葉 青，林柏泉，菅從光，賈真真

（1.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；

3.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300）

磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響*

葉 青1，2，3，林柏泉2，菅從光2，賈真真1

（1.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；

3.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300）

為了弄清煤礦井下巷道中變電站、大型機(jī)電設(shè)備等產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響機(jī)理和影響程度，實(shí)驗(yàn)研究了外加磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中爆炸應(yīng)力波和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，并從磁?chǎng)影響瓦斯爆炸及其傳播的傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)過(guò)程等進(jìn)行了理論分析。研究結(jié)果表明：外加磁場(chǎng)能增加瓦斯爆炸強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约霸龃髩毫Σǔ瑝悍逯岛突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣确逯?，并且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)瓦斯爆炸的作用增強(qiáng)。外加磁場(chǎng)能增大瓦斯爆炸反應(yīng)及其傳播過(guò)程的傳質(zhì)作用、傳熱作用、對(duì)流作用、反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)和改變反應(yīng)系統(tǒng)的熵，以致增大湍流，增大火焰燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?、釋放更多的能量并增?qiáng)爆炸波能量，從而促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

爆炸力學(xué)；爆炸強(qiáng)度；磁場(chǎng)；瓦斯爆炸；傳熱；傳質(zhì)；熵

在磁場(chǎng)中，化學(xué)反應(yīng)體系以及反應(yīng)物的未成對(duì)電子的自旋會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，從而使反應(yīng)體系的熵發(fā)生變化，進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。瓦斯爆炸是一個(gè)十分復(fù)雜并極為快速的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，爆炸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物和瞬間產(chǎn)物，如分子、自由基、離子、電子等［1］，所以磁場(chǎng)對(duì)這些中間產(chǎn)物和瞬間產(chǎn)物反應(yīng)過(guò)程會(huì)有影響，以致磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸及其傳播會(huì)有影響。對(duì)瓦斯爆炸機(jī)理、傳播規(guī)律、動(dòng)力特性及影響因素等已進(jìn)行了較深入的研究，但是對(duì)于磁場(chǎng)影響瓦斯爆炸及其傳播方面的研究成果較少，所以本文中擬CH4為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響，并理論分析磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)的影響，以期對(duì)礦井瓦斯爆炸的理論研究和礦井瓦斯爆炸的防治有所幫助。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

磁場(chǎng)影響瓦斯爆炸及其傳播的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由7部分組成，分別為瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)管道（腔體）、抽氣系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、瓦斯爆炸點(diǎn)火裝置、瓦斯爆炸壓力測(cè)量系統(tǒng)、火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)值采集分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其他實(shí)驗(yàn)儀器見文獻(xiàn)［1］。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)管道由長(zhǎng)為3.5m的16Mn鋼焊制管道和長(zhǎng)為0.5m的有機(jī)玻璃管組合而成，橫截面尺寸均為80mm×80mm。有機(jī)玻璃管由厚度為20mm、耐壓值為2MPa的有機(jī)玻璃板粘結(jié)而成。用0.5mm漆包銅芯線在有機(jī)玻璃管上繞制4 000匝制成線圈，為了得到更好的絕緣效果，每繞一層涂上絕緣漆。當(dāng)恒定直流電通過(guò)線圈時(shí)，就得到穩(wěn)恒磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，直流電源是由交流電通過(guò)二極管整流濾波獲得的。通過(guò)串連滑動(dòng)變阻器改變電路中的電阻來(lái)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度，從而得到不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

為了研究不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響，設(shè)定了電流強(qiáng)度為0、0.5、1、1.5、2.3A（也即磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、9.86×10－3、1.97×10－2、2.96×10－2、4.5×10－2T）5種工況的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行測(cè)定不同工況時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸波超壓值。根?jù)這些測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出不同工況時(shí)管道中瓦斯爆炸（火焰、爆炸波）的傳播規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)管道的各點(diǎn)布置火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)定各點(diǎn)火焰?zhèn)鞑ニ俣?，然后卸下火焰?zhèn)鞲衅鳎趯?duì)應(yīng)的各點(diǎn)布置壓力傳感器測(cè)定各點(diǎn)的爆炸波超壓值。

圖1 瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic illustration of the methane explosion experiment system

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸壓力波影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，表中每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的算術(shù)平均值。從表1可以看出，外加磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸壓力波的傳播都起到加劇作用，而且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸壓力波的影響程度增大。

表1 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下爆炸波的超壓值Table 1 Shock wave pressure of methane explosion in magnetic field with different intensity

磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懙膶?shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，表中每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的算術(shù)平均值。從表2可以看出，外加磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸火焰的傳播都起到加速作用；而且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸火焰的傳播影響越來(lái)越大。

表2 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下火焰的傳播速度Table 2 Flame propagation velocity of methane explosion in magnetic field with different intensity

從表1～2可得出：（1）外加磁場(chǎng)能增加瓦斯爆炸強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约霸龃髩毫Σǔ瑝悍逯岛突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣确逯?；?）隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)瓦斯爆炸的作用增強(qiáng)；（3）在不同工況下，外加磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響規(guī)律是一致的。

2 理論分析

對(duì)CH4的氧化反應(yīng)機(jī)理研究結(jié)果表明［2－5］，CH4氧化是通過(guò)一系列基元的自由基反應(yīng)來(lái)進(jìn)行的，瓦斯爆炸就是由這些基元的自由基反應(yīng)組成的，實(shí)驗(yàn)觀察到的最普通的物質(zhì)是CO2、H2O以及H、O、OH、CH3、CHO等大量自由基。由于瓦斯混合氣體主要組成元素為C、H、O、N，以致中間產(chǎn)物、瞬間產(chǎn)物都是C、H、O、N組成的分子和離子。作為活化中心，這些中間產(chǎn)物（特別是自由基）對(duì)反應(yīng)的延續(xù)、加速及終止起重要的作用，隨著這些中間產(chǎn)物的生成并參與反應(yīng)，CH4在反應(yīng)過(guò)程中不斷地進(jìn)行著碳分子、功能團(tuán)、幾何形狀的變化，以及伴隨這些過(guò)程的能量變化。由于反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物、瞬間產(chǎn)物、自由基、電子，而磁場(chǎng)對(duì)這些帶電的中間產(chǎn)物、瞬間產(chǎn)物、自由基和電子會(huì)產(chǎn)生磁化影響，并使反應(yīng)體系的熵發(fā)生改變，進(jìn)而使反應(yīng)進(jìn)程受到影響，所以本文中從磁場(chǎng)影響瓦斯爆炸反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)過(guò)程等方面來(lái)分析磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響。

2.1 磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸傳質(zhì)的影響

由上述瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)化學(xué)理論可得出磁場(chǎng)增大瓦斯爆炸氣體擴(kuò)散系數(shù)的機(jī)理：在反應(yīng)過(guò)程中，分子間會(huì)形成氫鍵，氫鍵會(huì)在平衡位置附近作振動(dòng)，并形成振動(dòng)形式基本是諧振動(dòng)的“氫鍵的自振動(dòng)”，而磁場(chǎng)又能給處于磁場(chǎng)中的瓦斯氣體與氧的反應(yīng)提供一定的能量，并誘發(fā)氫鍵形成“氫鍵的誘發(fā)振動(dòng)”；如果氫鍵的誘發(fā)振動(dòng)頻率與其自振動(dòng)頻率一致或是其自振動(dòng)頻率的倍數(shù)時(shí)，就產(chǎn)生共振，形成“氫鍵的磁化共振”。氫鍵的磁化共振會(huì)使氫鍵的振幅加大，造成氫鍵伸長(zhǎng)、消弱，甚至斷裂，從而使分子間的束縛力變小，分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程增大，氣體擴(kuò)散系數(shù)增大，傳質(zhì)作用增大［6］。所以磁場(chǎng)能增大瓦斯爆炸及其傳播過(guò)程的傳質(zhì)作用和反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)，以致使湍流增大，從而使瓦斯氣體的擴(kuò)散更均勻，瓦斯氣體和氧氣的接觸更充分，以致使火焰燃燒速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜔後尫潘俾试龃?。而高燃燒速度又?dǎo)致燃燒產(chǎn)物的膨脹加速，使壓縮波強(qiáng)度更大，同時(shí)前驅(qū)動(dòng)沖擊波對(duì)火焰前面未燃混合物進(jìn)行加熱和壓縮并產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，從而引起流場(chǎng)梯度的進(jìn)一步增大，導(dǎo)致更強(qiáng)烈的火焰彎曲和褶皺。強(qiáng)烈的火焰彎曲和褶皺又會(huì)導(dǎo)致更大的湍流動(dòng)能和更高的燃燒速率，這樣就形成了促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播的正反饋?zhàn)饔?。所以從傳質(zhì)的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能增大火焰燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑨尫鸥嗟哪芰?，以致磁?chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸傳熱的影響

在瓦斯的燃燒和爆炸過(guò)程中，促使荷電粒子形成的主要途徑是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：CH＋O＝CHO＋＋e－和CH（a4∑－）＋O＝CHO＋＋e－。電子接觸到O2分子就形成O－2，再結(jié)合O2和CO2就形成了O－4和CO－4離子。CHO＋的H＋和H2O、CH2產(chǎn)生H3O＋、CH＋3，他們?cè)俳Y(jié)合C2H2又形成C2H3O＋、C3H＋3，之后形成正離子NO＋和產(chǎn)生負(fù)離子CO－3、O－3、NO－2、NO－3。在混合物中，O－＋HCN＝CN－＋OH和OH－＋HCN＝CN－＋H2O反應(yīng)就變成CN－離子形成的重要過(guò)程。

離子形成的另外一個(gè)途徑是電子和O2的反應(yīng)：O2＋e－＋M＝O－2＋M。這些離子、電子使反應(yīng)物和生產(chǎn)物帶電并具有磁性，形成磁性氣體（即瓦斯混合氣體成為磁性氣體），而外加磁場(chǎng)能增加磁性氣體的粒子與粒子、粒子與氣體、粒子與壁面之間的相互作用及碰撞，增強(qiáng)了磁性粒子的運(yùn)動(dòng)，從而增加了磁性氣體的傳熱作用。

磁場(chǎng)力對(duì)瓦斯混合氣體的作用可直觀地表現(xiàn)為磁場(chǎng)增大瓦斯混合氣體的表觀密度。通常情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度比萬(wàn)有引力場(chǎng)強(qiáng)度大得多，所以磁場(chǎng)能顯著增大瓦斯混合氣體的表觀密度，并且瓦斯混合氣體的表觀密度隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而明顯變化。表觀密度的變化又會(huì)導(dǎo)致對(duì)流的變化，所以磁場(chǎng)可以強(qiáng)化瓦斯混合氣體的自然對(duì)流傳熱。

由上述分析可知，磁場(chǎng)能增大瓦斯爆炸及其傳播過(guò)程的對(duì)流作用和傳熱作用，并且增大湍流，從而增強(qiáng)促進(jìn)瓦斯爆炸的湍流機(jī)理、正反饋機(jī)理和火焰陣面不穩(wěn)定機(jī)理。所以從傳熱的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能增大燃燒速率和加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑨尫鸥嗟哪芰坎⑹贡ú芰吭鰪?qiáng)，以致磁場(chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響

由上述瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程分析結(jié)果可知：首先，瓦斯爆炸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的帶未成對(duì)電子的自由基，而未成對(duì)電子將在磁場(chǎng)的作用下改變自旋，從而改變反應(yīng)速率，所以磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響都是通過(guò)對(duì)帶未成對(duì)電子的自由基（對(duì)）施加作用而體現(xiàn)的。其次，由于磁場(chǎng)能給處于磁場(chǎng)中的反應(yīng)系統(tǒng)提供一定的能量，使粒子之間的碰撞幾率增大；碰撞幾率的增大不但增加了火焰的湍流度，而且瓦斯分子的碰撞會(huì)產(chǎn)生更多的OH、CH3等活化中心，使瓦斯爆炸時(shí)的活化中心和活化濃度得到提高，從而提高瓦斯爆炸強(qiáng)度和爆炸溫度；而瓦斯爆炸強(qiáng)度和爆炸溫度的提高又會(huì)使粒子之間的碰撞幾率進(jìn)一步增大，這樣就形成了促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播的正反饋機(jī)理。所以從化學(xué)反應(yīng)的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能改變反應(yīng)系統(tǒng)的熵并增大湍流，增大燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑨尫鸥嗟哪芰坎⑹贡ú芰吭鰪?qiáng)，以致磁場(chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)影響瓦斯爆炸及其傳播的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明外加磁場(chǎng)能增加瓦斯爆炸強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约霸龃髩毫Σǔ瑝悍逯岛突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣确逯?；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)瓦斯爆炸的作用增強(qiáng)；在不同工況下，外加磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響規(guī)律是一致的。

（2）磁場(chǎng)能增大瓦斯爆炸反應(yīng)及其傳播過(guò)程的傳質(zhì)作用和反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)，并增大湍流，從而使瓦斯氣體的擴(kuò)散更均勻、瓦斯氣體和氧氣的接觸更充分，以致使火焰燃燒速度和熱釋放速率增加、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤欢呷紵俣扔謱?dǎo)致燃燒產(chǎn)物的膨脹加速、使壓縮波強(qiáng)度更大，同時(shí)前驅(qū)動(dòng)沖擊波對(duì)火焰前面未燃混合物進(jìn)行加熱和壓縮并產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，從而引起流場(chǎng)梯度的進(jìn)一步增大，導(dǎo)致更強(qiáng)烈的火焰彎曲和褶皺。強(qiáng)烈的火焰彎曲和褶皺又會(huì)導(dǎo)致更大的湍流動(dòng)能和更高的燃燒速率，以致形成促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播的正反饋?zhàn)饔?。所以從傳質(zhì)的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能增大火焰燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?、釋放更多的能量并使爆炸波能量增?qiáng)，以致磁場(chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

（3）磁場(chǎng)能增大瓦斯爆炸反應(yīng)及其傳播過(guò)程的對(duì)流作用和傳熱，并且增大湍流，從而增強(qiáng)促進(jìn)瓦斯爆炸的湍流機(jī)理、正反饋機(jī)理和火焰陣面不穩(wěn)定機(jī)理，所以從傳熱的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能增大火焰燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑨尫鸥嗟哪芰坎⑹贡ú芰吭鰪?qiáng)，以致磁場(chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

（4）磁場(chǎng)能通過(guò)帶未成對(duì)電子的自由基（對(duì)）施加作用而對(duì)瓦斯爆炸及其傳播產(chǎn)生影響，同時(shí)磁場(chǎng)能給處于磁場(chǎng)中的反應(yīng)系統(tǒng)提供一定的能量，使粒子之間的碰撞幾率增大，活化中心增多，從而提高瓦斯爆炸強(qiáng)度和爆炸溫度，而瓦斯爆炸強(qiáng)度和爆炸溫度的提高又會(huì)使粒子之間的碰撞幾率進(jìn)一步增大，這樣就形成了促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播的正反饋機(jī)理。所以從化學(xué)反應(yīng)的角度來(lái)看，磁場(chǎng)能改變反應(yīng)系統(tǒng)的熵并增大湍流，增大燃燒速率、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?、釋放更多的能量并使爆炸波能量增?qiáng)，以致磁場(chǎng)能促進(jìn)瓦斯爆炸及其傳播。

［1］葉青.管內(nèi)瓦斯爆炸傳播特性及多孔材料抑制技術(shù)研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2007.

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Effects of magnetic field on methane explosion and its propagation＊

YE Qing1，2，3，LIN Bai-quan2，JIAN Cong－guang2，JIA Zhen-zhen1
（1.Hunan Province Key Laboratory of Safety Mining and Technology of Coal Mine，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；
2.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China；
3.Yima Coal Industry Group Corporation Limited，Yima 472300，Henan，China）

To master the effect of the magnetic fields produced by the giant mechanical and electrical equipments in coal mines on methane explosion，experimental investigations were conducted to explore the influences of the magnetic fields on explosion wave pressure and flame propagation velocity of methane explosion.And theoretical analysis was carried out to discuss the effect of the magnetic fields on heat transportation，mass transportation and reaction process of methane explosion and its propagation.It shows that the magnetic field can enhance methane explosion intensity and increase flame propagation velocity，explosion pressure.The more the magnetic field intensity，the more markedly the magnetic field affects methane explosion.The magnetic fields can increase turbulence by increasing mass transfer action，heat transfer action，convection effects，diffusion coefficient and entropy of the reaction system，so the magnetic fields can increase flame combustion velocity，flame propagation velocity，release more energy and increase shock wave energy，and then promote the methane explosion and its propagation.

mechanics of explosion；explosion intensity；magnetic field；methane explosion；heat transportation；mass transportation；entropy

30January 2010；Revised 12April 2010

YE Qing，cumtyeqing＠126.com

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0153-05

2010-01-30；

2010-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51004048）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2005cb221506）；煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目（09KF05）；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目（20100470998）；湖南省教育廳基金項(xiàng)目（09C409）

葉 青（1975— ），男，博士，副教授。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（51004048）；the National Basic Research Program of China（973Program）（2005cb221506）