèi)外壓差繼續(xù)增大，氣體會從空氣幕失效位置不斷進入保護區(qū)域。因此針對空氣幕臨界壓差及失效后氣體滲入規(guī)律研究對其阻隔性能評價有著重大意義。Wang［15］曾提出了關于空氣幕的滲透模型，可用于計算空氣幕的臨界壓差，其模型公式如下:

式中:A為出口面積，m2；Q為滲入氣體的體積流量，m3／s；C為釋放系數(shù)，可用以表征氣體滲入的發(fā)展速率；D為調(diào)節(jié)系數(shù)；ΔPoi為內(nèi)外壓差，Pa。當ΔPoi＞0時，i=1，否則，i=-1。當模型確定后，取Q=0，則所計算出的內(nèi)外壓差值Poi即為該工況下的臨界壓差值Pc。

根據(jù)該模型，可將模擬測量結(jié)果整理為無因次量QA-1（2／ρ）-0．5與｜ΔPoi｜0．5的關系，并進行線性回歸分析。圖7為空氣幕不同出口風速下，兩種不同場景下回歸分析圖，表3則展示了相關的回歸參數(shù)。

圖7 不同出口風速下場景1及場景2氣流滲入情況Fig．7 The seepage of gas under different discharge velocity in case 1 and case 2

由圖7及表3可知，隨著出口風速的增大，兩種場景下空氣幕臨界壓差均顯著提高，這說明較高的出口風速可以增大空氣幕的阻隔能力；而當空氣幕出口風速相等時，場景1的臨界壓差為場景2的159．27％～202．33％，而釋放系數(shù)C則為場景2的280．41％～315．46％。這說明在火災情況下，高溫煙氣需要達到更高的壓差才會導致空氣幕失效，而空氣幕一旦失效，高溫煙氣滲入的發(fā)展速率將是風壓場景滲入發(fā)展速率的3倍。

導致這種區(qū)別的主要原因可能是空氣幕射流上方壓強集中程度的不同。在場景2中，風壓在整個斷面上分布較為平均，因此空氣幕射流平面自上向下所受的壓強基本相同。而由于空氣幕射流動量的逐漸衰減，射流下端的阻隔能力最弱，在風壓作用下，氣體更容易由空氣幕下端最薄弱處滲入，因此臨界壓差較小，而由于失效高度較小，氣體滲入發(fā)展速率也相對較小。而在場景1中，由于高溫煙氣的熱浮力作用，氣壓分布主要集中在空氣幕射流的上半部分，而該部分射流由于具有較高動量，阻隔能力較強，所需的臨界壓差也相應較大，但由于其失效位置相對較高，因此一旦發(fā)生失效，所導致的失效面積也會較大，因此氣體滲入的發(fā)展速率也會明顯大于風壓下的氣體滲入速率。這也是場景1中空氣幕射流失效位置較場景2高的主要原因。

由此可知，在火災情況下，空氣幕一旦失效，高溫煙氣將會迅速對保護區(qū)域造成威脅，因此，在使用空氣幕進行阻煙時，應加強事前控制，盡可能采取多種控制措施進行綜合防煙，以提高空氣幕阻隔能力，一旦煙氣發(fā)生滲入，應采取有效措施進行報警。同時，在進行空氣幕相關標準制定以及空氣幕參數(shù)的設定時，應該考慮空氣幕的用途及使用范圍，而不應同一而論。

表3 場景1與場景2回歸分析結(jié)果Table 3 Results of regression analysis in case 1 and 2

4．3 熱壓與風壓共同作用對空氣幕阻隔性能影響

為了研究熱壓與風壓共同作用對空氣幕阻隔效果的影響，本文在場景1中的走廊兩端同時設置出風口以提供風壓，分析了在風壓為1、2及3 Pa時，空氣幕阻隔作用的變化情況。圖8給出了空氣幕出口風速為10 m／s時，在兩種壓強共同作用下，壓差與滲入流量的回歸分析圖，表4總結(jié)了回歸分析結(jié)果的相關參數(shù)（當風壓設定值為n Pa時，表示為場景1+Pn）。

通過圖8及表4可知，隨著風壓的增大，空氣幕臨界壓差不減反增，這可能是因為風流增加了煙氣的湍流程度，減小了煙氣對空氣幕的垂直沖擊。同時還可以發(fā)現(xiàn)，釋放系數(shù)C隨著風壓值的增加明顯增大，這說明在兩種作用下，空氣幕一旦失效，煙氣滲入的發(fā)展速率將比單純的熱壓作用更大，這將導致空氣幕保護區(qū)域更易受到高溫及有毒煙氣的威脅。

圖8 兩種壓強共同作用時氣流的滲入情況Fig．8 The seepage of gas under both kind of pressure difference

表4 兩種壓強共同作用時回歸分析參數(shù)Table 4 Results of regression analysis under different pressure

為了進一步驗證兩種壓強共同作用對空氣幕阻隔的影響，本文分別研究了HRR為6、8及10 MW時，熱壓與風壓共同作用下，走廊內(nèi)2．8 m高處溫度及一氧化碳的平均分布情況（如圖9所示），下方二維曲線為空氣幕保護區(qū)域范圍內(nèi)的局部放大圖。

通過圖9可知，在選定的三種HRR中，空氣幕保護區(qū)域均已受到高溫有毒煙氣的影響，且隨著風壓的增大，保護區(qū)域內(nèi)溫度及一氧化碳濃度都顯著增大。由局部數(shù)據(jù)放大圖可知，風壓每提高1 Pa，空氣幕保護區(qū)域內(nèi)溫度提高約10～20℃，而一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。同時，由圖9（b）還可發(fā)現(xiàn)，在風壓作用下，空氣幕近前方一氧化碳濃度明顯上升，且隨著風壓的增大，累積在空氣幕近前方的一氧化碳濃度也隨之增大。由于一氧化碳極易導致火場中人員的窒息死亡，因此這種累積現(xiàn)象非常不利于人員的疏散與火災撲救，應當考慮采取適當?shù)拇胧┻M行控制，例如，采用機械排煙與空氣幕配合使用，以減小在環(huán)境風壓下一氧化碳在空氣幕近前方的累積濃度，提高人員疏散的安全性。

圖9 兩種壓強共同作用下溫度及一氧化碳縱向分布圖（Z=2．8 m）Fig．9 Temperature and carbon monoxide distribution under both pressure difference（Z=2．8 m）

5 結(jié)論

本文通過FDS構(gòu)建空氣幕全尺寸模型，研究了火災熱壓、常溫風壓以及兩種場景共同作用對空氣幕阻隔作用的影響。通過研究可以得到以下結(jié)論:

1）空氣幕阻隔能力隨著出口風速的增加而增大；高溫煙氣造成空氣幕失效位置的高度約為常溫風壓的166．67％～200％；

2）火災情況下，高溫煙氣需要更大的壓強才能導致空氣幕失效，然而空氣幕一旦失效，其高溫煙氣滲入的發(fā)展速率將是風壓場景下滲入發(fā)展速率的3倍。因此在利用空氣幕進行阻煙時，應加強事前控制。同時，相關標準的制定應將空氣幕的用途及使用范圍納入考慮范圍；

3）在風壓與熱壓共同作用下，高溫有毒煙氣對空氣幕保護區(qū)域產(chǎn)生更大威脅，風壓每提高1 Pa，空氣幕保護區(qū)域內(nèi)溫度約提高10～20℃，一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。同時，隨著風壓的增加，一氧化碳在空氣幕近前方會產(chǎn)生明顯的累積效應，不利于人員的疏散與火災撲救。建議采用機械排煙與空氣幕配合使用，以降低空氣幕近前方一氧化碳的累積濃度，提高人員疏散的安全性。

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Influence of normal and high temperatures on the obstruction efficiency of air curtains

ZHANG Xiaotao，LYU Kui，LU Yushi
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

To analyze the influence of normal and high temperatures gas medium on the obstruction efficiency of an air curtain，a local air curtain model was numerically constructed by fire dynamic simulator（FDS）．Two cases of pressure caused by fire effect and wind effect were simultaneously simulated using the large eddy simulation technique after rationality validation．The disable position at air curtain jet，the critical pressure difference，and the speed of gas seepage at different air curtain jet supply velocity were discussed in this study．The mutual action of the thermal pressure and wind pressure on the obstruction efficiency of air curtain was also analyzed．Research results show that the disable positions at air curtain jet caused by thermal pressure in the fire environment are 166．67％～200％of that caused by wind pressure．The critical pressure differences caused by fire effect are 159．27％～202．33％of that caused by wind pressure while infiltration rates are 280．41％～315．46％of that caused by wind pressure．When the air curtain jet supply velocity is 10 m／s under the influence of thermal pressure and wind pressure，the temperature and carbon monoxide concentration will respectively increase by approximately 10～20°C and 5×10-6～15×10-6when the wind pressure increases by 1 Pa．Meanwhile，the obvious CO accumulating effect will appear at the front of air curtain zone with the increase of the wind pressure，which is adverse to fire suppression and evacuation．

air curtain；air dielectric；thermal pressure；wind pressure；critical pressure difference；FDS；numerical simulation

10．11990／jheu．201506027

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1390．u．20161026．0910．006．html

X928．7

A

1006-7043（2016）12-1677-08

張曉濤，呂奎，陸愈實．冷熱氣體介質(zhì)對空氣幕阻隔作用的影響［J］．哈爾濱工程大學學報，2016，37（12）:1677-1684．

2015-06-09．

2016-10-26．

國家自然科學基金項目（61202197）．

張曉濤（1987-），男，博士研究生；

陸愈實（1958-），男，教授，博士生導師．

陸愈實，E-mail:cuglys＠foxmail．com．

ZHANG Xiaotao，LYU Kui，LU Yushi．Influence of normal and high temperatures on the obstruction efficiency of air curtains［J］．Journal of Harbin Engineering University，2016，37（12）:1677-1684．