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关键词： 氧化物陶瓷   机器学习势函数   晶格常数   热导率   热膨胀系数  

摘要： 先进陶瓷作为新材料的重要组成部分，2021年行业市场规模达890亿元。先进陶瓷按照材料可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。其中氧化物陶瓷研究和产业化应用较早，目前应用领域最为广泛，占比达46％。　　氧化物陶瓷材料的很多性能需要理论研究给出清晰的物理图像。常用的计算模拟方法第一性原理计算、分子动力学、有限元模拟等，不但需要耗费大量的时间和资源，还存在诸多限制;而机器学习不但可以扩大计算体系的空间和时间尺度，还可以通过数据拟合优化原子间势函数，使已有的计算模拟方法更加快速、精确。　　本文以氧化物陶瓷材料为研究对象，通过改变数据集的大小、数据集的构成以及优化高斯回归模型的各种超参数，训练了一系列机器学习势函数，并通过分子动力学模拟氧化物陶瓷材料的晶格常数、热导率以及热膨胀系数验证势函数的精度。　　本文首先利用第一性原理分子动力学计算得到包含不同构型以及不同数量在不同温度下的二氧化锆、二氧化钛和二氧化硅的数据集，然后基于高斯回归模型训练了一系列机器学习势函数，并通过分子动力学计算各种氧化物的能量、力和应力与第一性原理的计算结果做对比，结果表明数据集的适当增大，可以提高势函数的精确度;数据集中不同构型分布不均匀，占比大的构型对相应的结构预测精确度高，占比小的构型对相应的结构预测精确度低，导致势函数外推的预测能力减弱。通过优化高斯回归模型的超参数，结果表明随着稀疏点的个数、截断半径的大小等超参数的不断增大，当增大到一定值后，势函数的精度以及计算开销适中;继续增大超参数的值，势函数的精度降低且计算量增加。因此，我们通过测试，选择了误差以及计算开销适中的数据集和超参数训练氧化锆、氧化钛和氧化硅的机器学习势函数。　　应用机器学习势函数计算氧化锆、氧化钛和氧化硅的晶格常数、热导率和热膨胀系数，并与实验结果或已有的势函数结果做对比。结果表明机器学习势函数能够达到第一性原理的精度。氧化锆的机器学习势函数计算的晶格常数的均方根误差为0.005?,热导率的均方根误差为0.47WK-1m-1,热膨胀系数误差为0.004K-1。氧化钛的机器学习势函数计算的晶格常数的均方根误差为0.01?,热导率的均方根误差为1.2WK-1m-1，热膨胀系数的均方根误差为0.005K-1。氧化硅的机器学习势函数计算的晶格常数的均方根误差为0.031?,热导率的均方根误差为0.08WK-1m-1,热膨胀系数的均方根误差为5.66×10-6K-1。

关键词： 浮选   界面纳米气泡   表面活性剂   表面张力   力学性质  

摘要： 随着矿物开采机械化程度的提高,传统泡沫浮选技术所要分离的矿物尺寸不断减小,导致微细粒分选难题突出。一般认为,气泡的纳米化对提高浮选效率具有重要意义。鉴于此,考虑到在实际浮选应用中,浮选矿浆环境的复杂性,本论文首先研究了纳米气泡在纯水体系下生成特性,包括纳米气泡最优成像参数确定、纳米气泡的识别、纳米气泡成核的影响因素、纳米气泡的机械稳定性,然后选取浮选体系中常见的表面活性剂溶液(CTAB、SDS、Trition X-100)、单一盐溶液(Na Cl)、混合溶液(SDS、Na Cl),将纳米气泡分别暴露于以上溶液中,分别研究了纳米气泡在上述溶液体系中的生成特性,包括几何特性和力学特性,最后阐明了纳米气泡在溶液化学条件下的稳定性机理,为进一步丰富纳米气泡稳定性理论和推进纳米气泡在实际浮选中的应用提供技术支持。在AFM智能模式下,高有序热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite,HOPG)表面纳米气泡的高度随峰值力的增加而降低,结合纳米气泡表面力曲线分析,确定纳米气泡成像的最适峰值力为300 p N。从纳米气泡对气体溶解度特性响应、纳米力学特性响应、表面浸润特性响应三方面有效识别了纳米气泡,试验数据支持纳米气泡内部结构的气相本质。纳米气泡只能产生于疏水界面并且纳米气泡会优先成核在基底的粗糙区域。纳米气泡在垂直冲击力的作用下,高度发生变化但数量不变;在水平冲刷作用力的作用下,纳米气泡的数量发生变化,但几何性质保持稳定。在表面活性剂体系中,溶液替换前后,三种性质表面活性剂溶液性质保持稳定,无其他影响气泡性质的污染物。在浓度低于临界胶束浓度时,纳米气泡的高度随表面活性剂溶液浓度的增加而增加,一旦超过临界胶束浓度时,气泡高度变化不明显,甚至在非离子表面活性剂溶液中出现高度降低的情况;纳米气泡的接触角随尺寸变化不明显,具有较小的尺寸依赖性。随表面活性剂溶液浓度的变化,不同浓度阳离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0571-0.0248 n N/nm之间变化;不同浓度阴离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0444-0.0386 n N/nm之间变化;不同浓度非离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0240-0.0196n N/nm之间变化。在不同表面活性剂中,纳米气泡在不同浓度梯度下的表观硬度值与该浓度梯度下的几何特性变化相一致。在单一盐溶液体系中,溶液替换前后,纳米气泡的几何性质没有发生变化。在混合溶液体系中,纳米气泡的几何性质随混合溶液体系中SDS浓度的变化而变化。表面张力分析结果显示,表面活性剂溶液中纳米气泡的表面张力在56.18-16.24 m N/m之间变化,从热力学角度和能量角度以及基于表面活性剂在空气-水界面吸附平衡描述的定量关系得出,低表面张力有助于纳米气泡维持短暂稳定,但不能作为其长久稳定的机理解释。分子动力学模拟分析结果表明,表面活性剂的加入不会彻底取代固-液界面的界面气层,纳米气泡在界面气层的气体补偿和表面活性剂对气体渗透性的屏蔽作用下,稳定存在于表面活性剂溶液中。本论文共插图94幅,表格6个,参考文献102篇。

关键词： 降膜流动   传热   表面张力   计算流体力学   换热器  

摘要： 固体表面上的液膜流动是生活中的常见现象,如玻璃窗上的雨水流动和外掠圆管的降膜流动等,它们受到重力、表面张力和电磁力等的驱动。该问题涉及流体动力学、界面科学、传热和传质等多个领域。本文研究了由重力驱动的液膜(降膜)流动及传热问题。数值模拟是研究降膜流动传热问题的重要方法,在揭示物理机制方面发挥着重要作用。表面张力模型对降膜流动传热的数值模拟结果影响显著。目前,文献中数值研究普遍采用连续表面力模型(Continuum surface force model,CSF)来计算表面张力,尚未对其他表面张力模型的适用性进行研究,并缺乏机理性解释。因此,探究表面张力模型对降膜流动数值计算结果的影响,对今后该领域的研究具有指导意义。本文研究了光滑竖直平板、水平圆管、水平椭圆管以及水平圆管脉动降膜流动在不同表面张力模型下的降膜流动和传热特性。主要研究结论如下:(1)在光滑竖直平板上,重力驱动的薄液膜流受到表面张力的影响,如果忽略表面张力,液膜容易发生飞溅而非连续稳定地流动;在入口段,两种模型均可获得自由铺展的完整液膜,但CSF模型下的液膜流动速度稍快,液膜层会出现高频低振幅的规则波动;在发展段,两种模型下的液膜从平滑表面逐渐变为波动表面,并出现孤立波的迹象,但没有形成稳定的孤立波,两种模型下的液膜形态开始有较大差异,液膜层有低频高振幅的不规则波动;在稳定段,两种模型下的液膜都呈现正弦波状,并具有陡峭前端和延长尾部。两种模型下的液膜形态比较相似。液膜层有更低频更高振幅的复杂波动,大波中叠加小波。(2)在水平圆管降膜流动和传热中。表面张力对水平管上的重力驱动的薄液膜流有重要影响,它可以限制液膜的扩散和促进液膜表面的变形,如果忽略表面张力,液膜会飞溅而不是稳定连续地流动;在液膜上、下停滞点附近,CSF和连续表面应力(Continuum surface stress,CSS)模型都能够模拟出相似的液膜轮廓,而没有表面张力会使得液膜严重失真;CSF和CSS模型都能够反映出水平管降膜的流动特征,包括悬滴、柱颈缩或颈缩断裂、膜厚度、涡流、液膜分离以及速度分量等;CSF和CSS模型下的水平管上的时间平均膜厚度没有显著差异;在传热特性方面,发现随着液膜流量的增加,局部传热系数也随之增加,且对管道上半部分的影响更显著;此外,忽略表面张力的计算会高估传热系数,特别是在液膜流量最小时;CSF和CSS两种模型均能较好的计算降膜流动传热,特别是在液膜流量大的情况下(Г=0.284 kg·m·s)。(3)在水平椭圆管降膜流动和传热中。液膜厚度从进口处开始逐渐变薄,没有表面张力会使得液膜厚度变大;CSF和CSS模型计算的液膜厚度有一定差异,但都能反映表面张力对降膜流动过程的影响;当椭圆管长短轴比增大时,液膜在上下滞止区停留的时间缩短,导致液膜积聚时间缩短,液膜厚度减小,从而使得局部传热系数增大,特别是在θ=20-180°附近;CSF模型和CSS模型都能体现椭圆管的壁面换热情况,但有一定差异。(4)在水平圆管脉动降膜流动和传热中。忽略表面张力会导致整个圆周上液膜厚度的减少,特别是上滞止区附近;在液膜流量较小时,CSF和CSS模型均能反映出管外脉动降膜流动下的液膜流动特性。随着液膜流量的增加,CSF模型下脉动降膜流动和稳定降膜流动计算的液膜厚度值比较吻合,而CSS模型情况下,稳定降膜流动下的液膜厚度值偏高;在降膜传热特性方面,低液膜流量时,CSF模型的计算结果比CSS模型好,但在液膜流量较大时,两者没有差别。

关键词： 双孔渡槽   过流能力提升   波浪交替回涌   卡门涡街   导流墩  

摘要： 渡槽作为跨越障碍的重要输水建筑物,被广泛应用于大型输水工程中,在南水北调中线工程中,有着27座输水渡槽发挥着跨越河渠、道路等障碍的重要作用。南水北调工程作为我国水资源调配的重大水利工程,对优化我国水资源时空配置有着战略性意义,随着中线工程设计加大流量输水工作的顺利完成,大流量输水期间渡槽段出现了波浪交替回涌甚至拍打槽顶拉梁的现象。这种复杂的波动流态,不但会干扰输水工作的正常运行,甚至会对渡槽结构的安全性产生隐患,因此研究渡槽复杂波浪流态的产生机理,进而提出波浪消减方案,对渡槽提升过流能力和稳定性具有重要工程应用价值。对大流量输水工况下渡槽产生复杂波动流态,进而影响过流能力的现象,采用数值模拟与水力学试验相结合的方法,探究其机理并提出波浪消减及过流能力提升方案。本文在现场调研基础上,利用数值模拟与水力学物理模型对比试验,探究槽身波浪交替回涌现象机理;根据其策源地提出“纺锤型”中墩改建方案、从抑制波浪提高流量角度提出“封闭”改建方案;以4座不同形式渡槽验证“封闭”方案的有效性和普适性。对提升渡槽过流能力和稳定性具有参考价值。主要研究内容包括:(1)通过现场调研与资料收集,建立典型渡槽段三维数值仿真模型,并通过水力学物理模型试验对数值模拟结果进行验证分析。基于实测数据率定模型,结果表明:数值模拟结果与实测流速、水深数据相对误差在5%以下,数据吻合较好;成功复演槽身段波浪交替回涌现象,与现场观测一致。确保了数值模型在渡槽建筑物复杂波动流态方面模拟的准确性。(2)应用数值模拟与水力学物理模型试验相结合的方法研究大流量工况下槽身波浪交替回涌现象的成因。结果表明:通过物模与数模结果对比观测渡槽出口的流速场与流线,发现卡门涡街对上游来流具有局部阻水作用;并根据涡街脱落升力系数与波浪交替回涌频率对比,确定槽身出口的卡门涡街是产生交替回涌波浪的策源地。(3)根据槽身段复杂流态的产生机理,提出“纺锤型”导流墩方案,对三种流量级下的四种不同导流墩长度分别进行试验。结果表明:“纺锤型”导流墩可改善渡槽进口流态,并大幅减轻涡街对上游来流的阻水作用,槽身最大波幅消减度达到80%以上。对不同长度导流墩组合进行对比试验后,提出进、出口导流墩纵横比AR=L/W分别为1.5、2.0的最佳性价比组合。(4)从波浪抑制及过流能力提升角度提出“封闭”方案,系统进行8种不同水位差工况模拟;并在4座不同形式渡槽上进行“封闭”方案可行性验证。结果表明:“封闭”方案对波浪交替回涌现象具有良好抑制效果,当上游水位到渠顶高程时,“封闭”方案渡槽过流能力可提升31.0%。4座不同形式渡槽在施加“封闭”方案后,过流能力均出现不同程度提升,确定了“封闭”方案的有效性。

关键词： 输油泵   流体动力噪声   Ansys Fluent仿真   LabVIEW平台  

摘要： 输油泵机组是原油集输过程中的重要机械设备。它的健康状态监测对确保输油生产安全具有重要意义。输油泵机组由离心泵和三相异步电动机组成,其驱动轴通过联轴器连接,它的运行通常伴随着振动和运行噪声。输油泵机组的整个运行噪声反映了设备健康状况。因此,通过对输油泵机组的运行噪声分析实现对输油泵的健康管理是业内研究的热点。输油泵机组的整体运行噪声分为电磁噪声、空气动力噪声、流体动力噪声和机械噪声。其中流体动力噪声的主要特征可以反映输油泵在不同工况下的运行状态。因此,本文重点研究了原油粘度和电机转速对输油泵蜗壳内液动噪声特性的影响。结果表明,原油粘度是影响输油泵流体动力噪声特性的关键因素之一。鉴于输油生产过程中的节能需求,可以通过电机的变频调速技术来适应负载的变化。因此,研究电机转速对输油泵蜗壳内流体动力噪声特性的影响具有现实意义。本文主要内容包括以下四部分:第一,根据输油泵的组成结构及其工作原理,结合原油流体特性,研究确定输油泵流体动力噪声产生机理;第二,根据输油泵流体动力噪声时域特性,构建输油泵流体动力噪声声源时域描述数学模型,根据频域特性完成流动噪声频谱特性描述;第三,利用Ansys Fluent平台完成离心泵内部流体瞬态以及噪声特征的仿真实验,通过设置多种仿真环境做对照,得到影响输油泵蜗壳内部流体静压、流场以及流动噪声的主要因素为三相异步电动机旋转速度以及原油流体的粘度;第四,基于LabVIEW平台建立噪声检测系统,完成输油泵流体动力噪声样本采集验证实验,通过单频信息提取与频谱图形的验证,得出在离心泵部分流体动力噪声为主导噪声源,样本分析误差小于1.5%。实验证明:采集样本数据真实可靠,噪声检测系统也具有很好的检测效果。

关键词： 凹槽结构   超疏水表面   液滴合并弹跳   凹槽宽高比   液滴尺寸   表面张力  

摘要： 超疏水表面由于自身具有较低的表面能,可使液滴在表面上保持类球状,因而具有极高的运动性。当液滴在超疏水表面互相接触发生合并时,合并过程中会释放多余的表面能,其中一部分转化为液滴的弹跳动能,使液滴弹离表面,即为超疏水表面的液滴合并弹跳行为。液滴合并弹跳行为大幅度提升了表面液滴的更新频率,从而强化传热。液滴合并弹跳的显著特点是,无需在外力(场)作用下即能使液滴弹离表面并发生扫掠现象,在表面自清洁、防冰抑霜、热二极管、雾水收集和发电等领域显示出巨大的应用潜力。但液滴合并弹跳发生的条件较为苛刻,液滴自身的物性参数、弹跳速度等对其最终能否脱离表面具有重大影响,因此,如何强化液滴合并弹跳,提高传热效率是未来研究的重中之重。在此基础上,本文以超疏水凹槽表面上的液滴为研究对象,通过数值模拟、理论分析和实验观测,系统地研究了超疏水凹槽表面上的液滴合并弹跳现象及其影响因素,揭示了凹槽形状、几何尺寸、液滴尺寸和表面张力等对液滴弹跳速度和表面能转化率的影响规律,相关研究成果对设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。 采用数值模拟和实验观测研究了超疏水平面和凹槽表面上的液滴合并弹跳过程,研究结果表明,液滴弹跳过程可分为液桥生长、液桥撞击壁面、三相线收缩和液滴弹跳四个阶段,其中液滴内部的拉普拉斯压力差和壁面的反作用力为液滴弹离表面的主要驱动力,液桥撞击壁面是液滴合并后是否发生弹跳的必要条件。 矩形槽的直角型槽脊可增大合并液滴的内部扰动及拉普拉斯压力差,提高液滴表面能转化率;V型槽的钝角型槽脊及侧壁的协同作用,增大了液滴的内部扰动及压差,抑制了液滴的横向膨胀,从而减小了液滴弹跳前的粘性耗散。梯形槽则在直角槽脊和凹槽侧壁协同作用下,当凹槽槽宽、宽高比和液滴合并半径相同时,液滴的表面能转化率分别是矩形槽与V型槽的1.65倍和1.5倍。此外,梯形槽较矩形槽与V型槽对大液滴的弹跳速度和表面能转化率表现出极显著的提升效果。 矩形槽、V型槽和梯形槽提高液滴合并弹跳速度和表面能转化率与槽宽、槽深和液滴半径有关,存在最佳宽高比和最优液滴合并半径。槽宽不变时,凹槽结构强化液滴合并弹跳最佳宽高比为W/H=1.5;凹槽宽高比不变时,液滴最优合并半径随槽宽增大而增大,且液滴半径R>0.5W时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小。液滴合并弹跳的半径比ω对液滴合并形态、液滴弹跳速度及表面能转化率有重要影响。液滴初始合并半径RL相同,凹槽宽高比恒定时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径比ω先增大后减小,并在ω=1时达到最大值。这说明非等直径液滴合并相比等直径液滴合并不利于液滴弹跳。 在相同凹槽宽高比和液滴合并半径下,液滴弹离表面时间随表面张力增大而减小,该趋势随液滴合并半径增大而愈显著;当凹槽宽高比和液滴合并半径相同,液滴弹跳速度随表面张力增大而增大,W/H=1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小,W/H>1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径先增大后减小,且在W/H=1.5时,液滴表面能转化率有最大值45.99%。

关键词： 磁化水   飞灰   浸出率   响应面法   氯盐   表面张力   黏度  

摘要： 为提高磁化水体系下飞灰中氯盐的水洗去除效果，基于磁化水水浸飞灰中氯盐的单因素试验结果，采用响应面法设计了Box-Behnken试验，建立了线圈匝数、电流频率及固液比3个因素与飞灰中氯盐浸出率之间的数学模型，并优化了飞灰水浸氯盐工艺，结果表明，3个因素对氯盐去除效果的影响程度由大到小依次为固液比、线圈匝数、电流频率。在固液比为0.40、线圈匝数为116 N、电流频率为1.50 kHz的最佳工艺条件下进行了3次平行试验，飞灰中氯盐的浸出率平均值为92.90%,与模型预测值接近。对浸出溶液进行的表面张力和黏度检测分析结果表明，磁化预处理可以有效减小水的表面张力和黏度，从而强化氯盐的水浸效果。

关键词： 机器学习   二维共价有机框架   高维神经网络势   晶体群   蛙跳算法  

摘要： 纵观历史,每一次科学技术的革命都离不开新材料的发现,可以说材料推动着人类社会进步。传统的材料研发方式主要依赖于试错法,即通过大量基于经验的实验反复尝试,其局限性使得新材料研发的周期长、成本高,因此如何找到一种高效、节能的新方法是新材料研发中的关键科学问题。随着量子力学的建立以及计算机的出现,人们开始利用计算机来进行材料设计并对其物理、化学性质进行模拟,并且依据模拟结果为实验合成提供思路。 虽然随着计算机硬件技术的发展,计算模拟在材料研发方面的应用越来越广泛,但它仍然存在着不足,那就是快与准不可兼得。经验模型虽然计算速度较快但其计算精度较差,例如经典分子动力学,底层模型虽然计算精度较高但其计算速度较慢,例如第一原理方法。此外,随着材料数据爆炸式增加,人们渴望获得这些已知材料中所感兴趣的物理或化学性质并从中找到符合自己要求的材料。然而,采用传统的计算模拟方法对几千甚至上万种材料进行计算无论是对计算资源还是时间都是巨大的消耗。为了解决这些问题,人们开始采用一种新的方法,这种方法就是机器学习。本文的主要内容就是介绍机器学习如何解决以上的这些问题,并展示其在材料结构与电子性质预测方面的潜力。 第1章中,我们首先介绍了目前机器学习在材料科学领域的应用以及本文所采用的机器学习方法。由于本文中大部分数据是通过基于密度泛函理论的第一性原理计算得到的,因此,本章的第二部分介绍了密度泛函理论以及相关的交换关联泛函。 第2章中,我们构建一个工作流对二维COF的带边能级位置(VBM和CBM)进行预测。首先,基于图神经网络方法,利用组成二维COF的分子基元的轨道能量和二维COF拓扑构型构建描述元,对PBE泛函下二维COF的VBM和CBM进行预测。随后,基于线性回归与岭回归方法得到PBE泛函和HSE06杂化泛函计算结果之间的线性关系。结合上述两个机器学习模型,得到预测二维COF带边能级位置(VBM与CBM)的工作流,并且基于该工作流筛选得到可用于全光解水与深紫外光电探测器的二维COF体系。 第3章中,我们介绍了高维神经网络势的构建。首先介绍了高维神经网络势的基本框架,以及如何采用对称函数描述体系中每个原子周围的化学环境,并将其作为描述元用于高维神经网络势的输入。最后,以包含60个硼原子的体系为例,介绍了高维神经网络势的实现与应用。基于训练集的结果表明,高维神经网络势能够拟合体系的原子结构与第一性原理计算得到的体系能量之间的关系,即与经典分子动力学相比,经过充分的训练,那么利用高维神经网络势就可以获得媲美第一性原理计算的结果。 第4章中,基于深度学习方法,我们建立了通过化学组成来预测其稳定化合物晶体群的模型。本章中,我们建立了两个预测模型,一个模型是从230个晶体群中预测给定的稳定化合物所属的晶体群,另一个模型则是从18个数据集中出现频率最多的晶体群以及剩余晶体群所组成的新标签中预测给定的稳定化合物所属的标签。结果表明,我们可以利用深度学习在化学组成与所形成的稳定化合物所属的晶体群之间搭建一个桥梁,从而可以通过化学组成预测其所形成的稳定化合物最可能属于的晶体群。 第5章中,我们对所有工作进行了总结,同时我们指出了我们工作目前的局限性,并对未来的工作进行了展望。 在附录A中,我们研究了蛙跳算法在晶体结构搜索中的应用,介绍了蛙跳算法的原理以及在晶体结构搜索应用的实现。之后,通过对Si晶体的结构搜索说明了蛙跳算法的有效性。最后,我们指出高维神经网络势、晶体群预测的深度学习模型以及蛙跳算法的结合可以提高晶体结构搜索效率。 在附录B中,我们将采用DFT计算的PBE泛函下二维COF的VBM与CBM以及采用机器学习预测的HSE06泛函下二维COF的VBM与CBM总结成一张图表来进行展示。 在附录C中,我们介绍了为储存我们在第2章的工作中通过DFT计算与机器学习预测所得到的数据而建立的二维COF数据库,并且我们对二维COF数据库未来的发展进行了展望。

关键词： OME模型   表面活性蛋白   分泌性中耳炎   表面张力   咽鼓管  

摘要： 研究背景分泌性中耳炎(Otitis media with effusion,OME)是以鼓室积液为特征的中耳非化脓性炎性疾病,又称为渗出性中耳炎、鼓室积液、卡他性中耳炎、浆液性中耳炎等,在很多患者中可同时伴有传导性听力下降。分泌性中耳炎可分为急性分泌性中耳炎与慢性分泌性中耳炎,是耳鼻咽喉科、全科医学及儿科临床工作中常见疾病之一。成人及儿童均可发病,但以儿童多见。在儿童患者中其发病率仅略低于上呼吸道感染,是儿童最常见的疾病之一。国外学者曾做过研究调查,通过对健康儿童的鼓膜常规筛查发现,15%至40%的1至5岁儿童患有无症状的OME,这些患者中91%在2岁以内至少有过一次OME急性发作史。OME患者的治疗不及时或者治疗不当,可能会导致鼓膜和中耳的病理变化,如粘连性中耳炎、鼓室硬化、中耳胆脂瘤等,从而使患者面临听力损失的风险,进而可能导致患儿的语言发育延迟。但目前OME的发病机制依然不明确,对OME的发病机制进行深入研究、探索其可能的治疗模式、寻找新的治疗靶点具有重要的临床意义。分泌性中耳炎的发生与多种因素密切相关。咽鼓管(Eustachian tube,ET)的机械性阻塞或功能障碍被认为是OME的重要发病原因之一,感染及免疫反应与OME发病也逐步受到学者的关注。咽鼓管是连通鼓室和鼻咽部的一条狭长通道。咽鼓管功能障碍(Eustachian tube dysfunction,ETD)会导致鼻咽部空气无法进入鼓室腔,使得中耳处于负压状态中,过久的负压状态会影响鼓室粘膜的气体交换,导致粘膜缺氧,血管通透性增加,进而诱发中耳出现渗出液。表面张力是影响咽鼓管功能的重要因素之一。表面张力存在于气体和液体分界处的液体表面,由于液体分子之间的吸引力,使液体表面产生极其微小的拉力,液体的这一拉力称为表面张力。表面张力广泛存在于自然界及人体中,在人体体液如胃液、尿液、消化液、中耳和肺泡内衬层的液膜都有表面张力的存在,对人体有着极其重要的作用。目前研究认为OME的发生发展与咽鼓管的正常开放与否密切相关,而表面张力的变化对于咽鼓管的开放很可能具有直接相关性。表面张力是一个动态变化的过程,受表面活性物质的精确调控。人体中的表面活性物质是磷脂与蛋白质的复杂混合物,具有降低气-液界面表面张力的特性。表面活性蛋白A(Surfactant protein A,SPA)是表面活性物质的主要蛋白质成分,也是肺表面活性物质中含量最丰富的非血清蛋白。SPA可以影响表面活性物质的动态平衡,促进脂质的物理结构发生改变,调节表面活性剂的功能和代谢。SPA在许多身体机能中起着至关重要的作用,但它在OME中的作用却很少受到关注。免疫因素是OME发病机制中的另一研究热点。变态反应及其相关疾病被认为是OME最重要的病因之一。儿童OME患者伴有过敏性鼻炎的患病率高达82%-93%。OME的免疫机制复杂多样,在不同的中耳积液中(如浆液性积液、粘液性积液)炎性介质变化不同,相应的免疫机制也不相同。SPA与宿主的免疫机制及防御细胞密切相关,可通过多种细胞途径促进或抑制免疫细胞活性。SPA是巨噬细胞功能的重要调节者,可以改变巨噬细胞的生物学功能[1,2]。同时,另有学者发现巨噬细胞是体内表面活性物质中磷脂合成和分解的主要贡献者,显著影响表面活性物质的代谢。本研究旨在探讨SPA在OME发生发展中的作用及相关的分子机制。通过构建实验性的OME小鼠模型,检测SPA在分泌性中耳炎咽鼓管组织及分泌物中的表达变化,同时探讨咽鼓管表面张力的改变以及SPA对巨噬细胞迁移的影响。深入研究SPA与OME的关系,对于明确SPA在人体中的作用具有重要意义,有助于进一步了解OME发生发展的机制,为临床工作中OME的预防和治疗提供新的理论依据。研究方案及研究成果第一章:利用灭活肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae,***)建立OME小鼠模型。研究方案:使用体重约15-20 g的健康BALB/c小鼠,经外耳道行鼓室注射灭活***(5μl/耳)构建OME模型。对照组注射磷酸盐缓冲盐水(PBS,5μl/耳)。通过显微镜或耳纤维内窥镜观察鼓膜形态,利用听觉脑干诱发电位(Auditory brainstem response,ABR)及鼓室计评估造模小鼠听力水平及鼓室压力的变化,进一步验证模型构建成功。应用HE染色检测***建立的OME模型的生物学特点。研究结果:***建立的OME模型构建成功,显微镜下可以观察到鼓膜充血及鼓室积液。HE染色可见OME组鼓室粘膜增厚。对照组(PBS组)鼓膜及鼓室无明显变化。2.听功能测试结果提示OME组小鼠ABR检测阈值升高,同时伴有鼓室负压状态,差异具有统计学意义。结论:利用灭活肺炎链球菌建立BALB/c小鼠OME模型,通过观察实验组与对照组有无鼓室积液,ABR变化