仵峰, 董曉爽, 吳玉博, 馬地, 馮雪芳
(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)
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漸縮-突擴(kuò)流道水力特性研究
仵峰1,2, 董曉爽1,2, 吳玉博1,2, 馬地1,2, 馮雪芳1,2
(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)
滴頭是滴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,流道設(shè)計(jì)是其核心技術(shù)。為了揭示滴頭流道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律,提出一種漸縮-突擴(kuò)的流道結(jié)構(gòu),以三角形、圓形和流線型作為分水結(jié)構(gòu)形狀因素,以流道收縮后最小斷面尺寸(邊壁距離)和放大比例等作為設(shè)計(jì)因素,進(jìn)行了3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);建立了流道的CFD模型,利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對(duì)不同正交試驗(yàn)處理下的流道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究。以滴頭流量為評(píng)價(jià)指標(biāo),探討了以上各因素對(duì)滴頭流量的影響,分析了流道不同斷面位置處的能量及其變化規(guī)律。結(jié)果表明:1)10 m水頭條件下,試驗(yàn)各因素均對(duì)滴頭流量產(chǎn)生影響,其中流道尺寸比例系數(shù)對(duì)流量的影響最大,流道內(nèi)分水結(jié)構(gòu)的形狀和邊壁距離影響不顯著,流道的過流能力可用以上參數(shù)的多元線性回歸方程定量表示;2)漸縮-突擴(kuò)流道結(jié)構(gòu)的流態(tài)指數(shù)為0.494 3~0.509 1,屬孔口出流;試驗(yàn)的3種因素對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響由大到小依次為:尺寸比例系數(shù)、分水結(jié)構(gòu)形狀、邊壁距離,但均達(dá)不到顯著水平;3)流道內(nèi)水流的雷諾數(shù)Re的范圍為614~691 5,局部水頭損失系數(shù)為2.1~10.6。
流道結(jié)構(gòu);尺寸;水力性能;水頭損失
灌水器在滴灌系統(tǒng)中屬于關(guān)鍵部件,灌水器的流道形式影響著其內(nèi)部的水流情況和消能效果。Glaad等[1]認(rèn)為,流道的形式構(gòu)造、尺寸和材料性能都影響著灌水器的性能;Ozekici等[2]認(rèn)為,局部水頭損失是灌水器消能的主要原因。目前的研究中,一般都是選用一種材料,重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小對(duì)灌水器性能的影響。張琴等[3]依據(jù)灌水器內(nèi)的流線,將矩形迷宮流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化成圓弧形,使它的水力性能得到了提高。孟桂祥等[4]利用流線型流道對(duì)傳統(tǒng)的迷宮流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改變其中的水流流態(tài),提高了灌水器的消能效果。李云開等[5]設(shè)計(jì)了新型的分型流道結(jié)構(gòu)灌水器,分型流道水流大部分呈紊流狀態(tài),消能效果較好。郭霖等[15]采用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法,對(duì)三角形的迷宮流道進(jìn)行模擬,得到了各個(gè)參數(shù)對(duì)其水力性能的影響關(guān)系。劉春景等[6-7]利用響應(yīng)曲面法對(duì)三角形和梯形流道進(jìn)行了研究,得到了流道內(nèi)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量和流態(tài)指數(shù)的影響關(guān)系。喻黎明[8]研究了正交試驗(yàn)下的16種梯形流道的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其水力性能的影響關(guān)系。王建東等[9]通過回歸分析得到了滴頭流量與各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,研究了不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)灌水器水力性能的影響。
計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的發(fā)展為灌水器內(nèi)水流流動(dòng)特性研究提供了一種新途徑,采用CFD進(jìn)行模擬,耗時(shí)短、成本低,在一定程度上彌補(bǔ)了理論分析和試驗(yàn)測(cè)試的不足。王尚錦等[10]、李永欣等[11]、顏廷熠等[12]均基于CFD流場(chǎng)模擬方法,對(duì)滴頭內(nèi)部流場(chǎng)的壓力-流量關(guān)系和內(nèi)部的水流特性進(jìn)行了模擬和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。田濟(jì)揚(yáng)、郭霖等[13-15]研究了一種八字形和“V”字形相結(jié)合的新型滴灌雙向流道結(jié)構(gòu),利用Fluent模擬結(jié)果表明,流道是通過正、反向水流混摻達(dá)到消能效果的。
優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)是滴頭設(shè)計(jì)中常用的方法,如迷宮式滴頭就是采用優(yōu)化后的齒形流道。苑偉靜等[16]設(shè)計(jì)了一種利用漸擴(kuò)、漸縮、分流的新型流道形式。這類灌水器流道形狀對(duì)灌水器的水力性能影響顯著。水流在流道內(nèi)流動(dòng)時(shí),由于流道結(jié)構(gòu)的突變(突擴(kuò)、突縮),導(dǎo)致流速分布改變,流層間切應(yīng)力增加,水流強(qiáng)烈紊動(dòng),將產(chǎn)生較大的能量損失,因而其消能以局部水頭損失為主。
本文以漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的流道作為研究對(duì)象,考慮其最小斷面尺寸和結(jié)構(gòu)總體尺寸等因素,利用CFD技術(shù)研究流道的過流特性和消能效果,以期為新型滴灌灌水器的流道設(shè)計(jì)提供理論支持。
出流穩(wěn)定是對(duì)灌水器性能的基本要求之一,良好的消能結(jié)構(gòu)是達(dá)到這一目標(biāo)的重要途徑。參考迷宮滴頭的流道結(jié)構(gòu),提出一種漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)作為流道的基本結(jié)構(gòu),利用局部突變影響水流的流態(tài),從而增加局部水頭損失。為使流道內(nèi)水流充分混摻,增加流道的消能效果,提高出流的穩(wěn)定性,需要考慮最小斷面處的尺寸(以下簡(jiǎn)稱為邊壁距離)和流道平面上的放大因子。以三角形、圓形和流線型作為收縮段形狀因素,結(jié)合流道收縮后邊壁距離和不同放大比例等作為流道設(shè)計(jì)因素,對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.1 流道結(jié)構(gòu)形式
當(dāng)有壓水流進(jìn)入流道后,通過內(nèi)部的流道分水結(jié)構(gòu)達(dá)到分流的目的,該分水結(jié)構(gòu)選用簡(jiǎn)單的三角形、圓形以及符合水流流線的流線型3種形式作為流道的形狀因子,滴頭流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中,左側(cè)為進(jìn)水口,在進(jìn)水口后設(shè)置有導(dǎo)流板,以提高水流到達(dá)結(jié)構(gòu)體前的均勻度,右側(cè)中部的圓形為水流出口;沿流道設(shè)置4個(gè)斷面,用來考查水流在斷面處的流速和能量分布。
圖1 滴頭流道結(jié)構(gòu)形式
1.2 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)
流道結(jié)構(gòu)與其相關(guān)參數(shù)是影響灌水器水力性能的重要因素。根據(jù)圖1,選取形狀、邊壁距離D0、尺寸比例系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱尺寸比)作為關(guān)鍵因素,其中尺寸包括流道長(zhǎng)度L、流道寬度D、流道深度,原型流道深度取為0.5 mm,L為6 mm,D為3 mm,各因子水平見表1。
表1 各因子水平的選取
按照表1的因素水平,暫不考慮各因素間的交互作用,采用正交試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)了3因素3水平的正交試驗(yàn),進(jìn)行了9次模擬試驗(yàn)研究。
1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件
利用Pro/E軟件繪制出流道結(jié)構(gòu)的3D模型。由于流道結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜,因此網(wǎng)格類型采用混合的多面體網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1,利用Gambit軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,然后將生成的.msh文件導(dǎo)出,再利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。流道進(jìn)口的邊界條件設(shè)為壓力邊界(pressure-inlet),壓力分別設(shè)置為2、3、5、6、7、8、9、10、12、14、15 m水頭;出口也為壓力邊界,設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,即壓力水頭為零。
數(shù)值計(jì)算時(shí),選取定常的非耦合隱式算法,對(duì)流項(xiàng)等采用二階迎風(fēng)格式,速度耦合用SIMPLE算法,殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4。
由于該流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,因此選擇湍流模型來進(jìn)行模擬。針對(duì)不同的湍流需要應(yīng)用不同的湍流模型,其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型應(yīng)用廣泛,k為湍流動(dòng)能、ε為動(dòng)能耗散率,該模型具有很好的收斂速率和相對(duì)較低的內(nèi)存要求。k-ω模型與k-ε模型類似,其中ω為大渦頻率,可以很好地描述近壁面內(nèi)的邊界層流動(dòng)。另外,剪切應(yīng)力湍流模型(SST模型)保留了k-ω模型的近壁面的特性,但是SST模型并非總能快速收斂得到解。綜上,針對(duì)流道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),參考以往研究滴頭流道的CFD模擬結(jié)果[4,11-12,14],選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。
在一定的壓力范圍內(nèi),流道的過流能力即為滴頭流量,用壓力-流量關(guān)系表示為:
q=khx。
(1)
式中:q為滴頭流量,L/h;h為壓力水頭,m;k為流量系數(shù)(與幾何尺寸有關(guān));x為流態(tài)指數(shù)。
利用Fluent的流量統(tǒng)計(jì)功能,得到各試驗(yàn)組合在不同壓力下的流量值,見表2。用式(1)擬合得到各試驗(yàn)組合的壓力-流量關(guān)系,其對(duì)應(yīng)的流態(tài)指數(shù)x和流量系數(shù)k也列于表2。
由表2可知,隨著壓力的增大,流道的過流能力增大。結(jié)合試驗(yàn)因素及水平可以得出,同一結(jié)構(gòu)形式、同一壓力條件下,結(jié)構(gòu)的尺寸比越大,對(duì)應(yīng)的流量q越大;邊壁距離越大,流量q也越大。但流道內(nèi)水流的流態(tài)指數(shù)x變化不大,其取值范圍為0.494 3~0.509 1,接近孔口出流(x=0.5)時(shí)的流態(tài)。
表2 不同水頭壓力下的流量q值
2.1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭流量的影響
2.1.1 直觀分析
10 m水頭下流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭流量影響的直觀分析結(jié)果見表3。
表3 正交試驗(yàn)直觀分析結(jié)果(h=10 m)
由表3可知,當(dāng)邊壁距離和尺寸比水平變動(dòng)時(shí),流道過流能力波動(dòng)較大;當(dāng)分水結(jié)構(gòu)形狀變動(dòng)時(shí),流道的過流能力變化較小。表明研究的漸縮-突擴(kuò)流道結(jié)構(gòu)的過流能力,與流道的分水結(jié)構(gòu)形狀、邊壁距離和尺寸比均有關(guān)。尺寸比對(duì)滴頭流量的影響最大,即流道的尺寸成倍縮小或放大時(shí),其相應(yīng)的過流能力也將急劇縮小或變大;而試驗(yàn)條件下的邊壁距離和分水結(jié)構(gòu)形狀對(duì)流道的過流能力影響不大。
2.1.2 方差分析
直觀分析法雖然簡(jiǎn)潔直觀,但它不能辨別造成試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)的原因,如因素水平的改變可以引起試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng),而試驗(yàn)誤差也有可能引起試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng);同時(shí)也沒有提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷因素的作用是否顯著。為了克服這些不足,需結(jié)合方差分析進(jìn)行研判,方差分析結(jié)果見表4。
表4 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量影響的方差分析
由表4可以看出,按照α=0.05來檢驗(yàn)時(shí),尺寸比對(duì)滴頭流量的影響比較顯著,說明結(jié)構(gòu)參數(shù)中尺寸比對(duì)流量的影響最大,流道內(nèi)的形狀與邊壁距離對(duì)流量的影響效果不顯著。各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量q的影響順序由大到小依次為:尺寸比、邊壁距離、分水結(jié)構(gòu)形狀,這與極差分析結(jié)果相吻合。
2.2 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭流態(tài)指數(shù)的影響
流態(tài)指數(shù)x與流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)緊密相關(guān),反映了灌水器流量對(duì)壓力變化的敏感程度,可以用來評(píng)價(jià)流道水力性能的優(yōu)劣。其值越小,對(duì)應(yīng)滴頭的水力性能越好。
首先采用直觀分析法進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明,流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響順序由大到小依次為:尺寸比、分水結(jié)構(gòu)形狀、邊壁距離。
按照α=0.05來進(jìn)行正交檢驗(yàn),方差分析結(jié)果見表5。
表5 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)影響的方差分析
從表5可以看出,3種因素對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響
均不顯著,各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響順序由大到小依次為:尺寸比、分水結(jié)構(gòu)形狀、邊壁距離,結(jié)果與極差分析結(jié)果吻合。
分析各參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響,由表5可以看出各種組合條件下流態(tài)指數(shù)變化不大,表明流動(dòng)狀態(tài)相同。這一結(jié)果同時(shí)也說明,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來進(jìn)行模擬計(jì)算是恰當(dāng)?shù)摹?/p>
2.3 滴頭流量與流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的線性回歸分析
由以上分析可知,流道結(jié)構(gòu)參數(shù)影響滴頭流量。因此,以正交試驗(yàn)得到的結(jié)果為依據(jù),采用SPSS進(jìn)行多元線性回歸分析,得到10 m水頭下滴頭流量與流道各結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元線性回歸方程:
q=-14.899+1.218A+6.388B+8.826C。
(2)
式中:A為分水結(jié)構(gòu)形狀,三角形、圓形、流線型對(duì)應(yīng)取值分別為1、2、3;B為邊壁距離,mm;C為尺寸比。
線性回歸的相關(guān)系數(shù)R=0.938。F檢驗(yàn)在α=0.05時(shí),達(dá)到顯著水平。對(duì)各回歸系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)(見表6),在α=0.05時(shí),尺寸比達(dá)到顯著水平。
表6 回歸系數(shù)的t檢驗(yàn)
2.4 流道內(nèi)水流流態(tài)以及消能效果
利用CFD模擬的后處理功能,可以直觀地得到不同試驗(yàn)條件下的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),如圖2、圖3所示。
圖2 不同試驗(yàn)條件下的壓力分布
圖3 不同試驗(yàn)條件下的流速分布
從圖2、圖3中壓力場(chǎng)和流速場(chǎng)的分布可以看出:通過導(dǎo)流板穩(wěn)流后,水流到達(dá)漸縮段前,壓力場(chǎng)分布比較均勻;流速場(chǎng)存在一定的主流區(qū),但渦旋現(xiàn)象并不明顯,而在水流到達(dá)突擴(kuò)斷面(斷面4—4)后,由于出水口設(shè)置在擋水結(jié)構(gòu)體內(nèi),出現(xiàn)了明顯的回流和渦旋。
為了分析漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的消能效果,需要計(jì)算各斷面的能量。計(jì)算時(shí),把各斷面平均分成30份,先利用軟件的自帶功能,根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)出每一斷面不同位置處的流速和壓強(qiáng),再分別計(jì)算出該斷面的動(dòng)能和壓能,最后用式(3)計(jì)算出各個(gè)斷面的總能量。
(3)
式中:z為位置水頭,m;p為壓強(qiáng),Pa;u為流速,m/s;ρ為水的密度,kg/m3;g為重力加速度。
計(jì)算時(shí),對(duì)斷面4—4按照水流運(yùn)動(dòng)方向分成2部分(即兩邊收縮斷面最窄處與回流區(qū)),分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表7。分析表7可以得出,從斷面3—3到斷面4—4兩端最窄處為漸縮段,而斷面4—4兩端最窄處到斷面4—4的回流區(qū)為突擴(kuò)段,以斷面3—3為基準(zhǔn),漸縮段消耗能量為43.68%~58.70%,與之對(duì)應(yīng)的突擴(kuò)段消耗能量為9.30%~26.69%。因此,采用漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的流道能量消耗以漸縮段為主,這與常規(guī)的水頭損失不同。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是該結(jié)構(gòu)中突擴(kuò)后的距離僅為1倍的最小斷面尺寸,水流經(jīng)過漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)后并沒完全穩(wěn)定,因而突擴(kuò)后的消能效果并沒完全發(fā)揮;此外,在突擴(kuò)段能量分析時(shí),試驗(yàn)1、4、7回流區(qū)壓力出現(xiàn)負(fù)值,而試驗(yàn)3、6、9的能量出現(xiàn)了增加現(xiàn)象,水流不穩(wěn)定是造成上述結(jié)果的重要原因。
水頭損失hw由沿程水頭損失hf和局部水頭損失hj組成。經(jīng)計(jì)算,不同試驗(yàn)處理下的水頭損失及雷諾數(shù)結(jié)果見表8。由表8可以看出,在10 m水頭時(shí):①流道內(nèi)的雷諾數(shù)Re的范圍為614~691 5;②內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同,隨著邊壁距離的減小,局部水頭損失系數(shù)變小,在邊壁距離為0.75 mm時(shí),局部水頭損
失系數(shù)最大;③尺寸比相同,隨著邊壁距離減小,局部水頭損失系數(shù)變大;④邊壁距離相同,尺寸比對(duì)局部水頭損失系數(shù)的影響不明顯。
表7 各斷面總能量
表8 流道結(jié)構(gòu)內(nèi)的水頭損失及雷諾數(shù)(h=10 m)
通過對(duì)新建的突變結(jié)構(gòu)流道進(jìn)行Fluent模擬,可以得到如下結(jié)論:
1)各結(jié)構(gòu)參數(shù)均對(duì)滴頭流量產(chǎn)生影響。在10 m水頭下,流道尺寸比例系數(shù)對(duì)流量的影響最大,流道內(nèi)分水結(jié)構(gòu)的形狀和邊壁距離影響不顯著。
2)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭流態(tài)指數(shù)x的影響均不顯著,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適宜于模擬漸縮-突擴(kuò)流道結(jié)構(gòu)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)。
3)在10 m水頭下,滴頭流量可用結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元線性回歸方程表示。流道內(nèi)的雷諾數(shù)Re為614~691 5,流態(tài)指數(shù)為0.494 3~0.509 1,屬孔口出流,局部水頭損失系數(shù)為2.1~10.6。
為提高流道的消能效果,可以在流道結(jié)構(gòu)中增加多個(gè)漸縮-突擴(kuò)結(jié)構(gòu),以增大局部水頭損失,使水流充分混摻,達(dá)到消能的目的。每個(gè)結(jié)構(gòu)之間的間距需要進(jìn)一步研究確定,在提高滴頭水力性能的同時(shí),還應(yīng)該考慮流道的抗堵性能。
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(責(zé)任編輯:宰松梅)
Hydraulic Properties of the Flow in a Gradual Shrinking and Sudden Enlarging Channel
WU Feng1,2, DONG Xiaoshuang1,2, WU Yubo1,2, MA Di1,2, FENG Xuefang1,2
(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Henan Key Laboratory of Water-saving Agriculture, Zhengzhou 450046, China)
Emitters are important parts in a drip irrigation system. The flow channel design is the key technology for emitters. To reveal the hydraulic properties of water in its path, a new structure of the gradual shrinking and sudden enlarging channel was put forward. An orthogonal experiment under three factors and three levels was built. Three experimental factors are the shape of diversion structure, which include triangle, circle and streamline, the size of the narrowest section and the scale ratio. A CFD model was established and FLUENT was adopted to carry on the numerical simulating water flow field in the structure. The internal flow field was studied under different orthogonal tests. Influences of all above factors on the discharge, the energy and its head loss were analyzed in the different cross-section along the channel. Results show that: 1) all factors in the experiment impact on the discharge under 10 m inlet pressure. The influence of the proportional coefficient of channel size on the flow is significant, while the others′ effects are non-significant. Flow capacity can be quantitatively formulated by a multiple linear regression equation of the above parameters. 2) The flow index of gradual shrinking and sudden enlarging channel is 0.494~0.509. Water flow regime belongs to an orifice outflow in such a gradual shrinking and sudden enlarging channel. The effect order of the three factors on the flow indexxfrom the largest to the smallest is as follows: proportional coefficient of size, shape, the narrowest section. But none of them has reached to the significant level. 3) The Reynolds number of the flow across the channel is 614~6 915. The coefficient of local head loss is 2.1~10.6.
channel structure; size; hydraulic properties; the head loss
2017-01-20
國家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAD24B02);河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102110094);華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201336)。
仵峰(1969—),男,河南南陽人,教授,博導(dǎo),博士,從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究及設(shè)備研發(fā)。E-mail:wufeng@ncwu.edu.cn。
10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.012
TV132+.11;S275.6
A
1002-5634(2017)02-0061-07