陳?銳，張鵬飛，潘家營(yíng)，衛(wèi)海橋，商藝寶

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丙烷自燃特性及爆震機(jī)理的試驗(yàn)研究

陳?銳，張鵬飛，潘家營(yíng)，衛(wèi)海橋，商藝寶

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

為了深入揭示丙烷自燃和爆震燃燒機(jī)理，基于一臺(tái)新型快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，開展了不同初始?jí)毫?、?dāng)量比條件下丙烷-空氣混合氣自燃和爆震燃燒的試驗(yàn)研究，并通過(guò)瞬態(tài)壓力和高速相機(jī)同步測(cè)試方法進(jìn)行了缸內(nèi)燃燒過(guò)程研究．結(jié)果表明：爆震壓力振蕩強(qiáng)度隨著初始?jí)毫Φ奶嵘@著增強(qiáng)，壓力振蕩的產(chǎn)生與著火方式無(wú)絕對(duì)關(guān)系，其振蕩強(qiáng)度主要取決于自燃發(fā)生前末端混合氣的狀態(tài)．輕微爆震和弱爆震由末端自燃導(dǎo)致，自燃時(shí)未燃混合氣區(qū)域越大，爆震強(qiáng)度也越高．超級(jí)爆震的形成是由于超聲速自燃火焰的傳播導(dǎo)致壓力波在火焰面前方的匯聚，并最終導(dǎo)致爆燃向爆轟模式轉(zhuǎn)變所致，從而形成峰值極高的壓力振蕩．

丙烷；自燃特性；快速壓縮機(jī)；超級(jí)爆震

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型強(qiáng)化程度的不斷提高，隨之而來(lái)的爆震與超級(jí)爆震現(xiàn)象成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率進(jìn)一步提升的突出瓶頸[1-3]．爆震是指汽油機(jī)火花塞點(diǎn)火后，火焰尚未傳播到整個(gè)燃燒室時(shí)，在未燃區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)熱點(diǎn)自燃的現(xiàn)象．自燃產(chǎn)生的火焰往往傳播得更快，從而引發(fā)燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)，同時(shí)伴隨有敲缸聲．較弱的爆震可以在一定程度上提高燃燒熱效率，但較強(qiáng)的爆震則會(huì)使燃燒惡化，大大降低燃燒熱效率，并導(dǎo)致燃燒室的機(jī)械破壞及燒蝕．超級(jí)爆震與爆震類似，但具有更高的壓力振蕩幅值，峰值能夠達(dá)到數(shù)十兆帕[4]，破壞力更強(qiáng)，甚至能夠損壞發(fā)動(dòng)機(jī)氣門和活塞．

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的機(jī)理，學(xué)術(shù)界目前主要有兩種學(xué)說(shuō)：一種為自燃學(xué)說(shuō)，另一種為火焰加速學(xué)說(shuō)．自燃學(xué)說(shuō)主張爆震由末端氣體的自燃引發(fā)，該學(xué)說(shuō)由于有大量試驗(yàn)和模擬結(jié)果的支持，是目前認(rèn)可度較高的爆震機(jī)理．Zeldovich[5]在1980年提出了由帶有溫度梯度的熱點(diǎn)自燃引發(fā)的幾種典型的燃燒模式．他指出：自燃首先會(huì)從點(diǎn)火延遲最小的位置發(fā)生，并沿著溫度梯度傳播，根據(jù)溫度梯度所決定的自燃火焰速度與C-J(Chapman-Jouguet)速度及聲速的關(guān)系，將燃燒模式分為超聲速爆燃(subsonic deflagration)、爆轟(detonation)、亞聲速爆燃(supersonic deflagration)、熱爆炸(thermal explosion)和層流火焰5種；不同的燃燒模式對(duì)應(yīng)不同的火焰速度，能夠產(chǎn)生不同強(qiáng)度的壓力波，對(duì)其他未燃區(qū)域產(chǎn)生影響．Liberman等[6]和Kiverin等[7]對(duì)比研究了采用詳細(xì)化學(xué)機(jī)理和簡(jiǎn)化化學(xué)機(jī)理下由溫度梯度區(qū)域發(fā)展成的火焰，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲和放熱的起始對(duì)自燃火焰及壓力波的模式有顯著影響．這種由壓力波疊加加強(qiáng)以改變?nèi)紵Ｊ降那闆r與Lee等[8]提出的“連續(xù)放熱對(duì)激波的增強(qiáng)”(SWACER)概念類似．Yu等[9]模擬了一維封閉空間中的氫氣與空氣混合氣的燃燒，發(fā)現(xiàn)初始溫度、壓力和封閉空間尺寸都對(duì)自燃與爆轟波的產(chǎn)生有影響，壓力波的來(lái)回反射能夠促進(jìn)火焰前鋒處的局部自燃，并引發(fā)DDT(deflagration to detonation transition). Matsuura等[10]也研究了壓力波與末端氣體之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)火焰速度和火焰對(duì)末端氣體的壓縮強(qiáng)度之間能夠達(dá)到一種平衡，使自燃發(fā)生的傾向降到最低，減少爆震發(fā)生的幾率．上述研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒機(jī)理的揭示具有重要的理論指導(dǎo)意義．然而，發(fā)動(dòng)機(jī)自燃及其燃燒過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜．已有研究基本上基于理論分析和數(shù)值模擬手段，缺乏準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證，使得目前對(duì)爆震現(xiàn)象的形成機(jī)理及影響規(guī)律仍不夠明確．

丙烷燃料作為液化石油氣的主要成分，是目前石油替代燃料研究的熱點(diǎn)[11]．目前關(guān)于液化石油氣的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方面[12]，對(duì)燃料的基礎(chǔ)燃燒特性(特別是自燃和爆震)研究很少．為了進(jìn)一步探究丙烷爆震燃燒機(jī)理，本文以丙烷-空氣混合氣為研究對(duì)象，在一臺(tái)新型快速壓縮機(jī)(rapid compression machine，RCM)上開展了不同初始?jí)毫Α⒉煌?dāng)量比條件下丙烷自燃及爆震研究，并結(jié)合瞬態(tài)壓力和高速相機(jī)同步測(cè)量方法研究分析了不同正常燃燒、弱爆震和強(qiáng)爆震時(shí)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程．研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步揭示發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒機(jī)理、有效抑制爆震燃燒現(xiàn)象和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程．

1?試驗(yàn)裝置

本研究所采用的試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)由高壓儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸、液壓制動(dòng)缸、壓縮缸和燃燒室5部分組成，相應(yīng)的快速壓縮機(jī)特征參數(shù)列于表1．快速壓縮機(jī)活塞直徑為70,mm，較目前主流快速壓縮機(jī)更接近實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸；同時(shí)，本試驗(yàn)平臺(tái)最高壓力峰值可達(dá)50,MPa，基本覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒工況．試驗(yàn)所用缸壓傳感器為KISTLER 6045A，量程為25,MPa；傳感器頂面與燃燒室壁面齊平安裝，以減小測(cè)量誤差．電荷放大器采用KISTLER 5064C．光學(xué)窗口采用耐高壓石英玻璃，采用Photron SA-Z高速相機(jī)拍攝燃燒過(guò)程圖像，分辨率為256像素×256像素，拍攝速度100,000幀/s，快門速度8.39,ms．為了實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的同步測(cè)量，高速相機(jī)和火花塞點(diǎn)火根據(jù)瞬態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)．

圖1?快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)示意

表1?快速壓縮機(jī)特征參數(shù)

Tab.1?Characteristic parameters of RCM

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?初始?jí)毫彤?dāng)量比對(duì)爆震強(qiáng)度的影響

圖2為壓縮比＝16.4、當(dāng)量比＝1.0、初始溫度0＝298,K時(shí)，不同初始?jí)毫ο卤?空氣混合氣壓燃時(shí)的壓力曲線．由圖可知，丙烷的燃燒比較緩慢，以上止點(diǎn)后的壓力曲線開始上升到達(dá)到壓力峰值的時(shí)間作為燃燒持續(xù)期，丙烷的燃燒持續(xù)期為10～15,ms．由于燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)，其壓力曲線升高的速率較為緩和，并且在壓力升高過(guò)程中曲線非常平滑，沒(méi)有壓力波動(dòng)出現(xiàn)．當(dāng)初始?jí)毫?＝0.08,MPa時(shí)，由于能量密度很低，整個(gè)過(guò)程幾乎沒(méi)有出現(xiàn)壓力振蕩．隨著初始?jí)毫Φ纳?，?＝0.10,MPa開始逐漸在壓力峰值附近出現(xiàn)了不同幅度的壓力振蕩，振幅隨初始?jí)毫Φ纳叨?，最高達(dá)到了0.50,MPa．在0＝0.12,MPa和0＝0.14,MPa時(shí)，壓力曲線上升到后期時(shí)，會(huì)出現(xiàn)急劇的躍升，過(guò)程持續(xù)不到1,ms，隨后就是強(qiáng)烈的壓力振蕩，說(shuō)明此時(shí)缸內(nèi)發(fā)生了更劇烈的燃燒．

圖2 不同初始?jí)毫ο卤?空氣混合氣壓燃時(shí)的壓力曲線

圖3為壓縮比＝16.4、當(dāng)量比＝1.0、初始溫度0＝298,K時(shí)，不同初始?jí)毫ο卤?空氣混合氣相同點(diǎn)火時(shí)刻(上止點(diǎn)后)點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線．如圖所示，當(dāng)著火方式改為點(diǎn)燃時(shí)出現(xiàn)了與壓燃時(shí)不同的壓力振蕩現(xiàn)象．首先，點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線在壓力升高過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)相互交錯(cuò)，這說(shuō)明火焰是從火花塞附近形成并且在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定傳播，而壓燃時(shí)由于火核形成位置及個(gè)數(shù)的差異，可能導(dǎo)致不同的燃料消耗率，進(jìn)而導(dǎo)致不同的壓力升高率，使得低初始?jí)毫Φ膲毫η€暫時(shí)超過(guò)高初始?jí)毫Φ那€，形成交叉．其次，0＝0.14,MPa的工況下，在壓力峰值附近出現(xiàn)了劇烈的壓力振蕩，導(dǎo)致峰值超過(guò)22,MPa，高通濾波下的壓力振蕩幅值接近10,MPa，可以認(rèn)為出現(xiàn)了超級(jí)爆震，而0低于0.14,MPa的工況則只出現(xiàn)了相對(duì)輕微的波動(dòng)．

圖3 不同初始?jí)毫ο卤?空氣混合氣點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線

圖4為壓縮比＝16.4、初始溫度0＝298,K、初始?jí)毫?＝0.14,MPa時(shí)，不同當(dāng)量比條件下丙烷-空氣混合氣點(diǎn)燃和壓燃時(shí)的壓力曲線．如圖所示，相同初始?jí)毫蜏囟取⒉煌?dāng)量比下的混合氣上止點(diǎn)壓力有輕微差異，這是由于不同當(dāng)量比下的比熱容不同所致．由于火焰速度和稀釋的共同作用，當(dāng)量比＝0.5和＝1.5時(shí)均沒(méi)有出現(xiàn)超級(jí)爆震現(xiàn)象．而化學(xué)計(jì)量比下的混合氣在點(diǎn)燃和壓燃時(shí)均出現(xiàn)了劇烈的壓力波動(dòng)，且出現(xiàn)劇烈振蕩之前的壓力差異不大，這說(shuō)明壓力波動(dòng)的產(chǎn)生與著火方式并無(wú)絕對(duì)關(guān)系，而主要取決于自燃發(fā)生前末端混合氣的狀態(tài)．

圖4 不同當(dāng)量比下丙烷-空氣混合氣點(diǎn)燃和壓燃時(shí)的壓力曲線

2.2?丙烷火焰自燃及燃燒模式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的光學(xué)測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述推論，對(duì)燃燒室中燃燒過(guò)程情況進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，以深入探究不同爆震強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理及其與自燃和壓力振蕩的內(nèi)在關(guān)系．這里選取了較高的初始溫度(0＝313,K)，以促使自燃的發(fā)生，避免石英玻璃在較高初始?jí)毫ο碌难杆倨茐模@里初始?jí)毫Ψ謩e為0＝0.04,MPa、0.06,MPa、0.08,MPa及0.10,MPa，試驗(yàn)工況由低壓向高壓逐漸轉(zhuǎn)變，使其爆震傾向逐漸升高．

2.2.1?正常燃燒及輕微爆震

圖5為0＝0.04,MPa時(shí)缸內(nèi)的燃燒情況，從圖片可以看出，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，平均約為4.76,m/s，且火焰亮度較暗，由于初始?jí)毫^低，燃燒溫度也較低，可以看到燃燒過(guò)程中形成了較多碳煙顆粒．從火花塞跳火到火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€(gè)燃燒室的過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生自燃，壓力曲線上也未出現(xiàn)壓力振蕩．但可以看出，火焰向圖像下方傳播的速度要高于火焰向右方傳播的速度，這可能是由于活塞偏心和制動(dòng)后的機(jī)械振蕩導(dǎo)致氣流主要沿豎直方向形成滾流，使火焰加速向下傳播．

圖5 p0＝0.04,MPa時(shí)丙烷-空氣點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線和火焰發(fā)展圖像

圖6為0＝0.06,MPa時(shí)缸內(nèi)的燃燒情況，由圖6(a)可知火焰在14.66,ms時(shí)還未傳播至整個(gè)燃燒室，說(shuō)明此工況下火焰速度較0＝0.04,MPa時(shí)有所下降，且由于燃燒溫度升高，碳煙的生成明顯減少．火焰在傳播到約點(diǎn)火后14.66,ms時(shí)，由于末端的壓力升高至4.50,MPa，火焰的傳播變得很慢，壓力曲線停止升高，如圖6(b)中—階段．在17.17,ms時(shí)，圖像右上角出現(xiàn)了自燃點(diǎn)，形成一道淺藍(lán)色的火焰面，傳播速度約為262,m/s，速度遠(yuǎn)高于主火焰速度，但低于當(dāng)?shù)芈曀?約為501,m/s)，該火焰面在17.86,ms時(shí)掃過(guò)所有未燃區(qū)域．壓力曲線上與17.23,ms相對(duì)的位置出現(xiàn)了小幅壓力突增，說(shuō)明了自燃對(duì)剩余氣體的迅速消耗．但是自燃后的壓升僅為0.10,MPa，說(shuō)明該末端未燃?xì)怏w的量較小，自燃產(chǎn)生的壓力波幅值較低．

圖6 p0＝0.06,MPa時(shí)丙烷-空氣點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線和火焰發(fā)展圖像

2.2.2?弱爆震

當(dāng)進(jìn)一步提高初始?jí)毫χ?＝0.08,MPa時(shí)，壓縮后的混合氣能量密度更高，燃燒放熱更加劇烈，使得末端氣體受壓縮的程度更大，末端未燃?xì)怏w的自燃傾向進(jìn)一步增加．如圖7所示，幾乎與0＝0.06,MPa工況在相同位置發(fā)生自燃，但自燃時(shí)刻提前了1.62,ms，此時(shí)末端未燃區(qū)域也更大．其自燃火焰速度約為247,m/s，依舊低于當(dāng)?shù)芈曀伲捎谀┒宋慈細(xì)怏w剩余更多，自燃放熱導(dǎo)致的壓升也更高，從6.0,MPa躍升至6.5,MPa，隨后的壓力振蕩幅值達(dá)到了0.1,MPa．由于壓力波的強(qiáng)度較之前工況提高，可以從連續(xù)播放動(dòng)畫看出自燃后已燃區(qū)域的發(fā)光碳煙及主火焰發(fā)生了一定程度的往復(fù)振蕩．

圖7 p0＝0.08,MPa時(shí)丙烷-空氣點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線和火焰發(fā)展圖像

2.2.3?超級(jí)爆震

進(jìn)一步提高初始?jí)毫χ?＝0.10,MPa．與0＝0.08,MPa時(shí)展現(xiàn)出的變化規(guī)律相同，由于能量密度的提升，燃燒放熱更多，末端氣體受壓縮程度更嚴(yán)重，因此自燃時(shí)刻提前，本次試驗(yàn)中，自燃出現(xiàn)于火花點(diǎn)火后14.03,ms，如圖8所示．與0＝0.08,MPa的情況不同的是自燃后的火焰速度較之前大大提升，平均速度達(dá)到591,m/s，超過(guò)當(dāng)?shù)芈曀?46.9,m/s．因此火焰面前方的壓力開始匯聚，壓力波峰值開始提升，對(duì)前方未燃區(qū)域的加熱作用更加明顯，促進(jìn)火焰面的進(jìn)一步放熱，進(jìn)而不斷加強(qiáng)前驅(qū)的激波，復(fù)現(xiàn)了SWACER機(jī)理中描述的現(xiàn)象．

由于壁面作用，自燃火焰沿壁面?zhèn)鞑サ幂^快，SWACER現(xiàn)象更明顯，因此在壁面附近的自燃火焰面處，率先出現(xiàn)了局部熱爆炸現(xiàn)象，進(jìn)而形成一道更明亮、傳播速度更快的火焰面．該火焰面速度約為2,105,m/s，與該條件下未燃?xì)怏w的C-J爆轟速度1,855,m/s較為接近，并在傳播中逐漸減速至1,814,m/s，說(shuō)明該火焰面一開始為超聲速爆燃，緊接著轉(zhuǎn)變?yōu)镃-J爆轟，這便是所謂的燃燒模式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象．爆轟波向燃燒室圓心方向傳播的速度迅速降低至1,235,m/s，這是由于圓心附近氣體已燃盡，爆轟波退化為激波，失去能量的輸入進(jìn)而減速．由于燃燒室右下方殘余的未燃?xì)怏w較多，爆轟波主要沿該區(qū)域壁面從右向左傳播，且維持C-J爆轟速度的時(shí)間較長(zhǎng)．可以觀察到，局部熱爆炸產(chǎn)生的火焰面和激波在壓力傳感器附近的位置匯聚并在14.14,ms時(shí)發(fā)生反射，進(jìn)而在壓力曲線上產(chǎn)生了超出傳感器量程25.0,MPa的壓升，該激波無(wú)論幅值還是傳播速度均大大高于前述所有自燃產(chǎn)生的壓力波，也因此產(chǎn)生了頻率很高的強(qiáng)烈壓力振蕩．從拍攝到的連續(xù)動(dòng)畫可以看出，激波作用下的自燃火焰面和已燃區(qū)域均發(fā)生了劇烈的往復(fù)．在重復(fù)多次超級(jí)爆震工況下的試驗(yàn)后，石英玻璃出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明該強(qiáng)度的壓力振蕩對(duì)燃燒室的破壞作用非常明顯．

圖8 p0＝0.10,MPa時(shí)丙烷-空氣點(diǎn)燃時(shí)的壓力曲線和火焰發(fā)展圖像

3?結(jié)?論

本文基于一臺(tái)新型快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)開展了不同初始?jí)毫彤?dāng)量比對(duì)丙烷-空氣混合氣自燃及爆震特性的影響，并通過(guò)光學(xué)測(cè)試的方法分析了丙烷不同爆震強(qiáng)度的產(chǎn)生機(jī)理．得到如下結(jié)論.

(1) 能量密度對(duì)爆震強(qiáng)度具有明顯促進(jìn)作用．相同初始溫度和當(dāng)量比條件下，隨著初始?jí)毫Φ奶岣?，缸?nèi)壓力振蕩強(qiáng)度逐漸由無(wú)振蕩(正常燃燒)到強(qiáng)烈振蕩(爆震和超級(jí)爆震)轉(zhuǎn)移．同時(shí)，壓力振蕩的產(chǎn)生與著火方式并無(wú)絕對(duì)關(guān)系，其振蕩強(qiáng)度主要取決于自燃發(fā)生前末端混合氣的狀態(tài)．

(2) 爆震發(fā)生時(shí)總是伴隨局部未燃?xì)怏w的產(chǎn)生，且爆震強(qiáng)度與未燃混合氣的面積(即未燃質(zhì)量分?jǐn)?shù))呈正相關(guān)關(guān)系．相同條件下，隨著能量密度(如進(jìn)氣壓力)的提升，自燃發(fā)生時(shí)未燃混合氣區(qū)域越大，自燃形成的壓力波強(qiáng)度也越高．

(3) 超級(jí)爆震的形成是由于自燃火焰的超聲速傳播導(dǎo)致壓力波在火焰面前方的匯聚，最終導(dǎo)致爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變．爆轟發(fā)生時(shí)形成的C-J爆轟波在壓力傳感器處匯聚反射，從而形成峰值極高的壓力振蕩．

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Experimental Study of Spontaneous Combustion Characteristics and Knocking Mechanism of Propane

Chen Rui，Zhang Pengfei，Pan Jiaying，Wei Haiqiao，Shang Yibao

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to reveal the mechanism of propane auto-ignition and knocking combustion，an experimental study was carried out on a newly designed rapid compression machine，and the auto-ignition and knocking combustion of propane/air mixture under different intake pressures and equivalence ratios were investigated through synchronous test of transient pressure and high speed camera in measurement of in-cylinder combustion process. The results show that knocking severity is significantly increased with the increase of initial intake pressure. There is no absolute relationship between pressure wave generation and ignition method，and the amplitude of pressure oscillations mainly depends on end-gas mixture thermodynamic state before auto-ignition occurrence. Mild and weak knocking combustion are induced by end-gas auto-ignition，and the larger area of unburned mixture zone when auto-ignition occurs，the stronger the knocking severity. The formation of super-knock is caused by the propagation of supersonic auto-igniting flame that leads to the convergence of pressure wave in front of flame front. And eventually，a transition from the deflagration to the detonation mode is induced，which is accompanied by extremely high pressure oscillations.

propane；spontaneous combustion characteristics；rapid compression machine(RCM)；super-knock

the National Natural Science Foundation of China(No.91641203，No.51476114 and No. 51706152) and the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.18JCQNJC07500).

10.11784/tdxbz201805058

TK442

A

0493-2137(2018)12-1217-06

2018-05-25；

2018-07-01.

陳?銳（1963—??），男，博士，教授，r.chen@lboro.ac.uk.

潘家營(yíng)，jypan@tju.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91641203，51476114，51706152)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(18JCQNJC07500).

(責(zé)任編輯：金順愛(ài))