劉泳辰,魏進(jìn)家,孔新,張永海

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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交錯(cuò)排列柱狀微結(jié)構(gòu)表面池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究

劉泳辰,魏進(jìn)家,孔新,張永海

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

為了進(jìn)一步提高交錯(cuò)排列柱狀微結(jié)構(gòu)表面的換熱性能,通過(guò)改變柱狀微結(jié)構(gòu)中心距和形狀以提高表面換熱系數(shù)及臨界熱流密度。以FC-72為工質(zhì),對(duì)不同的交錯(cuò)排列柱狀微結(jié)構(gòu)硅片在3種過(guò)冷度(15、25、35 K)下進(jìn)行了池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究,并與同工況下光滑表面硅片的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)干腐蝕技術(shù)在硅片表面加工出寬×高為30 μm×60 μm、30 μm×120 μm的方柱微結(jié)構(gòu),中心距分別為45、60、75 μm,以及直徑為38 μm、中心距為60 μm、高度分別為60 μm和120 μm的圓柱微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,臨界熱流密度和沸騰換熱系數(shù)并非隨中心距的增大呈現(xiàn)出單調(diào)增或減的規(guī)律。中心距為45 μm的表面在核態(tài)沸騰區(qū)具有更高的換熱系數(shù),而對(duì)于高度為60、120 μm的方柱微結(jié)構(gòu),臨界熱流密度最高的分別是中心距為60 μm的表面(54.6 W/cm2)和中心距為120 μm的表面(60.72 W/cm2)。當(dāng)方柱中心距與邊長(zhǎng)之比大于等于2時(shí),增大中心距對(duì)臨界熱流密度影響很小,最大增加了2%;當(dāng)方柱中心距與邊長(zhǎng)之比小于2時(shí),增大中心距對(duì)臨界熱流密度有顯著影響,最大增加了14%。當(dāng)換熱面積相同時(shí),圓柱微結(jié)構(gòu)的換熱性能要好于方柱微結(jié)構(gòu),并且臨界熱流密度相比于方柱微結(jié)構(gòu)表面和光滑表面分別最大提高了13%和124%。另外,臨界熱流密度隨著過(guò)冷度的增大而增大,同時(shí)沸騰起始點(diǎn)有所滯后。

柱狀微結(jié)構(gòu);交錯(cuò)排列;強(qiáng)化換熱;池沸騰

隨著電子器件集成化程度不斷提高,特征尺寸逐漸減小的同時(shí)導(dǎo)致芯片的熱流密度越來(lái)越高。芯片的熱控制問(wèn)題直接影響了電子器件可靠性的改善與集成化的提高,因熱導(dǎo)致的失效已經(jīng)成為微電子器件失效的主要形式。由于相變過(guò)程中存在大量的潛熱,沸騰換熱作為一種高效的熱傳遞方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電子器件冷卻領(lǐng)域并取得顯著成效。除此之外,通過(guò)在換熱表面加工微納結(jié)構(gòu)來(lái)提高表面粗糙度、潤(rùn)濕性,可以進(jìn)一步強(qiáng)化換熱。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同微納結(jié)構(gòu)表面的池沸騰換熱性能進(jìn)行了大量研究[1-3],魏進(jìn)家等對(duì)不同尺寸的方柱微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明該表面在核態(tài)沸騰區(qū)有效地強(qiáng)化了傳熱并提高了臨界熱流密度,當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),臨界熱流密度隨柱狀微結(jié)構(gòu)高度的增大而升高[4]。Chu等對(duì)不同高度、直徑、中心距的微圓柱陣列結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了池沸騰實(shí)驗(yàn)研究,指出粗糙度的增大影響了毛細(xì)力,使得該換熱表面具有較高的臨界熱流密度[5]。張永海等對(duì)交錯(cuò)排列的柱狀微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了射流沖擊強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明相比于正規(guī)排列而言,交錯(cuò)排列的柱狀微結(jié)構(gòu)增加了柱間的微對(duì)流,強(qiáng)化換熱效果得以提升[6]。因此,本文進(jìn)一步研究了交錯(cuò)排列的柱狀微結(jié)構(gòu)池沸騰換熱特性,包括不同柱心距及微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其換熱性能的影響,為進(jìn)一步優(yōu)化換熱面結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)裝置主要由液池、測(cè)試段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒流源電加熱系統(tǒng)和制冷機(jī)組成,如圖1所示。液池內(nèi)部可盛放容量為1.5 L的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)FC-72。在液池內(nèi)部、測(cè)試段的上方布置有冷凝器,用來(lái)控制液體工質(zhì)的溫度。液池頂部與一個(gè)容積為1 L的橡膠袋相連,以將容器內(nèi)部壓力控制在101 kPa。測(cè)試段如圖2所示,硅片粘結(jié)在有機(jī)玻璃凸臺(tái)上,同時(shí)用環(huán)氧絕熱硅膠將硅片周?chē)芊?以減小熱量損失。硅片兩側(cè)邊焊接有直徑為0.25 mm的銅導(dǎo)線,并與恒流源相連,用來(lái)對(duì)其進(jìn)行電加熱。經(jīng)過(guò)對(duì)各位置敏感性分析后,在硅片背面的幾何中心處和液池內(nèi)硅片斜上方處各布置一根T型熱電偶,分別用來(lái)測(cè)量硅片溫度和液體工質(zhì)溫度。熱電偶線通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連,用來(lái)控制硅片加熱量并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。在實(shí)驗(yàn)前需對(duì)硅片進(jìn)行超聲清洗,并置于干燥處風(fēng)干,防止硅片表面存在雜質(zhì)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1:制冷機(jī);2:泵;3:冷凝銅管;4:凸臺(tái);5:橡膠氣袋;6:液池;7:數(shù)據(jù)采集裝置;8:恒流源圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1:測(cè)試芯片;2:有機(jī)玻璃板;3:銅導(dǎo)線;4:T型熱電偶;5:螺釘;6:有機(jī)玻璃凸臺(tái)圖2 測(cè)試段示意圖

實(shí)驗(yàn)所用摻磷型正方體硅片的邊長(zhǎng)為10 mm、厚度為0.5 mm。采用干法刻蝕技術(shù)在硅片表面加工出邊長(zhǎng)t為30 μm,高度h分別為60、120 μm,中心距p分別為45、60、75 μm的方柱微結(jié)構(gòu),分別稱(chēng)為SPF30-60-45、SPF30-120-45、SPF30-60-60、SPF30-120-60、SPF30-60-75、SPF30-120-75,以及直徑為38 μm、中心距為60 μm、高度分別為60 μm和120 μm的圓柱微結(jié)構(gòu),分別稱(chēng)為CPF38-60-60、CPF38-120-60。圖3展示了高度為60 μm的4種結(jié)構(gòu)電鏡圖。

(a)SPF30-60-75 (b)SPF30-60-60

(c)SPF30-60-45 (d)CPF38-60-60圖3 4種柱狀微結(jié)構(gòu)表面的電鏡圖

實(shí)驗(yàn)所用T型熱電偶所測(cè)溫差小于0.3 ℃,硅片加熱采用恒電流法,供電電流和電壓的誤差分別為0.014%和0.1%,加熱不確定度為0.11%。通過(guò)FLUENT三維模擬硅片池沸騰換熱得到對(duì)流換熱及核態(tài)沸騰換熱階段的熱量損失分別為16%和6%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4和圖5分別是60 μm組SPF30-60-45、SPF 30-60-60、SPF30-60-75、CPF38-60-60和120 μm組SPF30-120-45、SPF30-120-60、SPF30-120-75、CPF38-120-60與光滑表面在3種過(guò)冷度(35、25、15 K)條件下的池沸騰換熱曲線圖。

(a)ΔTsub=35 K

(b)ΔTsub=25 K

(c)ΔTsub=15 K圖4 60 μm的4種柱狀微結(jié)構(gòu)和光滑表面在不同過(guò)冷度下的換熱曲線圖

(a)ΔTsub=35 K

(b)ΔTsub=25 K

(c)ΔTsub=15 K圖5 120 μm的4種柱狀微結(jié)構(gòu)和光滑表面在不同過(guò)冷度下的換熱曲線圖

2.1 中心距對(duì)換熱性能的影響

從圖4中可以看出,對(duì)高度為60 μm的不同中心距方柱微結(jié)構(gòu)表面而言,在相同熱流密度時(shí),SPF30-60-45的壁面過(guò)熱度最低,即其換熱系數(shù)hHTC最高。這是因?yàn)镾PF30-60-45表面具有更大的方柱微結(jié)構(gòu)密度,在核態(tài)沸騰換熱階段具有更多的氣化核心數(shù),可有效降低表面溫度。SPF30-60-75在中低熱流密度時(shí)換熱系數(shù)高于SPF30-60-60,但當(dāng)熱流密度超過(guò)某一值后,SPF30-60-75的壁面溫度就隨熱流密度的增大而明顯升高,其換熱系數(shù)開(kāi)始低于SPF30-60-60。因?yàn)镾PF30-60-75具有較大的方柱微結(jié)構(gòu)中心距,使得柱間流道變得更加寬廣,當(dāng)熱流密度較低時(shí),氣泡脫離表面后,冷卻工質(zhì)因流動(dòng)阻力相對(duì)較小可快速補(bǔ)充至該區(qū)域,有效地降低表面溫度,但當(dāng)熱流密度超過(guò)一定值后,氣化核心數(shù)量的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了主導(dǎo)作用,SPF30-60-75表面因氣化核心數(shù)量相對(duì)較少無(wú)法及時(shí)將熱量散發(fā)出而使得壁面溫度升高較快。

由圖5可知,對(duì)高度等于120 μm的不同中心距方柱微結(jié)構(gòu)表面來(lái)說(shuō),SPF30-120-45和SPF30-120-75的換熱曲線非常接近,相比于SPF30-120-60的曲線更靠左。也就是說(shuō)在相同熱流密度時(shí),SPF30-120-45和SPF30-120-75的壁面過(guò)熱度相對(duì)低于SPF30-120-60,具有更高的換熱系數(shù)。這說(shuō)明方柱微結(jié)構(gòu)表面在核態(tài)沸騰階段的換熱系數(shù)并非隨著中心距的增大而呈現(xiàn)出單調(diào)遞增或遞減的規(guī)律。在Chu等的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,指出當(dāng)高度、直徑相同時(shí),中心距為10 μm的微圓柱陣列表面的平均換熱系數(shù)要高于5 μm及15 μm,而并非是單調(diào)增或減的規(guī)律[5]。除此之外,Hisler等對(duì)微六邊形柱體陣列表面進(jìn)行了潤(rùn)濕特性研究,指出通過(guò)改變六邊形邊長(zhǎng)和間距會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)部毛細(xì)力,可呈現(xiàn)兩種不同的潤(rùn)濕現(xiàn)象[7]。因此,改變方柱微結(jié)構(gòu)中心距引起氣化核心數(shù)量變化的同時(shí),也會(huì)影響到表面結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力,是一個(gè)復(fù)雜的多因素影響問(wèn)題?？梢?jiàn),對(duì)于一定高度和邊長(zhǎng)的方柱微結(jié)構(gòu),存在一個(gè)最優(yōu)中心距的值,相比之下其核態(tài)沸騰階段的平均換熱系數(shù)最高。

同時(shí),觀察到在池沸騰核態(tài)換熱階段,SPF30-60-75和SPF30-60-60的換熱曲線有交叉現(xiàn)象,而SPF30-120-45、SPF30-120-60、SPF30-120-75卻沒(méi)有該現(xiàn)象。這說(shuō)明當(dāng)p≤h時(shí),隨熱流密度增大換熱表面溫度僅略有升高,而p>h時(shí),間距過(guò)大但氣化核心數(shù)量偏少,導(dǎo)致熱量無(wú)法及時(shí)散出,因此換熱表面溫度隨熱流密度增大明顯升高。

對(duì)臨界熱流密度qCHF而言,SPF30-60-60和SPF30-60-75、SPF30-120-60和SPF30-120-75在3個(gè)過(guò)冷度下的qCHF差別不大,并且都分別高于SPF30-60-45和SPF30-120-45。因?yàn)?5 μm的中心距較小,使得方柱間流道空間狹窄,同時(shí)又具有更多的氣化核心數(shù)量,因此在高熱流密度時(shí),氣泡生長(zhǎng)、脫離速度較快,而新鮮液體由于流動(dòng)阻力較大,無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充至氣泡脫離處,因此提前發(fā)生了“干燒”,導(dǎo)致臨界現(xiàn)象發(fā)生。中心距為60 μm和75 μm結(jié)構(gòu)的柱間通道相對(duì)較寬,能夠及時(shí)補(bǔ)充冷卻液體,因此具有更高的qCHF。中心距為75 μm的表面相比于對(duì)應(yīng)高度下中心距為60 μm表面的qCHF最大僅相差2%,而中心距為45 μm的表面相比于對(duì)應(yīng)高度下中心距為60 μm表面的qCHF最大相差達(dá)14%。因此,對(duì)于邊長(zhǎng)為30 μm的方柱微結(jié)構(gòu)表面而言,p/t≥2時(shí)具有更高的qCHF,并且增大中心距對(duì)qCHF影響不大,而當(dāng)p/t<2時(shí),間距過(guò)小使得新鮮液體無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充至氣泡脫離處,故qCHF較低,并且中心距對(duì)qCHF影響較大。

綜上所述,qCHF和hHTC并非隨方柱微結(jié)構(gòu)中心距的增大而呈現(xiàn)出單調(diào)遞增或遞減的規(guī)律。對(duì)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言,若以核態(tài)沸騰區(qū)的平均換熱系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)表面的換熱性能,則對(duì)于高度為60 μm和120 μm的表面來(lái)說(shuō),中心距為45 μm的方柱微結(jié)構(gòu)表面最優(yōu)。若以臨界熱流密度來(lái)評(píng)價(jià)表面的換熱性能,則對(duì)于高度為60 μm的表面而言,SPF30-60-60最優(yōu),qCHF為54.6 W/cm2;對(duì)于高度為120 μm的表面,SPF30 -120-75最優(yōu),qCHF為60.75 W/cm2。

2.2 微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)換熱性能的影響

從圖4和圖5可得,在相同熱流密度下,圓柱微結(jié)構(gòu)CPF38-60-60的壁面過(guò)熱度要遠(yuǎn)低于SPF30-60-60,具有較高的換熱系數(shù)和臨界熱流密度。尤其在過(guò)冷度為15 K的條件下,CPF38-60-60的qCHF相比SPF30-60-60提高了13%,相比光滑表面提高了124%。CPF38-120-60相比SPF30-120-60表面而言,盡管具有較高的換熱系數(shù),但差值遠(yuǎn)小于60 μm組的結(jié)果,并且qCHF差異不明顯。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),保證了CPF38-60-60和SPF30-60-60、CPF38-120-60和SPF30-120-60的換熱面積相等。同時(shí),由于相同高度的方柱和圓柱微結(jié)構(gòu)表面的柱中心距相同,所以柱的數(shù)量相等,因此可排除上述因素的影響。柱狀微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的機(jī)理是由于微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力成為冷卻液體供給動(dòng)力,使得液體在柱間通道流動(dòng)并能補(bǔ)充至氣泡脫離處,及時(shí)帶走熱量。一般情況下,圓柱繞流的阻力低于方柱阻力,實(shí)驗(yàn)中圓柱微結(jié)構(gòu)換熱性能又好于方柱微結(jié)構(gòu)表面,因此推論出換熱強(qiáng)化是因?yàn)閳A柱繞流阻力較低,冷卻液體供應(yīng)能力強(qiáng),可更快速地帶走熱量。因此,在相同熱流密度時(shí),圓柱結(jié)構(gòu)的壁面溫度更低一些。對(duì)于120 μm組而言,由于高度增加,柱間通道變得細(xì)長(zhǎng),液體在柱間的流動(dòng)阻力變大,因此圓柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)被減弱,使得兩者換熱曲線更加靠近。以上兩組實(shí)驗(yàn)均表明,在同等高度和換熱面積的情況下,圓柱微結(jié)構(gòu)比方柱微結(jié)構(gòu)具有更好的換熱性能。

2.3 過(guò)冷度對(duì)換熱性能的影響

圖6是池沸騰實(shí)驗(yàn)中8種柱狀微結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度隨過(guò)冷度的變化曲線。從圖中可以看出,對(duì)各表面而言,臨界熱流密度都隨過(guò)冷度增大而升高。由圖4和圖5可知,對(duì)同一表面,隨著過(guò)冷度增加,相同壁面過(guò)熱度下的熱流密度隨之增大,同時(shí)沸騰起始時(shí)所需壁面過(guò)熱度減小。根據(jù)牛頓冷卻定律可知,在其他條件相同時(shí),換熱面與液體工質(zhì)的溫差越大,換熱量越多,而熱邊界層變薄且溫度變低,無(wú)法維持氣泡長(zhǎng)大,導(dǎo)致氣泡脫離尺寸減小,生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生的聚集、合并幾率降低,使氣泡間存在間隙,冷卻液體能夠及時(shí)補(bǔ)充至換熱表面,延緩干燒現(xiàn)象發(fā)生,因此具有更高的臨界熱流密度。

圖6 柱狀微結(jié)構(gòu)表面臨界熱流密度隨過(guò)冷度的變化曲線

3 結(jié) 論

本文以FC-72為工質(zhì),對(duì)不同中心距和形狀的柱狀微結(jié)構(gòu)表面硅片進(jìn)行了池沸騰換熱實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論。

(1)改變方柱中心距對(duì)換熱性能有著顯著的影響,但換熱系數(shù)和臨界熱流密度并非隨中心距的增大而呈現(xiàn)單調(diào)遞增或遞減的規(guī)律,當(dāng)高度和邊長(zhǎng)一定時(shí),存在一個(gè)最優(yōu)的中心距,使得該表面的平均換熱系數(shù)最高。本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)兩種高度的方柱微結(jié)構(gòu)表面而言,都是中心距為45 μm的平均換熱系數(shù)最高。同時(shí),對(duì)高度為60 μm的表面而言,SPF30-60-60的qCHF最高,為54.6 W/cm2,而對(duì)于高度為120 μm的表面,SPF30-120-75的qCHF最高,為60.75 W/cm2。

(2)在池沸騰核態(tài)換熱階段,當(dāng)p≤h時(shí),隨著熱流密度增大,換熱表面溫度僅略有升高,而p>h時(shí),間距過(guò)大但氣化核心數(shù)量相對(duì)偏少,導(dǎo)致熱量無(wú)法及時(shí)散出,此時(shí)換熱表面溫度隨熱流密度增大明顯升高。

(3)對(duì)于邊長(zhǎng)為30 μm的方柱微結(jié)構(gòu)表面而言,p/t≥2時(shí)具有更高的qCHF,并且增大中心距對(duì)qCHF

影響不大,中心距由60 μm增加到75 μm后,qCHF最大僅提高了2%;當(dāng)p/t<2時(shí),間距過(guò)小使得新鮮液體無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充至氣泡脫離處,導(dǎo)致qCHF較低,并且中心距對(duì)qCHF影響較大,中心距由60 μm變?yōu)?5 μm后,qCHF最大降低了14%。

(4)對(duì)相同高度和換熱面積的微結(jié)構(gòu)表面而言,圓柱微結(jié)構(gòu)由于良好的毛細(xì)流動(dòng)性能,使得其在相同熱流密度時(shí),壁面溫度遠(yuǎn)低于方柱微結(jié)構(gòu)表面,并且比方柱微結(jié)構(gòu)表面的qCHF最大提高了13%,比光滑表面提高了124%,展現(xiàn)出了良好的換熱性能。

(5)臨界熱流密度隨著過(guò)冷度的增大而增大,同時(shí)沸騰起始點(diǎn)有所滯后。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

Experimental Study on the Pool Boiling Heat Transfer on Staggered Micro-Pin-Finned Surfaces

LIU Yongchen,WEI Jinjia,KONG Xin,ZHANG Yonghai

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to enhance the heat transfer performance, an experimental study on the pool boiling heat transfer was conducted at three different degrees of subcooling (15, 25, 35 K) for different staggered micro-pin-finned surfaces of silicon chips in FC-72, and smooth surface was also tested for comparison. The dimensions of the silicon chips were 10 mm×10 mm×0.5 mm (length×width×thickness), and the micro-pin-finned silicon surfaces were fabricated by dry etching technique. Three center-to-center spacings (45, 60, 75 μm) were chosen for two kinds of square micro pin-fins of 30 μm×60 μm and 30 μm×120 μm (width×height). One center-to-center spacing of 60 μm was chosen for two different circular micro pin-fins of 38 μm×60 μm and 38 μm×120 μm (diameter×height). The center-to-center spacing of fins was found to have significant effects on the boiling heat transfer coefficient and critical heat flux, but the influence was not monotonous. In nuclear boiling, the surface with the center-to-center spacing of 45 μm showed the highest heat transfer coefficient than other surface with the same fin height. The surface with the center-to-center spacing of 60 μm showed the highest critical heat flux (54.6 W/cm2) for the surfaces with a fin height of 60 μm, while the surface with the center-to-center spacing of 75 μm showed the highest critical heat flux (60.72 W/cm2) for the surfaces with a fin height of 120 μm. When the ratio of center-to-center spacing to thickness was greater than or equal to 2, the center-to-center spacing had slight effect on critical heat flux, and the difference was 2% at most. However, when the ratio was less than 2, the difference reached up to 14%. Compared with square pin-fins, circular pin-fins showed better heat transfer performance under the same surface area, and the critical heat flux was increased by 13% and 124% for square micro-pin-finned surface and smooth surface respectively. Besides, the critical heat flux was increased with the degree of subcooling, and the onset of nucleate boiling was delayed.

micro-pin-finned structure; staggered arrangement; enhanced heat transfer; pool boiling

2016-01-08。 作者簡(jiǎn)介:劉泳辰(1990—),男,碩士生;魏進(jìn)家(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51225601)。

時(shí)間:2016-04-19

10.7652/xjtuxb201607003

TK124

A

0253-987X(2016)07-0013-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160419.1626.008.html