余明高,梁栋林,2,徐永亮,2,郑 凯,纪文涛

(1．河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

余明高1,梁栋林1,2,徐永亮1,2,郑 凯1,纪文涛1

(1．河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

为了研究荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆机理,根据静电感应原理,自行设计了小尺寸的荷电细水雾发生装置,并开展了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。实验分析了在不同荷电极性、荷电电压以及雾通量下,荷电细水雾对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响。结果表明:荷电细水雾较普通细水雾能更有效地降低瓦斯爆炸压力峰值以及火焰传播速度,且随着荷电电压的增大,荷电细水雾的抑爆效果显著增强。同时荷负电荷的细水雾较荷正电荷的细水雾抑爆效果更好。当荷电电压为8 kV时,荷电细水雾使瓦斯爆炸压力峰值下降64．7%,升压速率下降33．03%,火焰传播速度下降34．9%。

感应荷电;荷电细水雾;瓦斯爆炸;抑制

瓦斯抑爆是有效减弱和控制瓦斯爆炸灾害的重要手段,目前对于抑制爆炸的原理有降温、惰性化、中止反应、阻隔、淬熄等;采用的常规手段有高压水幕、岩粉棚、水袋、干粉灭火剂、隔火栅淬熄等。近几年水雾由于其所具有的理化特性在不同类型的火灾中已经得到了广泛的应用,且经实验研究表明,一定条件下的水雾对爆炸火焰传播同样具有很好的抑制效果。

为了进一步提高细水雾的利用效率,改善细水雾的理化特性,王喜世、余明高等[1-2]对细水雾抑制火焰扩散做了深入的研究。刘江虹等[3]就含添加剂的细水雾对甲烷空气预混火焰的抑制效果进行了研究,结果表明通过在细水雾中加入一定的添加剂可以提高细水雾对火焰的抑制能力。徐峰等[4]对细水雾应用在抑制瓦斯爆炸方面进行了研究。赵枫、王旭[5]对带电细水雾的灭火效果进行了研究,表明带电细水雾较普通细水雾对油池火的熄灭效果更好。此外R．G．Maghirang等[6]用荷电细水雾进行烟气扩散过程中的消烟。E．Almuhanna等[7]利用预荷电水雾技术,将水雾预先荷电,提高水雾与工业粉尘接触能力,从而达到除尘的目的。陈汇龙等[8]对感应荷电喷雾静电场与荷电特性进行了分析研究,结果表明较高充电电压和较小的电极间距有利于雾化效果影响和喷雾质量。

然而针对荷电细水雾应用在抑制煤矿瓦斯爆炸领域的研究鲜见相关报道。本文利用自行设计的实验装置,开展荷电细水雾抑制瓦斯爆炸有效性的试验研究,以分析荷电细水雾对瓦斯爆炸的影响。本研究对提高荷电细水雾瓦斯抑爆效率、促进荷电细水雾在防治煤矿瓦斯爆炸灾害方面的应用具有现实意义。

1 荷电细水雾的发生方法

荷电细水雾即带电细水雾,主要是通过接触荷电、感应荷电和电晕荷电使水雾带上某种电荷,从而实现其在特定领域的应用。在本实验条件下所采用的细水雾荷电方法是通过感应荷电法使雾滴荷上与放电电极极性相反的电荷。实验所用水雾雾滴平均粒径为50 μm,标准状况下荷电细水雾发生器产雾体积为1．32 L/min。电极为横截面积2．5 mm2、内径30 mm的环状铜丝导线,喷头与铜环电极间距离为12 mm,此时荷电细水雾的荷电效果最佳[9],同时避免了由于电极放电带来的安全问题。

在实验中由于选择8 kV以上电压值时,电极发生放电现象,无法实现细水雾荷电,所以实验荷电电压在0～8 kV之间调节。荷电细水雾感应电压的正负可以通过改变电极的不同接地方式实现。在本实验中将铜环电极接地,喷雾端卡套接高压电源电压输出端如图1(a)所示,或者高压电源电压输出端和接地端分别接到铜环电极和喷雾端卡套处如图1(b)所示。使铜环与喷雾卡套之间形成电场区,当细水雾在通过电场时由于电场中运动离子的碰撞带上一定量与放电电极极性相反的正负电荷,从而改变细水雾液滴的理化特性来提高抑爆效果。

图1 荷电细水雾发生喷头Fig．1 Sprinkler of charged water mist

2 荷电细水雾抑爆模拟系统

2.1 模拟装置及系统

实验管道由长为500 mm,壁厚为20 mm,截面为100 mm×100 mm的两段方形的有机玻璃材质管道组成。管道一端为电火花点火端,用法兰螺钉密闭。另一端为活动端用厚度为0．31 mm的双层泄压薄膜封闭。管道中间部分通过一层0．31 mm的隔膜和法兰螺钉将两段管道分割开。近点火端的B管段充入实验所需浓度的甲烷空气预混气体,隔膜后的A管段充入实验所要求的细水雾。

整个实验系统由管道、荷电细水雾发生装置、可调高压直流电源、配气装置、高速摄像仪、数据采集装置等组成。荷电细水雾发生喷头固定于A管道距活动端200 mm处。在管道封闭端上布置MD-HF型高频压力传感器,量程为-0．1～0．1 MPa,响应时间为0．1 ms,测量精度为0．25%FS。压力采集设备为采样频率15 kHz的USB-1208型数据采集卡。光电传感器用于记录瓦斯起爆瞬间光信号,控制压力和图像采集初始时间点,型号为RL-1。由德国尼康公司生产的Davis．7．2高速摄像系统采集瓦斯爆炸火焰在不同工况细水雾下的传播图像特征,高速摄像速度为2 000帧/s。实验装置如图2所示。实验过程中初始压力为0．1 MPa,环境温度为25℃。

2.2 测试步骤及过程

实验选取爆炸强度最大,放出热量最多的甲烷体积分数为9．5%的甲烷空气预混气体作为实验用气,在图2中的管道A端统一通入标准状况下5 L的雾量。在实验过程中重点研究了进入雾区的瓦斯爆炸火焰阵面的图像特征。测试具体流程如下:

图2 实验系统装置Fig．2 Schematic of the experimental system

(1)计算管道容积约10 L,有效瓦斯充入体积为5 L(图2管道B端)。计算甲烷体积分数为9．5%的预混气体中甲烷和空气所占的体积,根据其体积比设定出质量流量计的流速分别为甲烷0．475 L/min和空气4．525 L/min。打开排气阀门使充气总量达到管道有效瓦斯容积的4倍左右,设定通气时间为4 min。待达到实验要求的预混气体浓度后关闭质量流量计电源和排气阀门,同时断开管道与气瓶的连接管。

(2)待气体静置1 min后,进行点火预爆。通过光电传感器采集的数据确定爆炸初始阶段的时间点,利用高速摄像仪记录瓦斯爆炸火焰从点火点开始经过A,B管段的隔膜传播进入荷电细水雾雾区的全过程。

(3)通过改变电极的不同接地方式和高压电源的输出电压值,使感应荷电电压值分别为0,±2,±4, ±6,±8 kV,以此来获得不同荷电效果的荷电细水雾。

通过高频压力传感器、光电传感器以及高速摄像仪采集到的瓦斯爆炸压力、光电以及图像的实时数据,分析对比细水雾的荷电极性和荷电电压值的不同对瓦斯爆炸燃烧火焰的影响。

3 实验结果与分析

3.1 荷电细水雾作用时瓦斯爆炸火焰图像特征

通过高速摄像仪拍摄到瓦斯爆炸火焰经过不同特性细水雾雾区时的火焰阵面图像特征,实验选取32 ms时火焰在雾区中的传播图像进行对比分析,如图3,4所示。实验采集图片的背景色为深蓝色。通过对比不同工况下火焰的颜色可确定火焰温度的范围,关于色温的变化大致有如下规律:当火焰温度较低时放出长波长的光较多,以红、橙光为主,且火焰颜色偏黄偏暖。随着温度的上升,火焰从红色橙色到白色到青色蓝色到紫色到最后看不见的紫外线,颜色在不断的改变。

图3 普通细水雾作用时雾区的瓦斯爆炸火焰图像特征Fig．3 Image characteristics of gas explosion flame under normal water mist

图4 细水雾荷不同负、正电压时瓦斯爆炸火焰图像特征Fig．4 Image characteristics of gas explosion flame under charged water mist of different negative and positive voltage

图3是施加普通细水雾时,瓦斯爆炸火焰通过雾场区的火焰图像特征。从图3可以看出,火焰中心发出白炽光,只有火焰前锋部分受细水雾作用火焰颜色变橙色且成破碎、不连续状,火焰整体阵面以较规则、完整的形状在管道内传播,说明普通细水雾虽然对瓦斯爆炸火焰传播起到一定的抑制作用,但其火焰中心区域温度仍然很高,火焰锋面的稳定性依然很高。这主要是由于普通细水雾大部分雾滴只是作用于火焰外部汽化吸热、隔绝空气、消耗部分火焰外部自由基,使火焰温度降低,抑制火焰波的传播,而瓦斯燃烧反应区内部仍然存在大量的活性自由基,链式反应仍然很剧烈[10]。

图4是分别施加荷负电荷和正电荷细水雾时,瓦斯爆炸火焰通过雾场区时的火焰图像特征。从图4很明显看出,火焰中心颜色由白炽光逐渐变橙红色且火焰的规则完整性被完全破坏,火焰的阵面变的更加破碎不连续、火焰燃烧面积逐渐减小。说明爆炸火焰在通过荷电细水雾雾场区时火焰锋面形状和火焰内部温度都有很大的变化。这主要是由于普通细水雾通过荷不同电压的电场区后,在雾滴表面荷上一定极性的电荷,荷上不同极性电荷的雾滴受到火焰中带同种极性电荷的粒子、中间产物的排斥作用,使火焰的稳定性降低,火焰拉伸和振荡加剧。同时受到火焰反应区内部带异种电荷的粒子、中间产物、瞬间产物电场力的作用,以及火焰的卷吸作用使雾滴更易进入火焰内部活性反应区对火焰的蒸发吸热作用增强。此外由于雾滴中极性相同的雾滴之间相互排斥,使水雾在空间的弥散程度增大,雾滴的粒径更小,增加了雾滴与火焰的接触面积,分散的雾滴更易蒸发吸热,进一步起到抑制瓦斯爆炸火焰的作用。

对比图3,4会发现,火焰色温的变化明显,火焰阵面的破碎程度增加,火焰燃烧面积减少,说明荷电细水雾较普通细水雾对瓦斯爆炸火焰内部温度有更加明显的降低作用,同时火焰锋面的拉伸、撕裂现象更加突出。并且荷负电荷的细水雾较荷正电荷的细水雾对瓦斯爆炸火焰的抑制效果更加显著,同时随着荷电电压的增大,荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰的抑制作用明显增强。这主要是由于雾滴通过电场后使细水雾雾滴的理化特性发生改变,荷负电荷的细水雾对爆炸火焰中的带电离子的结合作用更强,并且随着荷电电压值的增大,细水雾雾滴的荷电量逐渐增加。荷电细水雾的荷电特性越来越明显,使得其对瓦斯爆炸火焰的抑制作用增强。

3.2 荷电细水雾对瓦斯爆炸压力的影响

在实验过程中通过对所采集到的压力数据进行处理分析,研究不同荷电电压值对荷电细水雾的抑爆效果的影响,如图5所示。

图5 荷电细水雾作用下瓦斯爆炸压力随时间变化曲线Fig．5 Changes of explosion pressure with time under charged water mist

从图5可以看出,在试验过程中爆炸压力曲线出现“双峰”结构。这种现象主要是由于瓦斯爆炸火焰在从管段B冲破两管段之间的隔膜进入管段A时的压力波动造成的。从图5可以明显看出,荷电细水雾对瓦斯爆炸压力衰减作用较普通细水雾更明显,且荷负电荷的细水雾又较荷正电荷的细水雾对爆炸压力的衰减作用明显。

通过高频压力传感器采集到的爆炸瞬间压力数据,可知当对瓦斯爆炸火焰施加普通细水雾时瓦斯爆炸压力峰值为35．356 kPa,当施加荷正电荷的细水雾时,随着所荷电压值的增大,瓦斯爆炸压力峰值逐渐降低为25．638,22．450,22．142,12．970 kPa,较普通细水雾分别下降了27．5%,36．5%,37．4%,63．3%。当施加荷负电荷的细水雾时,随着所荷电压值的增大,瓦斯爆炸压力峰值分别下降为23．972,21．654, 20．544,12．468 kPa,较普通细水雾下降 32．2%, 38．8%,41．9%,64．7%。通过计算得出施加普通细水雾时瓦斯爆炸波平均升压速率为599．31 kPa/s,施加荷正电荷的细水雾时瓦斯爆炸波最大平均升压速率为428．77 kPa/s,施加荷负电荷的细水雾时瓦斯爆炸波最大平均升压速率为401．35 kPa/s。荷正、负电荷的细水雾较普通细水雾使瓦斯爆炸波平均升压速率分别下降了28．46%和33．03%。

这种现象主要是由于荷电细水雾不仅具有普通细水雾对爆炸压力波的阻碍作用[11],而且荷电细水雾较普通细水雾对火焰的降温作用更加明显,从而减少爆炸压力波传播所需要的能量。在施加荷负电荷的水雾时,爆炸压力冲击波在进入管段A时压力曲线有一个大的下降幅度。这主要是由于瓦斯爆炸火焰中正离子数目较多,这些为数不多的正离子对瓦斯爆炸燃烧起着重要的作用。恰恰荷负电荷的细水雾雾滴不仅中和了爆炸燃烧反应中的正离子,使爆炸火焰中正离子的浓度梯度降低[12],同时消耗了链式反应过程所需要的大量自由基,从而降低瓦斯爆炸反应强度。

3.3 荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响

根据高速摄像仪记录的瓦斯爆炸火焰阵面图像的分幅照片,火焰传播速度可以根据不同时间高速摄像仪拍摄的火焰阵面的位置变化,以及拍摄时间间隔进行计算。根据压力变化曲线可以明显看出,随着荷电电压的增大,荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果逐渐增强。所以通过计算分别研究了普通细水雾与荷±8 kV电压的荷电细水雾分别作用时瓦斯爆炸火焰传播速度变化规律,如图6所示。

图6 荷电细水雾作用下瓦斯爆炸火焰传播速度随时间变化曲线Fig．6 Changes of gas explosion flame speed with time under charged water mist

图6中起始阶段火焰传播速度曲线没有发生重合主要是因为数据采集开始时发生的偏差造成的。图6(a)中曲线1为普通细水雾作用下,瓦斯爆炸火焰通过隔膜后进入细水雾雾场区时的火焰传播速度曲线。由图6(a)可知爆炸火焰波在未进入雾区时爆炸火焰传播速度达到71．03 m/s,而进入雾区后火焰传播速度下降到63．87 m/s。从图6(a)中可以明显看出,当瓦斯爆炸火焰经过中间隔膜后进入细水雾雾区后速度突然有一个下降。这说明细水雾对瓦斯爆炸起到一定的抑制作用。图6(a)中曲线2为瓦斯爆炸火焰波通过荷正电荷的细水雾雾场区时火焰速度的趋势。由此可知在荷正电荷的细水雾作用下,瓦斯爆炸火焰传播速度下降到53．47 m/s。对比曲线1可以发现火焰进入荷正电荷的细水雾雾场区后速度明显下降,下降幅度达到16．28%,同时对比图6(b)曲线3会发现瓦斯爆炸火焰经过荷负电荷的细水雾雾场区时,火焰传播速度下降为41．58 m/s,较普通细水雾下降了34．90%。

荷电细水雾较普通细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的抑制作用更明显,这主要是因为荷电细水雾较普通细水雾不仅阻止已燃区火焰热量对未燃区预混气体的预热,稀释燃烧区的氧气浓度,减少可燃气体与氧气结合的机会减慢化学反应的进行,而且由于荷负电荷的水雾雾滴和瓦斯爆炸火焰中的带电粒子以及自由基更加容易结合,从而降低已燃区的自由基以及带电粒子向未燃区的扩散,降低粒子间的碰撞几率,阻断瓦斯气体链式反应的发生,使火焰传播速度明显降低,火焰锋面出现明显的撕裂和卷曲[13]。

4 不同雾通量的荷电细水雾对瓦斯爆炸压力影响分析

为了对荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的有效性进行更加全面的研究,试验对0,1,2,3,4,5 L六种不同体积的细水雾分别在未施加荷电电压和施加+8 kV荷电电压时对瓦斯爆炸压力峰值的影响进行了研究,观察不同雾通量对同一体积瓦斯爆炸的抑制效果,用Origin软件对图像处理得到3次拟合函数,即

Y=A+B1X+B2X2+B3X3(1)

其中,X为不同细水雾通入体积;Y为瓦斯爆炸压力峰值。并得到拟合曲线如图7所示,拟合函数中不同字母对应的参数见表1。

图7 不同细水雾作用时瓦斯爆炸压力峰值拟合曲线Fig．7 Polynomial fit of gas explosion pressure peak with different water mist

表1 不同细水雾作用时对应参数Table 1 Parameters at different water mist

从图7可以看出,随着细水雾雾通量的增加,相同雾通量的荷电细水雾较普通细水雾使瓦斯爆炸压力峰值分别下降了 12．44%,13．20%,21．69%, 30．22%,47．08%。说明随着细水雾雾通量的增加,相同雾通量的荷电细水雾的抑爆性能较普通细水雾明显增强,在实际应用中随着爆炸瓦斯体积的增大,为了实现一定的抑制效果施加的细水雾雾通量相应增加,但由于荷电细水雾的抑爆效果随着雾通量的增加而增强,所以荷电细水雾的施加量将更少。这主要是一方面由于随着雾通量的增加,瓦斯气体中水雾雾滴密度增大,单位体积内与火焰锋面作用的雾滴增多,雾滴对爆炸波的吸热和阻挡作用明显。另一方面由于荷电细水雾的单个雾滴所荷电荷量一定。随着雾通量的增加,雾区中雾滴密度增大,雾滴整体荷电量明显增加,受到静电力的作用雾滴分散度更大。同时雾滴群对爆炸火焰反应区中间产物以及带电粒子的吸附作用增强,对燃烧反应区中自由基的原有分布扰动作用增强。自由基与雾滴的碰撞销毁作用更加明显,荷电雾滴对爆炸燃烧火焰的链式反应的干预作用增强,从而降低瓦斯爆炸反应强度。

5 荷电细水雾抑爆机理探讨

荷电细水雾的抑爆效果不仅具有传统细水雾的冷却、窒息、隔离等优点,而且还具备了化学抑制效果和动力学效应。

实验研究表明在瓦斯爆炸和燃烧过程中带电粒子的形成主要由以下几个途径:

在瓦斯爆炸燃烧化学反应过程中会产生大量的带未成对电子的自由基以及中间产物,这些中间产物和自由基作为活化中心参与瓦斯爆炸燃烧过程[14],促进基元的自由基反应使爆炸反应延续、加速和终止。荷电细水雾由于其特殊的理化特性,增加了自由基与雾滴的碰撞,同时由于在瓦斯爆炸过程中生成的初级正离子CHO+对爆炸燃烧进程有重要的作用,而荷负电荷的细水雾会与初级正离子发生中和作用,阻断链式反应的发生,干扰燃烧爆炸反应的进行。

根据瓦斯爆炸、燃烧过程是一个复杂的物理化学变化,同时伴随着各种氧化还原反应引起的火焰反应区电子的得失和转移[15]。本研究基于爆炸燃烧过程中产生的自由基,总体上均带有电荷,且在燃烧或爆炸场中正、负电荷的总量是平衡的这一理论。通过施加荷电细水雾打破火焰传播中的正、负离子以及电子、带电中间粒子的平衡分布,加速荷电细水雾对极性不同的中间反应粒子、瞬间产物、电子等的捕获、吸附和中和作用,以及在微电场力作用下使火焰化学反应区内的粒子浓度和分布梯度减小,从而扰乱自由基的链式反应达到抑制瓦斯爆炸的效果。

此外由于电场力的相互作用使荷电细水雾雾滴表面的黏滞阻力和张力减小,雾滴粒径更小,雾滴在爆炸火焰中的分布更加均匀,与火焰锋面的接触面积更大,从而加速雾滴对反应过程中热量的吸收,减少反应过程中的热量。同时受到火焰化学反应区中间产物和带电粒子的电场力作用以及火焰的卷吸作用,使水雾更易进入爆炸火焰波中心,有效提高了雾滴与火焰中反应粒子的结合,从而阻止反应过程中活化分子的生成,进一步抑制燃烧链式反应的发生。

6 结 论

(1)自行设计搭建了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验平台,并且将细水雾发生喷头改装为荷电细水雾发生喷头。

(2)荷电细水雾较普通细水雾对瓦斯爆炸压力、升压速率以及火焰传播速度的抑制作用更加明显,对传播火焰锋面的抑制作用更加突出。并且随着荷电电压的增大,荷正电荷的细水雾使瓦斯爆炸压力下降了63．3%、升压速率下降了28．46%、火焰传播速度下降了16．28%。荷负电荷的细水雾使瓦斯爆炸压力下降了64．7%、升压速率下降了33．03%、火焰传播速度下降了34．9%。

(3)当荷电电压一定时,随着荷电细水雾雾通量的增加,荷电细水雾对瓦斯爆炸燃烧的抑制作用增强。

(4)由于受到雾滴本身以及火焰中带电粒子静电场力的作用,荷电细水雾雾滴分布更加均匀、粒径更小,更易进入爆炸燃烧火焰内部,雾滴对火焰波中热量的吸收增强。同时雾滴更易与火焰中的中间反应物和活化自由基结合,干扰燃烧链式反应的进行,从而抑制爆炸燃烧火焰的传播,降低爆炸反应强度。

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Experimental study on inhibiting the gas explosion by charged water mist

YU Ming-gao1,LIANG Dong-lin1,2,XU Yong-liang1,2,ZHENG Kai1,JI Wen-tao1
(1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to study the inhibiting effect of charged water mist on gas explosion and the mechanism of explosion suppression,according to the principle of electrostatic induction,the small size generator of charged water mist was designed,and the inhibition of gas explosion by the charged water mist was experimentally investigated．The influence of speed and pressure on gas explosion was investigated under the charged water mist with the different charged polarity, charged voltage,and mist flux．The experimental results show that the charged water mist can effectively reduce the pressure peak of gas explosion and the propagation speed of flame than normal water mist,and with the increase of the charged voltage,the inhibiting effect of charged water mist on gas explosion is significantly enhanced．The negatively charged water mist has a better inhibitory effect on gas explosion than the positively charged water mist．When the charged voltage is 8 kV,the value of gas explosion pressure peak was reduced by 64．7%,the rate of pressure rise was reduced by 33．03%,and the propagation speed of flame was reduced by 34．9%under the charged water mist．

induction charging;charged water mist;gas explosion;inhibition

TD712．7

A

0253-9993(2014)11-2232-07

2013-11-11 责任编辑:毕永华

国家自然科学基金资助项目(U1361205);河南省基础与前沿技术研究计划资助项目(122300413210);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目(12KF02)

余明高(1963—),男,四川泸州人,教授,博士生导师。通讯作者:徐永亮(1983—),男,河南上蔡人,博士。E-mail:xylcumt@gmail．com

余明高,梁栋林,徐永亮,等．荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究[J]．煤炭学报,2014,39(11):2232-2238．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1645

Yu Minggao,Liang Donglin,Xu Yongliang,et al．Experimental study on inhibiting the gas explosion by charged water mist[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2232-2238．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1645