基于PIV技術(shù)的磨料水射流中固體磨料粒子速度分布實(shí)驗(yàn)研究

章文峰， 盧義玉， 湯積仁， 黃　飛(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030；2.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030)

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基于PIV技術(shù)的磨料水射流中固體磨料粒子速度分布實(shí)驗(yàn)研究

章文峰1，2， 盧義玉1，2， 湯積仁1，2， 黃飛1，2(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

摘要：為了解決磨料射流磨料速度測(cè)試難問題，基于PIV技術(shù)，結(jié)合圖像處理與濾波分析技術(shù)，提出了一種測(cè)量磨料射流磨料速度的非接觸式測(cè)試方法。該方法能同時(shí)得出磨料速度以及磨料在射流中的位置信息。利用該方法對(duì)磨料射流進(jìn)行磨料速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：① 利用該方法能快速地得到磨料射流中磨料速度；② 利用該方法得到了磨料在噴嘴出口沿射流方向的速度變化規(guī)律，即磨料在噴嘴出口速度先增大后減小，存在速度最大處，意味著磨料射流存在最優(yōu)靶距；③ 利用該方法得到了磨料沿射流徑向的速度變化規(guī)律，磨料在射流中心速度最大，其速度從射流中心往射流邊界方向逐漸減小，呈現(xiàn)出鐘形速度分布。

關(guān)鍵詞：磨料射流；PIV技術(shù)；速度分布；圖像處理；加速

磨料射流是由固體顆粒(金剛砂、石英砂、陶粒等)與高速流動(dòng)的水流或高壓水流相互混合而形成的液固兩相介質(zhì)射流[1]。因其切割破碎作業(yè)效率高、作業(yè)過程沒有熱反應(yīng)區(qū)、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、煤炭、機(jī)械等行業(yè)，如磨料射流油井割縫增產(chǎn)技術(shù)[2]、高壓磨料射流割縫防突技術(shù)[3]、磨料射流拋光技術(shù)[4]等。磨料射流切割破碎能力主要依靠磨料顆粒的沖蝕作用[5]。磨料射流沖蝕作用的強(qiáng)弱不僅取決于磨料顆粒速度，而且還跟磨料顆粒速度分布有非常重要關(guān)系[6]。因此，研究磨料射磨料顆粒速度及其速度分布，對(duì)于優(yōu)化磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)、揭示磨料射流切割破碎機(jī)理以及提高磨料射流切割破碎能力具有十分重要的意義。

由于磨料顆粒的沖蝕能力非常強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)研究中無法對(duì)磨料射流磨料速度及其速度分布進(jìn)行接觸式測(cè)量，只能采用一些非接觸式的或間接測(cè)量的方法。目前的研究主要集中在磨料顆粒速度測(cè)試方面，而對(duì)磨料速度分布的研究較少。如Swanson等[7-8]利用電磁感應(yīng)法對(duì)后混合準(zhǔn)直管中磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了測(cè)量。Chen等[9-10]采用激光雙聚焦速度計(jì)測(cè)量了磨料射流中磨料顆粒的速度。Neusen等[11]利用激光多普勒速度計(jì)對(duì)磨料射流進(jìn)行了測(cè)量，利用該方法得出了磨料顆粒的平均速度。Stevenson等[12-13]利用旋轉(zhuǎn)雙盤法對(duì)磨料射流進(jìn)行了測(cè)量，得出了磨料顆粒的速度。然而，盡管利用上述方法得到了磨料顆粒在某一長度段內(nèi)的平均速度，但是由于無法測(cè)出磨料顆粒在射流中的位置，因此無法得到磨料射流中磨料顆粒的速度分布。

為了得到磨料射流磨料速度及其分布，必須得到磨料在射流中的位置信息。PIV技術(shù)(粒子圖像測(cè)速技術(shù))是一種全新的無擾、瞬態(tài)、全場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)[14]，可以非接觸性測(cè)量從低速到超聲速范圍內(nèi)的流體瞬時(shí)速度場(chǎng)。它不僅能夠顯示流體流場(chǎng)、流動(dòng)的物理形態(tài)，而且能夠提供瞬時(shí)全場(chǎng)流動(dòng)的定量信息。因此，可以用PIV技術(shù)來研究磨料射流磨料速度及其分布。

為了能同時(shí)得到磨料速度及其速度分布，本文開展了基于PIV技術(shù)的磨料射流磨料速度測(cè)試方法研究，探尋一種能快速測(cè)量磨料射流固相速度的測(cè)試方法，為研究如何優(yōu)化磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)、提高磨料射流切割破碎能力提供一種新的測(cè)試方法。

1PIV實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的。

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由磨料發(fā)生系統(tǒng)和PIV拍攝系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

圖1為磨料發(fā)生系統(tǒng)工作原理圖，該系統(tǒng)的主要功能是形成磨料射流。高壓泵輸送出的高壓水，一部分輸送至高壓磨料罐，與磨料在高壓磨料罐內(nèi)初步混合，使磨料在磨料罐內(nèi)從處于似液體流化狀態(tài)，然后流態(tài)磨料經(jīng)球閥進(jìn)入混合腔與高壓水均勻混合，再通過噴嘴噴出，形成磨料射流。

1-混合腔；2-電機(jī)；3-水箱；4-溢流閥；5-高壓泵；6-壓力表；7-節(jié)流閥；8,10-球閥；9-高壓磨料罐；11-磨料噴嘴圖1　磨料射流發(fā)生系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of abrasive jet generating system

圖2為磨料射流PIV實(shí)驗(yàn)示意圖，磨料射流形成后，用PIV系統(tǒng)對(duì)噴嘴出口的射流進(jìn)行拍攝，完成圖像采集工作。實(shí)驗(yàn)所用PIV系統(tǒng)由YAG New Wave雙脈沖固體激光發(fā)生器、TSI630057型工業(yè)CCD相機(jī)和TSI 610034型同步控制器組成，全部購自于美國TSI公司。其中，激光發(fā)生器輸出能量為240 mJ/Pulse，脈沖頻率15 Hz ；CCD相機(jī)測(cè)速范圍為0～1 000 m/s，分辨率為1 600×1 000(2M)；鏡頭為Nikon 50 mm/F1.8，鏡頭尺寸：45 mm×68 mm×66 mm；同步器提供一對(duì)Flash Lamp和Q-switch信號(hào)，延時(shí)精度15n。此PIV系統(tǒng)測(cè)速精度為±1.0%，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需要。

圖2　磨料射流PIV實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of PIV experiments on abrasive water jet

本文使用的噴嘴為硬質(zhì)合金常規(guī)收斂型噴嘴，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of the nozzle

1.2實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)是在室溫和常壓下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)使用的是自來水，實(shí)驗(yàn)使用的磨料是由圣戈班(廣漢)陶粒有限公司生產(chǎn)的作為支撐劑使用球形陶粒。水和磨料的性質(zhì)見表1。

表1　水和磨料的性質(zhì)

由于泵壓對(duì)射流速度的影響大，故在PIV實(shí)驗(yàn)過程中通過控制泵壓，來改變磨料速度。當(dāng)壓力過高時(shí)，磨料速度過大，磨料射流沖蝕作用強(qiáng)，出于安全角度考慮，故泵壓選擇為低壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)將25 kg的磨料加入高壓磨料罐內(nèi)，調(diào)節(jié)高壓泵壓力，使得高壓泵壓力分別為2、3、4 MPa，用PIV系統(tǒng)拍攝泵壓分別為2、3、4 MPa時(shí)噴嘴出口磨料射流，每次拍攝圖片為500張。

2速度提取方法

2.1實(shí)驗(yàn)流程

圖4為磨料射流固相速度測(cè)試流程圖。首先用PIV技術(shù)對(duì)噴嘴出口的磨料射流進(jìn)行拍攝，獲得磨料射流PIV圖片。然后利用圖像處理技術(shù)對(duì)磨料射流圖片進(jìn)行處理，得出其中單顆磨料的速度。最終用Tecplot360軟件顯示磨料速度，得出磨料射流磨料速度場(chǎng)。

圖4　磨料射流磨料速度測(cè)試流程圖Fig.4 Flow chart of measurement of particle velocity in abrasive jet

2.2提取方法實(shí)例

為了能得到磨料射流速度，以3 MPa下的磨料射流PIV實(shí)驗(yàn)為例作具體說明。

圖5為3 MPa下磨料射流噴嘴出口PIV拍攝原圖，在該圖中無法確定磨料是否運(yùn)動(dòng)，為此需要對(duì)PIV圖片進(jìn)行處理。圖6為經(jīng)過處理后得到的工況為3 MPa時(shí)PIV圖片中磨料顆粒運(yùn)動(dòng)距離對(duì)比圖。處理方法如下：在PIV處理軟件INSIGHT3G-SEC中，通過確定磨料前端的坐標(biāo)與噴嘴出口坐標(biāo)之差，然后再乘以像素即可得磨料運(yùn)動(dòng)位移。由圖6可知，磨料顆粒是運(yùn)動(dòng)的。但是該方法僅僅得出磨料顆粒是運(yùn)動(dòng)的，其速度方向、速度大小以及磨料所處空間位置還需進(jìn)一步處理得到。

為了精確得到磨料顆粒的速度及其在流場(chǎng)中的位置，本文采取下述方法求之。

步驟1消噪處理。由于受光照和設(shè)備等因素的制約，實(shí)際拍攝到的圖像(見圖7)難免會(huì)含有較大的噪聲，因此在對(duì)圖像進(jìn)行處理之前，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行消噪處理。因?yàn)樾枰崛∧チ系奈恢眯畔ⅲ孕枰獙?duì)磨料相的邊緣信息進(jìn)行保留，故在本文中，采用中值濾波法[15-16]對(duì)圖像進(jìn)行消噪處理。

圖5　3 MPa下磨料射流PIV圖像Fig.5 PIV images of abrasive water jet under 3 MPa

圖6　3 MPa下PIV圖像中磨料顆粒運(yùn)動(dòng)距離對(duì)比圖Fig.6 Comparison chart of movement distance of abrasive particle in PIV images under 3 MPa

圖7　磨料射流PIV圖像Fig.7 PIV images of abrasive water jet

步驟2提取磨料速度。對(duì)經(jīng)過消噪處理的磨料射流圖像進(jìn)行二值化處理，并顯示出來(見圖8)。

圖8　二值化處理后的PIV圖片F(xiàn)ig.8 PIV images after binarization processing

在PIV實(shí)驗(yàn)過程中，由于光照強(qiáng)度以及射流本身的湍流特性的影響，磨料在整個(gè)拍攝過程中會(huì)出現(xiàn)顯示不完全的現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)磨料的形心確定產(chǎn)生一定的影響。因此，為了盡量減小這種影響，本文選用灰度質(zhì)心[17]作為磨料的形心，即

(1)

(2)

式中，x方向表示射流軸向方向，y方向表示射流徑向方向。

通過分別求取A幀和B幀圖像中同一磨料灰度質(zhì)心，即可求取磨料質(zhì)心位移：

(ΔX,ΔY)=(Xb,n+1-Xb,n,Yb,n+1-Yb,n)

(3)

式中，對(duì)于同一磨料，用角標(biāo)b來標(biāo)記磨料顆粒，n表示時(shí)間。

將磨料質(zhì)心位移與PIV圖片中單個(gè)像素大小s相乘即可獲得磨料運(yùn)動(dòng)距離。根據(jù)粒子跟蹤法，即可獲得磨料Δt時(shí)間內(nèi)的平均速度：

(4)

(5)

由于CCD相機(jī)拍攝兩幀圖像的拍攝時(shí)間間隔較短(在本實(shí)驗(yàn)中Δt為微秒級(jí))，因此利用上述方法求出的磨料平均速度可以認(rèn)為是磨料的瞬時(shí)速度。

步驟3顯示磨料速度及其速度分布。根據(jù)步驟2的算法，將求出的磨料速度以及磨料灰度質(zhì)心導(dǎo)入Tec plot360中，即可顯示磨料射流中磨料速度以及速度分布(見圖9)。

圖9　2 MPa磨料速度分布圖Fig.9 Velocity profile of abrasive particle under 2 MPa

3結(jié)果與分析

3.1磨料速度場(chǎng)分布

由于CCD相機(jī)拍攝范圍和拍攝時(shí)間的限制、磨料運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性和高速性以及磨料濃度的不可控性，導(dǎo)致每次拍攝到的磨料射流PIV圖像中磨料顆粒數(shù)目較少。而要研究磨料在射流中的速度分布，就必須得到磨料在射流中不同位置時(shí)的速度。因此，本文采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)同一工況下多張PIV圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過提取同一工況下多張PIV圖片中的磨料顆粒速度，得到射流中處于不同位置的磨料的速度，并用Tec plot將所有的磨料速度以及磨料的位置顯示，最終得到同一工況下的磨料速度場(chǎng)，如圖10～圖12所示。

圖10　2 MPa噴嘴出口磨料速度場(chǎng)Fig.10 Velocity field of abrasive particles at nozzle exit under 2 MPa

圖11　3 MPa噴嘴出口磨料速度場(chǎng)Fig.11 Velocity field of abrasive particles at nozzle exit under 3 MPa

圖12　4 MPa噴嘴出口磨料速度場(chǎng)Fig.12 Velocity field of abrasive particles at nozzle exit under 4 MPa

從以上磨料射流速度場(chǎng)中，可以直觀得得到磨料射流中處于不同位置的磨料的速度。

3.2射流軸向磨料速度分布

從圖10～圖12中可以看出，在噴嘴出口到離噴嘴出口14 mm處的測(cè)量范圍內(nèi)，磨料先顯示出一個(gè)加速階段，該階段內(nèi)磨料速度逐漸增大，出現(xiàn)速度最大值，然后出現(xiàn)一個(gè)減速階段，該階段內(nèi)磨料速度逐漸減小。

該測(cè)量結(jié)果與Li等[18]在對(duì)微型磨料射流速度分布進(jìn)行研究時(shí)得到的結(jié)果基本一致。Li 等在對(duì)微型磨料射流速度分布研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在噴嘴出口磨料速度先有一個(gè)加速階段，而后出現(xiàn)一個(gè)過段階段，速度衰減不明顯，隨后出現(xiàn)一個(gè)減速階段，該階段內(nèi)磨料速度逐漸減小。

因此，磨料射流存在最優(yōu)靶距。

該結(jié)果與康勇等[19]研究結(jié)果一致。康勇等在對(duì)磨料射流輔助三翼鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，磨料射流的破巖能力隨靶距的增加先增大后減小，磨料射流存在破碎的最優(yōu)靶距。

為了進(jìn)一步研究磨料沿射流軸向的速度分布，沿平行于射流軸向方向?qū)D10～圖12進(jìn)行截取，通過提取不同徑向位置的橫截面上磨料顆粒的速度，得到磨料速度沿射流方向的速度分布圖，如圖13～圖15所示。

圖13　2 MPa磨料速度沿射流方向不同截面速度分布圖Fig.13 Particle velocity distribution along the jet axial direction at different radial section under 2 MPa

圖14　3 MPa磨料速度沿射流方向不同截面速度分布圖Fig.14 Particle velocity distribution along the jet axial direction at different radial section under 3 MPa

圖15　4 MPa磨料速度沿射流方向不同截面速度分布圖Fig.15 Particle velocity distribution along the jet axial at direction different radial section under 4 MPa

從圖中可以看出，不同壓力下磨料射流沿射流方向磨料速度變化規(guī)律。即磨料先加速至速度最大值而后逐漸減速的過程。

根據(jù)Boguslawski等[20-21]的研究，射流結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)區(qū)域，初始段和基本段，如圖16所示。初始段是指從噴嘴出口到等速核斷面之間的射流區(qū)域。基本段，也被稱為射流完全發(fā)展區(qū)域(fully developed flow region)，是指核心區(qū)末端之后的區(qū)域。

圖16　射流結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Structure of water-jet flow in free air

射流通過噴嘴出口時(shí)，保持一種勻速狀態(tài)，隨后射流進(jìn)入空氣中，由于射流的卷吸作用[22]，射流的尺寸不斷增加，射流的速度隨著射流前進(jìn)方向逐漸衰減。在初始段內(nèi)的核心區(qū)內(nèi)，射流速度等于噴嘴出口的速度。

Fan等[23]研究指出，噴嘴的長度足夠時(shí)磨料速度可以非常接近流體相速度。在實(shí)際應(yīng)用中，磨料噴嘴的長度是不足以讓磨料加速到和流體相速度相同的，意味著在磨料噴嘴出口，磨料速度和流體相速度仍然存在差值。左偉芹等[24-25]研究也指出，在噴嘴出口磨料速度和水相速度是存在差值的。假設(shè)，在噴嘴出口，流體相的瞬時(shí)速度為u(t)，磨料在同一瞬時(shí)的速度為us(t)。根據(jù)滑移速度模型[21]，當(dāng)u(t)>us(t)，即當(dāng)滑移速度u(t)-us(t)>0時(shí)，在速度差的作用下，磨料將加速運(yùn)動(dòng)。在噴嘴出口，由于流體速度比磨料速度大，磨料能繼續(xù)加速，該結(jié)果與李寶玉等[26-27]研究結(jié)果是一致的。他們?cè)谘芯壳盎旌夏チ纤淞髂チ项w粒加速機(jī)理時(shí)指出，磨料粒子在離開噴嘴后在水射流的核心段內(nèi)仍被加速。

當(dāng)加速一段距離后，由于射流的卷吸作用[27]，流體速度逐漸衰減，磨料速度逐漸增大，兩者速度逐漸接近，磨料速度不再增加，直至出現(xiàn)最大值。隨后離噴嘴出口越遠(yuǎn)，射流的卷吸作用越強(qiáng)，紊流作用越明顯，磨料也就出現(xiàn)減速過程。

3.3射流徑向磨料速度分布

為了得到磨料速度沿射流徑向的變化規(guī)律，選取圖10～圖12中垂直于射流方向的橫截面，通過提取離噴嘴出口不同距離的橫截面上磨料顆粒的速度，得到磨料速度沿射流徑向的速度分布圖，如圖17～圖19所示。

圖17　2 MPa磨料速度沿射流徑向速度分布圖Fig.17 Particle velocity distribution along the jet radial direction at different axial distances under 2 MPa

圖18　3 MPa磨料速度沿射流徑向速度分布圖Fig.18 Particle velocity distribution along the jet radial direction at different axial distances under 3 MPa

圖19　4 MPa磨料速度沿射流徑向速度分布圖Fig.19 Particle velocity distribution along the jet radial direction at different axial distances under 4 MPa

從圖17～圖19中可以看出，磨料速度在射流中心附近最大，磨料速度從射流中心往射流邊界不斷減小，呈現(xiàn)出類似鐘形速度分布圖。該結(jié)果與Fan等[22]研究微型磨料射流流動(dòng)時(shí)所得結(jié)果一致。Fan等在對(duì)微型磨料射流速度分布研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，磨料速度在射流中心線處最大，而后速度從中心朝射流邊緣逐漸減小，呈現(xiàn)一個(gè)鐘形分布。

眾所周知，磨料速度的獲取，是通過與水射流進(jìn)行動(dòng)量交換之后得到的，根據(jù)水射流本身的特性，在射流中心速度最大，其速度從中心往射流邊緣逐漸減小，即水射流速度沿徑向的分布圖是一個(gè)類似鐘形速度分布圖。因此，磨料速度應(yīng)該保持著相同的速度變化特性，呈現(xiàn)出鐘形速度分布圖。

4結(jié)論

(1) 本文通過對(duì)噴嘴出口磨料射流PIV實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合圖像處理技術(shù)以及濾波分析技術(shù)，提出了一種測(cè)量磨料射流磨料速度的非接觸測(cè)試方法。

(2) 利用該方法能快速地得到磨料射流中磨料顆粒速度以及獲得磨料在射流中的位置信息。

(3) 利用該方法得到了磨料速度在噴嘴出口沿射流方向的變化規(guī)律，磨料在噴嘴出口速度先增大后減小，即磨料射流存在最優(yōu)靶距。

(4) 利用利用該方法得到了磨料速度沿射流徑向的變化規(guī)律，磨料在射流中心速度最大，其速度從射流中心往射流邊界逐漸減小，磨料射流沿射流徑向的速度呈現(xiàn)出鐘形速度分布。

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Experimental study of velocity distribution of solid abrasive particles in abrasive water jets based on PIV technology

ZHANGWen-feng1,2,LUYi-yu1,2,TANGJi-ren1,2,HUANGFei1,2(1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2. National & Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in Complex Coal Seam，Chongqing 400030, China)

Abstract:In order to solve the problem of measuring the velocity of abrasives in abrasive water jets，based on PIV technology and combined with image-processing and filtering-analysis technologies，this paper presents a non-contact measurement method, which is a method for measuring the velocity of abrasive particles in abrasive water jets.The velocity and location of abrasive particles in the abrasive water jet can be obtained simultaneously by this method.Using this approach, an abrasive velocity test experiment was carried out, and the experimental results show that (1) this method can get the velocity of abrasive in abrasive water jet quickly and (2) the variation in velocity of abrasive particles along the jet direction at the nozzle exit was obtained.The velocity of abrasive particles at the nozzle exit first increases and then decreases, and therefore there exists a maximum speed, which means there is an optimal target distance in abrasive water jets.(3) The variation of velocity of abrasive particles along the jet’s radial direction at the nozzle exit has been obtained using this method.The greatest velocity of abrasive particles is at the center of the abrasive jet.The velocity gradually decreases from the center to the boundary and shows a bell-shaped velocity profile.

Key words:abrasive water jet; PIV technology; velocity distribution; image processing; acceleration

中圖分類號(hào):TD353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.08.025

通信作者盧義玉 男，教授，博士生導(dǎo)師，1972年生

收稿日期：2015-03-06修改稿收到日期：2015-04-29

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2014CB239206);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404045;51374258);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT13043);重慶市博士后科研人員特別資助項(xiàng)目(XM2014036)

第一作者 章文峰 男，博士，1988年生