工程科學學報

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期刊信息

月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

國內發行：北京報刊發行局

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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

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2021年第43卷第10期

欄目

礦業工程
材料科學與工程
機械工程·地質工程·土木工程
能源工程·交通運輸工程

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礦業工程

深錐固體通量與絮凝劑單耗和料漿濃度的數學關系

王勇, 曹晨, 吳愛祥

2021, 43(10): 1269-1275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.25.002

[摘要](626)

[HTML全文] (281)

[PDF 961KB](104) [施引文獻] ()

摘要:
深錐濃密機的面積或占地大小主要由其固體通量決定。通過量筒靜態沉降實驗，計算得到深錐濃密機固體通量，分析了絮凝劑單耗、料漿濃度對深錐濃密機固體通量的影響，得到了兩種因素對深錐濃密機固體通量的影響規律。結果表明，尾礦在5～30 g·t^?1的絮凝劑單耗下，基本呈現二次函數關系；料漿的固相質量分數為6%～26%時，固體通量呈現先增大后減小的趨勢，與實驗所得的規律相契合。通過對絮凝劑單耗和料漿濃度耦合效應下的固體通量方程回歸分析，得到三者之間的數學關系，進而確定二者對固體通量的貢獻為：料漿濃度>絮凝劑單耗。結合絮凝劑及料漿濃度對固體通量的影響分析，總結了絮凝劑單耗和料漿濃度貢獻值不同的原因。最后，結合單因素和耦合條件下的數學方程，對深錐濃密機的設計和運行提出工程建議。在深錐濃密機運行過程中，需要優先保證料漿濃度，其次是絮凝劑單耗。

絮凝沉降對濃縮超細尾砂料漿屈服應力的影響

阮竹恩, 吳愛祥, 王貽明, 王勇, 王建棟

2021, 43(10): 1276-1282. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002

[摘要](1521)

[HTML全文] (875)

[PDF 943KB](83) [施引文獻] ()

摘要:
深錐濃密機內底部料漿的屈服應力過高容易導致壓耙，為此通過對不同絮凝沉降條件下獲得的濃縮超細尾砂料漿的屈服應力進行原位測量，并通過對絮凝前后料漿總有機碳的測試來分析超細尾砂顆粒表面的絮凝劑吸附量，進而分析了絮凝沉降對濃縮超細尾砂料漿屈服應力的影響規律。研究發現，絮凝沉降對濃縮超細尾砂料漿的屈服應力有顯著影響，pH和絮凝劑單耗通過影響尾砂顆粒表面的絮凝劑吸附量進而影響濃縮超細尾砂料漿的屈服應力，屈服應力隨著pH和絮凝劑單耗的增大均不斷增大。綜合考慮尾砂料漿的絮凝沉降效果和所得濃縮超細尾砂料漿的屈服應力，最佳絮凝條件是pH值為11和絮凝劑單耗為15 g·t^?1，在此最優條件下料漿固液界面的初始沉降速率為0.4565 mm·s^?1，沉降后上清液濁度為143 NTU，底部沉積尾砂料漿的固相質量分數為51.56%、屈服應力為243.18 Pa。初步建立了適用于超細人造尾砂的基于絮凝劑吸附量的屈服應力模型，屈服應力隨尾砂顆粒表面單位面積的絮凝劑吸附量的增大而增大，為實際生產中控制全尾砂絮凝沉降參數提供參考。

滲流作用下風化殼淋積型稀土礦細觀孔隙結構演化特征

陳勛, 尹升華, 嚴榮富, 王雷鳴

2021, 43(10): 1283-1294. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003

[摘要](616)

[HTML全文] (215)

[PDF 3176KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
為研究風化殼淋積型稀土礦浸出過程中溶液滲流作用對孔隙結構的影響，以去離子水為溶浸液開展浸礦實驗。對浸出前后礦樣進行顯微CT掃描，獲取了試樣內部結構圖像，利用閾值分割算法得到了浸出前后稀土礦樣的孔隙結構圖像。進而，研究了溶液滲流作用下試樣孔隙結構的變化特征，分析了滲流作用對試樣孔隙率、孔隙體積、孔隙長度、孔隙寬度和孔隙方位角等參數的影響。結果表明：稀土礦孔隙形狀和尺寸在滲流作用下發生顯著變化，且在粗細顆粒接觸區最為明顯；溶液滲流作用使得稀土礦孔隙率增大，孔隙總數量減少，孔隙總體積增大。滲流作用下礦樣中小孔隙數量減少，大孔隙數量增多，各尺寸區間的孔隙數量變化率隨孔隙尺寸的增大呈現先增大后減小的趨勢。溶液滲流作用下孔隙長寬比分布更加集中，孔隙方位角在各角度區間的分布更加均勻，孔隙各向異性增強。

鹵鹽載體無機鹽阻化煤自燃的機理及性能

張嬿妮, 侯云超, 劉博, 鄧軍, 劉春輝, 楊晶晶, 溫心宇

2021, 43(10): 1295-1303. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.25.001

[摘要](566)

[HTML全文] (315)

[PDF 2220KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究鹵鹽載體無機鹽阻化劑對煤自燃的阻化機理及性能，采用差示掃描量熱儀（DSC）測試了在稀土水滑石、MgCl₂和鹵鹽載體無機鹽三種不同阻化劑作用下，煤自燃過程中分階段特征、特征溫度、熱效應和表觀活化能等參數變化規律。測試結果表明，稀土水滑石層板的?OH能夠與煤分子中的?COOH等酸性官能團產生弱氫鍵，造成?COOH等酸性官能團的活性減弱；Mg²⁺與煤分子中的—COO?發生絡合作用，生成了?COOMg?，造成?COO?內的 C=O活性減弱是鹵鹽載體無機鹽抑制煤自燃的主要機理。煤樣中添加鹵鹽載體無機鹽后DSC曲線吸熱峰均出現雙峰或多峰，且較原煤的峰值溫度后移了50～60 ℃、T₁溫度后移了90～100 ℃、總放熱量降低了19～27 kJ?g^?1，而且有效的提高了煤體各階段的表觀活化能。研究表明鹵鹽載體無機鹽阻化劑可有效抑制煤自燃反應進程。

鞍山式貧赤鐵礦不同種類分選尾礦中鐵的賦存規律

張瑞洋, 毛宇宇, 李正要, 李東, 張學進

2021, 43(10): 1304-1311. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.28.008

[摘要](2033)

[HTML全文] (229)

[PDF 1520KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
以齊大山鐵礦選礦分廠鐵尾礦為例，對重選尾礦、磁選尾礦、浮選尾礦和綜合尾礦4種不同種類尾礦的工藝礦物學性質進行對比分析，并對尾礦中鐵的可回收性進行評價。研究結果表明，尾礦中鐵礦物主要為赤鐵礦，脈石礦物主要是石英，有害元素S、P的含量低；尾礦中鐵的金屬分布率隨著粒級的變化，呈兩端高、中間低的規律。重選尾礦中鐵礦物主要包裹在粗顆粒脈石中，浮選尾礦中鐵礦物主要賦存在細顆粒連生體中，磁選尾礦中的鐵礦物粒度極細，綜合尾礦粒度范圍寬、粒度分布極不均勻。采用單一重選和磁選方法對不同種類尾礦進行再選，浮選尾礦指標最佳，重選尾礦次之，綜合尾礦最差，磁選尾礦屬于不可選。鞍山式貧赤鐵礦分選尾礦中鐵的賦存狀態決定了鐵的再回收潛力，可為此類分選尾礦的處理提供理論借鑒。

單軸應力下煙煤氧化?自燃災變溫度

徐永亮, 劉澤健, 步允川, 陳蒙磊, 呂志廣, 王蘭云

2021, 43(10): 1312-1322. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004

[摘要](772)

[HTML全文] (552)

[PDF 1298KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
為探究不同埋藏深度裂隙煤體氧化?自燃過程在單軸應力作用下的影響規律，本文通過荷載加壓煤自燃特性實驗平臺，采用新疆硫磺溝礦區煙煤煤樣，開展了施加單軸應力在0～8 MPa下的貧氧環境程序升溫試驗。根據加壓試驗中煙煤產生氣體隨溫度的變化關系，計算了煙煤在單軸應力下升溫過程表觀活化能和耗氧速率。結合煤自燃氧化動力學和熱解參數，闡述了單軸應力下煤體由緩慢氧化到快速氧化的非線性發展過程，并基于突變理論解算出試驗條件下煙煤氧化?燃燒過程的突變溫度和臨界溫度，確定出4個特征參數：突變溫度$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{O}} $

（CO表征）和$ {T}_{\mathrm{H}\mathrm{Y}} $

（耗氧速率表征），臨界溫度$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{O}}^{'} $

（CO表征）和$ {T}_{\mathrm{H}\mathrm{Y}}^{'} $

（耗氧速率表征），并分析了不同特征參數隨單軸應力的變化規律。結果表明：熱解氣體濃度、表觀活化能和耗氧速率隨單軸應力增大呈先增大后減小再增大的三次函數規律（其中1.8和5.5 MPa時為臨界軸壓），1.8 MPa時表觀活化能和各項特征參數數值最低，煤氧反應速率最快，耗氧速率最高；單軸應力為5.5 MPa時耗氧速率最大，煤體新生裂隙最多；單軸應力對$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{O}} $

特征參數影響最大，煤自燃緩慢過渡到快速氧化的溫度指標，由CO濃度表征的突變溫度$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{O}} $

表征最為準確。該研究結果對于礦井不同埋深煤自燃預警和防控具有重要理論指導意義。

材料科學與工程

鐵/鎳基奧氏體多晶合金晶界彎曲研究進展

趙霞, 王旻, 郝憲朝, 查向東, 高明, 馬穎澈, 劉奎

2021, 43(10): 1323-1338. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.05.001

[摘要](1535)

[HTML全文] (297)

[PDF 1818KB](93) [施引文獻] ()

摘要:
對于在高溫環境服役的金屬材料，晶界作為組織結構上的薄弱環節常常引發晶界裂紋而造成合金失效，嚴重影響了材料的高溫力學性能表現。因而，如何改善晶界狀態、提高晶界強度，是提高合金高溫性能的關鍵。在鐵/鎳基奧氏體多晶合金中，采用晶界彎曲的方法強化晶界、改善合金性能一直受到國內外研究人員的廣泛關注。從彎曲晶界的獲得方法、形成機制及其對材料性能的影響3個方面概述了目前國內外的研究現狀。較為全面地總結了特殊熱處理與材料合金化等獲得彎曲晶界的方法；討論了不同合金中晶界第二相誘發晶界彎曲的驅動力和內在機理；介紹了彎曲晶界對材料力學性能、耐蝕性能及焊接性能的影響。最后，結合當前的研究現狀，圍繞彎曲晶界的形成條件和機制，以及彎曲晶界對性能的影響，提出了彎曲晶界未來的研究發展方向。

固溶處理對S32707特超級雙相不銹鋼析出相、組織及性能影響

沈偉, 孫麗娟, 李長榮, 楊占兵, 王福明

2021, 43(10): 1339-1345. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002

[摘要](852)

[HTML全文] (406)

[PDF 1288KB](75) [施引文獻] ()

摘要:
通過Thermo-Calc熱力學計算、OM和FE-SEM觀察、力學性能和腐蝕性能試驗對不同固溶溫度下的特超級雙相不銹鋼進行分析和研究。結果表明：σ相和非平衡氮化物是固溶水冷組織中的主要析出相，當固溶溫度低于1050 ℃時，σ相優先沿雙相界面析出，顯著降低雙相不銹鋼的沖擊韌性；當固溶溫度高于1100 ℃，非平衡氮化物開始在鐵素體晶粒內部析出，且隨著固溶溫度的升高，非平衡氮化物析出數量增加。這是由于固溶水冷過程中氮在鐵素體中的溶解度快速降低，過飽和的氮來不及擴散到相鄰奧氏體中，只能以氮化物的形式析出。隨固溶溫度升高，鐵素體含量增加，奧氏體含量降低，實驗鋼的強度增加，沖擊韌性降低。在1080～1120 ℃之間固溶時，雙相比例接近1∶1，S32707特超級雙相不銹鋼具有優良的綜合力學性能和耐晶間腐蝕性能。

復合結構碳纖維防彈板的防彈性能仿真

秦溶蔓, 朱波, 喬琨, 王東哲, 孫娜, 袁曉敏

2021, 43(10): 1346-1354. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.21.001

[摘要](4404)

[HTML全文] (411)

[PDF 1335KB](111) [施引文獻] ()

摘要:
針對纖維/基體間的界面脫黏決定能量吸收這一核心問題，采用一系列標準黏結力參數調整復合板界面黏合力，并通過層間黏性行為和損傷參數模擬界面分層過程。利用ABAQUS有限元軟件中的Explicit分析模塊建立陶瓷/纖維復合防彈板的高速沖擊損傷分析模型，通過分析彈丸初始速度與剩余速度，研究復合防彈板的各組分結構參數、纖維指標、鋪層設計對靶板及層合板抗侵徹行為的作用規律，并結合馮·米塞斯（Von-Mises）應力云圖和基體損傷云圖,探討復合防彈板的受力與損傷形式。最后，利用彈道沖擊實驗成功驗證了模型的準確性。實驗結果表明：由13 mm厚SiC陶瓷、5 mm厚碳纖維復合材料板和17 mm厚超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)復合材料背板組成的復合防彈板可有效防御彈丸侵徹，對彈丸動能吸收和彈速衰減作用明顯。

機械工程·地質工程·土木工程

非光滑帶鋼在粗糙軋輥平整軋制過程中表面微觀形貌的轉印行為與演變規律

張勃洋, 張煜東, 李嘉琪, 李瑞, 張清東

2021, 43(10): 1355-1364. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.25.004

[摘要](1206)

[HTML全文] (612)

[PDF 1999KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
針對平整軋制過程不同用途帶鋼對表面微觀形貌的特殊要求，在批量跟蹤電火花毛化軋輥、磨削軋輥和冷軋后帶鋼表面微觀形貌的基礎上，建立工作輥與帶鋼都可考慮真實表面粗糙峰的帶鋼表面微觀形貌軋制轉印生成模型，采用工業實驗驗證了仿真模型的準確性，并據此模型分析軋制前帶鋼已經具有表面粗糙度分別大于、等于、小于軋輥表面粗糙度時，帶鋼表面微觀形貌的軋制轉印行為與遺傳演變規律。提出了負轉印和轉印飽和的概念，定義了兩種極限軋制轉印狀態的描述指標— —負轉印最大和轉印飽和，研究發現當帶鋼表面粗糙度小于或等于軋輥表面粗糙度時，存在負轉印最大點和轉印飽和點；當帶鋼表面粗糙度大于軋輥表面粗糙度時，負轉印最大點和轉印飽和點重合。在此基礎上，采用負轉印最大點與轉印飽和點對應的臨界板寬軋制力，描述帶鋼表面微觀形貌的遺傳及演變規律，并系統仿真分析帶鋼屈服強度、帶鋼軋前表面粗糙度、軋輥表面粗糙度等工藝條件參數對于負轉印最大點與轉印飽和點對應的臨界單位板寬軋制力的影響規律，發現隨著帶鋼屈服強度增大和軋輥表面粗糙度增加，該臨界單位板寬軋制力均增大；隨著帶鋼表面粗糙度增大，負轉印最大點對應的臨界單位板寬軋制力增大，但轉印飽和點對應的臨界單位板寬軋制力卻減小。

單晶銅塑性變形的二維離散位錯動力學模擬研究

王春暉, 孫朝陽, 郭祥如, 魏云燦, 蔡旺

2021, 43(10): 1365-1375. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.21.005

[摘要](851)

[HTML全文] (349)

[PDF 1484KB](58) [施引文獻] ()

摘要:
針對亞微米尺度晶體元器件在加工和服役中出現的反常力學行為和動態變形等問題，基于離散位錯動力學理論建立了單晶銅塑性變形過程的二維離散位錯動力學模型。該模型考慮外加載荷、位錯間相互力和自由表面鏡像力對位錯的作用機制，引入了截斷位錯速度準則。與微壓縮實驗對比驗證了模型的正確性，并且能夠描述力加載描述的位錯雪崩現象。應用該模型分析了不同加載方式和應變率下位錯演化及力學行為，結果表明：當外部約束為力加載和位移加載時，應力應變曲線分別呈現出臺階狀的應變突增和鋸齒狀的應力陡降，位錯雪崩效應的內在機制則分別歸結為位錯速度的隨機性和位錯源開動的間歇性；應變率在10²～4×10⁴ s^?1范圍內，單晶銅屈服應力的應變率敏感性發生改變，位錯演化特征由單滑移轉變為多滑移面激活的均勻變形，位錯增殖逐漸代替位錯源激活作為流動應力的主導機制。

小間距平行頂管管道土壓力計算方法研究

楊仙, 肖宇鋒, 黎永索, 陳娟

2021, 43(10): 1376-1384. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.17.002

[摘要](1166)

[HTML全文] (313)

[PDF 1441KB](50) [施引文獻] ()

摘要:
小間距頂管過程中，由于管?管相互作用的影響，使得管周土壓力分布與單管頂進土壓力分布模式產生差異，從而造成小間距頂管荷載確定、結構計算及頂力估算與控制等設計施工難題。結合數值模擬反分析，基于太沙基土壓力理論和極限平衡理論，假設了土體松動線和上部既有頂管的支擋作用線，進一步構建了小間距平行頂管管道拱頂垂直土壓力的計算方法。基于構建的土壓力計算方法，分析了土體抗剪強度、管徑、管間距等對新建頂管拱頂土壓力的影響，并與不考慮既有頂管影響的土柱理論和太沙基理論計算值進行了對比。計算結果表明：土體抗剪強度越大，新建頂管拱頂垂直土壓力越大，而其側面的土壓力越小；抗剪強度較大時，新構建方法計算拱頂土壓力小于太沙基理論計算結果，抗剪強度較小時，新構建方法計算拱頂土壓力大于太沙基理論計算結果；頂管埋深增加時，新建頂管拱頂土壓力增加，相較于土柱理論和太沙基理論，新構建方法計算的新建頂管拱頂土壓力增量最小；隨著管間距增加，新建頂管拱頂土壓力越來越大。

基于分形理論無腹筋混凝土梁的受剪性能

于江, 呂旭濱, 秦擁軍

2021, 43(10): 1385-1396. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.19.003

[摘要](1369)

[HTML全文] (584)

[PDF 1524KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
基于裂縫的發展及分布形態，探究無腹筋混凝土梁在不同剪跨比和縱筋配筋率作用下的剪切性能，采用剪跨比分別為1.5、2、2.5和縱筋配筋率分別為1.28%、1.62%、1.99%的9組無腹筋混凝土梁進行四點加載受剪試驗，通過應用分形幾何理論對試驗梁表面的裂縫進行分析，使用盒計數法計算得到分級荷載及極限荷載作用下梁表面裂縫的分形維數，探討了梁表面分形維數與極限荷載、分級荷載及跨中撓度之間的關系。結果表明：剪跨比與極限荷載及開裂荷載成反比，而縱筋配筋率與極限荷載成正比，但其對于開裂荷載的影響較小。無腹筋混凝土梁不論在分級加載作用下還是極限荷載作用下都具備明顯的分形特征，在分級荷載作用下的分形維數在0.964～1.449，在極限荷載作用下的分形維數在1.33附近。分級荷載、跨中撓度與分形維數之間呈現較好的對數關系，分級荷載與分形維數的變化曲線受剪跨比及梁縱筋配筋率的影響具有一定的規律性，而跨中撓度受剪跨比的影響較小，在縱筋配筋率作用下，其曲線的曲率呈現出先增大后減小的趨勢，但極限荷載與分形維數之間的關系具有一定的差異性，極限荷載會隨著剪跨比的增大呈現出先增大后減小的趨勢，隨著縱筋配筋率的增大呈現出的差異性較大。

能源工程·交通運輸工程

中國頁巖氣開發理論與技術研究進展

朱維耀, 陳震, 宋智勇, 吳建發, 李武廣, 岳明

2021, 43(10): 1397-1412. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003

[摘要](1251)

[HTML全文] (434)

[PDF 1985KB](157) [施引文獻] ()

摘要:
中國的頁巖氣田屬于非常規氣藏，采用體積壓裂工程技術才可以實現有效開采。不過，頁巖儲層與一般儲層的性質不同，納米級孔隙大量分布，其孔隙和滲透率十分微小，同時還分布有微裂縫，氣體在其中的流動具有解吸、擴散、滑脫和滲流等多種微觀機理，并且呈現出基質?微裂縫?人工裂縫的跨尺度多流態流動。常規的油氣開發理論與技術并不適用于頁巖氣藏，因此需要有針對性的研究，并建立頁巖氣開發的理論與技術，才能實現我國頁巖氣藏的高效地開發。從頁巖氣流動的基本規律出發，總結了頁巖氣流動的多流態?多尺度?多場耦合輸運機理和滲流規律，歸納了考慮解吸?擴散?滑移?滲流的多尺度非線性滲流統一方程，給出了多尺度全流態圖版。通過頁巖氣多級壓裂水平井多區耦合非線性滲流理論、多場耦合非線性滲流理論，形成頁巖氣藏流場區域儲量動用與開發動態變化規律，針對我國頁巖氣特點構建了頁巖氣產量遞減模型。基于上述理論提出了開發設計方法，提出了我國儲層分級評價及優選目標評價方法，并且建立了適合我國儲層的分級評價及優選目標方法與指標，對中國頁巖氣壓裂開發工藝適應性技術進展進行了歸納總結。在此基礎上，對未來頁巖氣高效開發理論的發展方向進行了展望，以期對我國頁巖氣理論和技術研究提供指導。

低冰粘附強度表面設計與制備研究進展

江華陽, 吳楠, 呂家杰, 劉鈞, 尹昌平, 高世濤

2021, 43(10): 1413-1424. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.14.008

[摘要](451)

[HTML全文] (352)

[PDF 2082KB](83) [施引文獻] ()

摘要:
表面結冰給通訊、電力等工業領域帶來巨大損失，電加熱和噴灑乙二醇等主動除冰方法雖然在一定程度上可以解決上述問題，但在能源、人力、環境方面需付出較高代價。為解決這一問題，低成本、低能耗的被動式防/除冰表面被寄予厚望。防/除冰表面主要分為延長結冰時間的防冰表面和低冰粘附強度的除冰表面。由于實際工況的復雜性，除冰表面比防冰表面更具有可實現性。除冰表面主要與低表面能、界面滑動和裂紋產生相關，低冰粘附強度表面按實現機理可分為化學改性低表面能表面、潤滑表面、界面滑動表面和裂紋源表面。本文對不同類型低冰粘附表面的低冰粘附強度產生的原因和表面的制備方法進行總結。同時，對冰粘附強度的測量標準進行了說明和討論，以解釋不同的測試方法對防/除冰性能測試結果造成的差異。