各向异性层状千枚岩渗透率及有效孔隙率试验研究

采用岩石全自动三轴伺服仪和气体渗透装置,对一种致密的各向异性层状千枚岩开展了气体渗透率及有效孔隙率试验,研究常规三轴压缩和围压循环加卸载2种应力路径下,气体渗透率、有效孔隙率随层理倾角及偏应力的演化规律。结果表明:围压相同时,岩样的初始气体渗透率k0随着层理倾角β的增大呈“W”型变化,在β=45°时取最大值;在围压循环加卸载过程中,气体渗透率先随围压的加载而减小,后随围压的卸载而增大,卸载时的气体渗透率小于加载时的渗透率;层状千枚岩有效孔隙率和气体渗透率呈指数关系;平行于层理方向的气体渗透率远大于垂直于层理方向的气体渗透率;岩样有效孔隙率和气体渗透率随偏应力变化经历初始压密阶段、线弹性阶段和塑性变形阶段,随着偏应力的增大,岩样有效孔隙率和气体渗透率先减小,接着保持稳定,最后快速增大,并在岩样应力-应变曲线斜率接近于0时达到最大值。

渗透各向异性土层中考虑挡墙厚度的基坑稳态渗流解析解

本文对考虑厚度挡墙支护下渗透各向异性土层中基坑的二维稳态渗流进行了解析研究。根据对称性取基坑半截面,将周围土层划分为5个规则区域,采用坐标变换将渗透各向异性土层转换成等效各向同性土层,对各区域利用叠加法和分离变量法推导得到二维稳态渗流场、挡墙上水压力以及坑底出逸比降的显式解析解。对比保角变换和积分变换方法,本文解渗流场计算结果连续且无奇异点,且基坑水头和挡墙两侧水压力分布情况与数值软件分析一致性较好,说明本文解析解的正确性和优越性。本文解与不同计算方法得到的挡墙水压力结果对比分析发现,挡墙厚度d、竖直与水平向渗透系数比α对挡墙上水压力的影响不可忽略。分析α、d对挡墙底部水压力及出逸比降的影响,随着α和d的增大,基坑外侧挡墙底部水压力增大,基坑内侧挡墙底部水压力减小;随着α和d的逐渐减小,坑底出逸比降不断增大;当α和d较小时,考虑一维渗流情况得到的出逸比降安全性较低,且随着α和d的减小与本文解析解差距越来越大。

应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化建模方法

为了提高多孔零件的设计自由度、内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,提出一种应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化设计方法。将零件有限元分析结果分解为应力标量场和应力方向场,通过加权随机采样算法将应力标量场映射为零件设计域内的维诺站点分布,实现零件内部力学性能的梯度分布;将应力方向场映射为二维黎曼流形,提出一种基于胞元择优方向生长策略的各向异性维诺图生成算法,生成胞元沿黎曼流形分布的各向异性维诺图。在此基础上,通过偏置算法、调和距离场和拉伸算法生成光滑的梯度各向异性维诺多孔零件。最后,采用有限元分析、三点弯曲实验等方法将所设计的多孔零件和其他多孔零件进行比较分析。实验结果表明,所提出的梯度各向异性维诺多孔零件建模方法能有效提升零件内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,降低材料消耗,实现轻量化设计。

各向异性地层中随钻地层测试压力响应数值模拟

在随钻地层测试器测试过程中,钻井液动态侵入和地层各向异性会导致不同的压力响应特征,并直接影响地层压力测试结果的解释精度。为此,基于各向异性多孔介质渗流理论,建立了钻井液侵入条件下横观各向同性地层随钻地层测试压力响应数学模型,采用有限元方法对模型进行求解,通过与经典解析解对比进行了模型验证,并分析了渗透率各向异性、地层产状、抽吸间歇时间、抽吸探头半径对随钻地层测试压力响应的影响规律。结果表明:在抽吸前阶段,地层各向异性和地层产状对钻井液侵入导致的井周增压影响较大;在压力恢复阶段,由于井周地层增压作用的影响,测试压力响应初始值会高于原始地层压力,且压力呈先升高后降低的演化趋势;渗透率各向异性程度越小、地层倾角和倾向越小,抽吸压降阶段的压力响应初始值越大、压降值越大、压力恢复速率越低;抽吸间隔时间和抽吸探头半径对压力响应也有一定影响,抽吸间隔时间越小,测试初始压力越大,探头半径越大,压力恢复速率越快。揭示了渗透率各向异性对随钻地层测试压力响应的影响规律,研究结果可为随钻地层测试结果解释和地层参数反演提供理论依据。

三维各向异性TI介质中的P/S波快速解耦技术及在弹性波逆时偏移中的应用

随着多分量采集技术的发展,弹性波逆时偏移技术在三维各向异性介质复杂地质构造成像中得到了广泛的应用.然而耦合的P波场和S波场,会在传播过程中产生串扰噪声,降低弹性波逆时偏移的成像精度.为了解决这一问题,本研究针对具有倾斜各向异性对称轴的三维横向各向同性(Transverse Isotropy,TI)介质,提出了一种矢量弹性波场快速解耦方法,可以有效提高偏移剖面的成像质量.该方法首先通过坐标转换,将观测系统坐标系的垂直轴旋转到TI介质的对称轴方向,在新坐标系下,根据具有垂直对称轴的三维横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质中的分解算子,推导出三维TI介质解耦算子表达式.接着引入一种在空间域快速计算分解波场的方法,来实现空间域矢量P波场和S波场分离,极大地提高了计算效率.最后,通过点积成像条件,将提出的P/S波分解方法引入到三维TI介质弹性波逆时偏移中,得到高精度的PP和PS成像.与以往的波场分解方法相比,本文方法具有数值稳定和计算效率高的特点.数值算例表明,应用上述三维TI分解算子得到的偏移剖面有效压制了噪声,提高了成像质量.

退火对SP-700合金板材组织、织构和力学性能各向异性的影响

通过光学显微镜(OM)、电子背散衍射(EBSD)及单向拉伸测试等方法,研究了退火温度对SP-700合金板材微观组织、织构和力学性能各向异性的影响。结果表明:随退火温度的升高,SP-700合金板材的晶粒等轴化程度提高;当退火温度为780℃时,退火织构类型基本不变;当退火温度为860℃时,初生α相向次生α相的转变形成了新的织构;经900℃退火后,组织类型转变为网篮组织,织构类型为棱锥织构和R型织构。α相的棱锥织构取向是造成原始板材力学性能各向异性的原因;晶内亚结构在变形初期对滑移系的阻碍作用影响了板材在不同方向上的室温强度;随退火温度的升高,晶内亚结构的消除和新的织构取向的产生导致力学性能各向异性增强。此外,晶粒形貌和相含量的差异也会导致各向异性的变化。原始板材的断裂机制均为韧性断裂,且不同方向的断口特征略有不同。

基于有限差分低秩分解策略的黏声各向异性纯qP波正演模拟方法

地下介质的黏弹性和各向异性特征会导致地震波出现相位频散和振幅衰减,如果在地震数据处理中忽略这些影响,那么成像结果会出现同相轴畸变和偏移假象。常规黏声TTI介质拟声波方程可用于模拟地震波在黏声各向异性介质中的传播特征,但存在伪横波干扰和受模型参数限制(各向异性参数ε必须大于δ)等问题。为了解决上述问题,将基于声学近似的纯qP波频散关系与常Q衰减模型相结合,推导了一种黏声TTI介质纯qP波方程。该方程包含解耦的相位频散和振幅衰减项,便于实现衰减补偿逆时偏移。基于新推导的方程,发展了有限差分低秩分解求解策略,实现了黏声TTI介质纯qP波正演模拟。数值模拟结果表明,该方程克服了黏声TTI介质拟声波方程的局限,可较为准确且稳定地模拟地震波在黏声各向异性介质中的传播过程。同时,该有限差分低秩分解求解策略继承了有限差分求解方法高效的优势,相比于传统低秩分解法具有更高的计算效率。

一般各向异性介质中qS1和qS2波波前分离

地震波在各向异性介质中传播时存在横波分裂现象,可用于研究岩石中地震波传播特征和了解地下介质各向异性参数.一般各向异性介质中计算三种地震波(qP,qS1,qS2)相速度和群速度的研究日趋成熟,但分离qS1和qS2波的波前仍然是一项具有挑战性的工作.为此,本文基于新近给出的一般各向异性介质中三种波(qP,qS1,qS2)群速度的解析计算公式,依据相速度光滑连续的条件给出相邻方向上qS1和qS2波识别方法;为避免数值计算误差造成识别错误,构建了置信度函数,并借鉴快速行进法的思想逐点进行判别以分离qS1和qS2波的波前,最终得到三种波(qP,qS1,qS2)各自独立且完整的波前面.多个数值模拟试验结果表明,该算法适用于不同类型各向异性介质,且不受波前复杂程度的影响,具有较高的稳定性,可为一般各向异性介质中多次波射线追踪、多震相走时反演以及横波分裂研究等提供算法支持.

重塑南宁膨胀土宏细观特征的各向异性试验

为了揭示膨胀土细观结构对宏观膨胀差异的影响规律,以南宁重塑膨胀土为研究对象,利用自研的三向膨胀仪开展宏观试验,获得干密度对于膨胀率的影响规律。通过CT扫描试验研究其细观孔隙和土颗粒结构;基于Avizo软件对孔隙和颗粒的细观特征、孔隙的分形特征进行系统分析;并结合三向宏观试验共同揭示了细观结构特征对宏观膨胀变形的影响规律。结果表明:试样的两个水平方向膨胀率基本一致,竖向大于横向;干密度增大,横、竖向膨胀率比值越趋近于1。竖、横向孔隙率之比随着干密度的增大而增大;当横、竖向膨胀率之比越趋近于1;竖、横向孔隙率之比越大,说明横、竖向孔隙率与宏观横、竖向膨胀率存在较好的关系;竖、横向土颗粒粒径之比随着干密度的增大而减小;横、竖向膨胀率之比越趋近于1,竖、横向土颗粒粒径之比越小,说明横、竖向土颗粒粒径与三向膨胀率也存在较好的关系;孔隙分形维数用来表征孔隙复杂程度,与三向膨胀率并无直接关系。

基于多层石墨烯-黑磷结构可调谐各向异性吸收器

基于阻抗匹配理论(IMT)和多层局域表面等离子体共振(LSPR)耦合效应,设计了一种多层石墨烯-黑磷可调谐各向异性吸收器。通过采用时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真计算分析发现,TE偏振下,吸收器在波长20.8~45.34μm范围内可实现94%的宽带平均吸收;TM偏振下,在波长16.6~44.6μm范围内可以实现96.3%的宽带平均吸收,呈现出一定程度的各向异性吸收特性。此外,通过调整石墨烯-黑磷块的宽度,可以调节吸收带宽。同时,动态调节石墨烯的费米能级或黑磷的电子掺杂浓度也能够调节吸收带宽和平均吸收率。该研究成果对动态可调谐红外能量采集、偏振选择性吸收和红外伪装领域具有理论指导意义。

基于磁各向异性的管壁应力集中区域检测方法

针对应力集中导致管壁发生屈服失效的问题,提出了利用磁各向异性检测管壁应力集中区域的方法。从能量角度出发,研究了应力导致管壁产生磁各向异性的机理,建立了管壁当量应力与磁各向异性探头输出电压信号的数学模型,通过计算管壁的当量应力判断其是否发生屈服失效,搭建了应力检测实验平台。实验结果表明,应力会导致管壁产生磁各向异性,磁各向异性检测方法能够检测出管壁当量应力的变化趋势和主应力方向所在延长线的角度,进而判断管壁是否产生应力集中区域。

太赫兹各向异性超材料极化调控器设计与实现

电磁波极化特性会影响无线通信系统的性能,随着电磁场与微波技术的广泛应用,为满足信息传输和信息获取需求,电磁波极化特性的自由调控变得非常重要,在无线通信和雷达目标识别技术领域,都是通过改变极化状态来实现极化自由调控,随着波长的变短,相比微波通信,太赫兹通信具备频谱资源更丰富、传输速率更高的优势,但传统结构的极化调控器因存在各种缺陷,在太赫兹频段中的应用具有一定的局限性。针对这个问题,利用各向异性超材料设计了一款可用于太赫兹频段的双功能极化调控器,首先采用坐标分解法分析了器件的双功能极化调控特性,分析结果表明所设计的调控器既可以实现线极化波调控,又可以实现圆极化波调控,具备双功能调控特点;然后采用表面电流法分析了调控器的极化转换机理,仿真结果表明调控器具有4个谐振点,超材料单元结构中发生的四阶电磁谐振叠加,使得调控器工作频带宽,且极化转化效率高,在0.45~1.152 THz的频带内效率可高达90%以上;最后还分析了器件的不同参数对器件性能的影响,提出了调控器性能的优化思路和调控器的实际使用条件。通过对结构参数的分析,发现结构参数的变化会影响调控器工作时的频带宽度和谐振点的分布位置,调控器性能与自身工作频带宽度存在互斥关系,工作频带变宽,调控器性能变差,工作频带变窄,调控器性能变好,在调控器的实际应用过程中,为获取满意的调控特性,要根据具体的调控要求对结构参数进行优化调整;通过对入射角和方位角的分析,发现调控器性能对入射角的变化非常敏感,并指出在使用调控器时,它的摆放位置方向要满足入射波在调控器中的投影与调控器边沿保持平行。与现有工作相比,所设计的调控器性能更高效,结构更简单,并且双功能特性使器件的使用更加便捷和多样化,该工作为太赫兹极化转化器的发展和应用提供了理论参考。

各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性Kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小Kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

基于非线性各向异性滤波的图像特征匹配算法

图像特征匹配是增强现实系统中的关键技术,匹配精度是提升特征匹配性能的关键。提出了一种多尺度特征匹配加强算法(I-AKAZE),通过对非线性各向异性滤波过程中传导函数的改进,减缓图像梯度值大的区域非线性扩散速度,极大程度地保留了匹配图像的边缘特征;同时,结合改进的非线性量化加速稳健特征描述符(NLG-SURF),提高了描述符的识别率。实验结果表明I-AKAZE算法在Mikolajczyk数据集上的可重复性得分相比目前先进的AKAZE算法有着大幅度提升,对应的特征描述符的平均识别率提升8.4%,并且运行速度比经典的SIFT算法快约19%,算法整体在检测和描述阶段上的性能都有提升。

考虑各向异性蠕变的锆包壳鼓胀行为数值模拟方法研究

锆(Zr)合金包壳在高温和管内外压差作用下存在鼓胀及爆破失效行为,其中热蠕变是关键影响因素之一。针对α相Zr蠕变存在的各向异性特点,基于Hill准则推导了应力更新算法和一致切线刚度算法,并基于有限元方法加以实现,结合与温度和辐照相关的热-力学物性、α-β相转变模型和爆破失效限值经验模型,获得了Zr包壳的鼓胀行为分析工具。采用厚壁圆管蠕变问题的理论解析解进行了确认,通过与PUZRY系列鼓胀爆裂实验对比进行了验证,结果表明:相较于常规的各向同性蠕变算法,各向异性蠕变算法能够更好地预测α相区间的Zr包壳高温鼓胀;对于α+β混合相区间,目前常用的加权混合方法计算蠕变速率还存在较大误差;对于加压速率较大的工况,如果仅仅考虑蠕变的影响,则会存在较大误差。

各向异性致密砂岩气藏分段压裂水平井气水两相产能预测模型

致密砂岩气藏具有储层物性差、孔喉结构复杂、各向异性强、初始含水饱和度覆盖范围大等特征,导致储层中流体的渗流机理复杂,为气井产能的准确预测及评价带来了巨大挑战。为此,基于气水两相非达西渗流理论,综合考虑储层各向异性、储层基质和裂缝不同程度的应力敏感性和两相启动压力梯度、高速非达西渗流效应、气体滑脱效应以及裂缝导流能力与缝间干扰等复杂因素,利用坐标变换、扰动椭圆理论、等价发展矩形理论、当量井径原理、压力叠加原理、水电相似原理等方法,建立了适用于各向异性致密砂岩气藏分段压裂水平井气水两相产能预测的新模型。通过矿场实例验证了新模型的准确性和实用性,并绘制了气水两相产能预测曲线,评价了敏感参数对产能的影响规律。研究结果表明:随着气体滑脱效应、裂缝导流能力、裂缝半长、裂缝条数、水平井井筒与地层主渗透率方向夹角的增大,压裂水平井的无阻流量增大;而随着储层各向异性、储层应力敏感性、裂缝应力敏感性、两相启动压力梯度、生产水气比增大,压裂水平井的无阻流量降低;水相对气相的流动具有抑制作用,且驱替压差越大,抑制作用越显著,因此需提前采取防水和治水措施。该研究成果进一步缩小了致密砂岩气藏产能预测结果与矿场实际产量的差距,有助于致密砂岩气藏的参数评估、动态预测以及产能评价和勘探开发决策制定。

含初应力各向异性层合管纵向导波频散特性分析

基于勒让德级数法,联立增量变形理论,分析了含初应力各向异性层合管中纵向导波的频散特性,探讨了初应力场下导波传播的过程。相较传统级数展开法,通过利用正交完备性与递推特性,可有效地避免冗余的积分运算。基于所提联合理论方法,将其与不含应力的单层复合材料空心圆管纵向导波频散曲线进行对比,验证了所提理论方法的有效性。随后,数值计算了不同堆叠顺序下单向纤维层合管的导波频散曲线,揭示了中间层纤维角度对纵向导波频散特征的影响规律。最后,计算了不同初应力状态下的单向纤维层合管的纵向导波频散曲线,并讨论了初应力对各向异性层合管的纵向导波传播特性的影响规律。通过对比分析,为含初应力的各向异性层合管的无损检测与评估提供了理论支持。

圆形基坑极正交各向异性支护结构变形解析分析

考虑圆形深基坑支护结构轴向和环向配筋的差异,将支护结构简化为极正交各向异性圆柱薄壳,研究了分层土体中具有弹性支撑环梁约束的支护结构轴对称变形和内力特征.首先,将弹性支撑环梁的约束解除,代之以沿环向分布的未知集中力,基于弹性环梁和圆柱壳的边界条件和变形协调条件,得到了分层土体中具有弹性支撑环梁支护结构轴对称变形的解析解.其次,以上海地区某一圆形深基坑支护结构为例,揭示了支护结构环向和纵向弹性模量、环梁刚度、土体重度和静止土压力系数等因素对支护结构内力和变形的影响,结果表明:支护结构以环向承压为主,轴向弯曲为辅,故其环向刚度对径向位移的影响要明显大于其轴向刚度的影响,但材料参数对内力分布影响较弱;环梁刚度的增加可有效限制支护结构的变形,但会引起支护结构在支撑环梁处内力的显著增大;土层性质相差不大区域的支护结构可按均质土中支护结构进行分析,而土层性质有较大突变区域的支护结构分析则需考虑土层的分层效应.

基于叠前方位各向异性的火山岩裂缝预测——以松辽盆地南部LFS地区为例

利用叠前方位道集地震数据进行各向异性参数反演是目前裂缝预测的主要方法之一,其中RÜGER近似方程和傅里叶级数展开式2种算法应用较为广泛,RÜGER近似方程中的各向异性梯度与傅里叶级数展开式的二阶项均可以表征裂缝强度。应用2种方程在单层界面、实钻井裂缝层分别对比了计算方法的适用性,并在实际火山岩发育区对比了裂缝空间预测结果。单界面模型2种方程预测裂缝强度存在量纲差异,RÜGER近似方程裂缝强度值域大于傅里叶级数展开式计算结果,RÜGER近似方程计算裂缝方位存在多解性,可能为垂直裂缝方向;井上裂缝层应用2种方法计算裂缝方位和强度结果基本一致;在松辽盆地南部LFS地区火山岩地层应用2种方法分别预测裂缝发育情况,傅里叶级数二阶项相比方位各向异性梯度,与电成像测井解释裂缝强度吻合稍好,且预测裂缝方位与成像测井解释方位相同。研究认为,在火山岩领域傅里叶级数方程预测裂缝方法更适于推广应用。

双层铁磁薄膜中层间耦合和面外各向异性对系统共振频率的影响

本文采用能量极小原理,重点讨论了层间双线性耦合、双二次型耦合和面外单轴各向异性对双层铁磁薄膜中铁磁共振频率的影响。分别从三个方面讨论光学模和声学模共振频率对层间双线性耦合、双二次型耦合以及面外单轴各向异性的依赖。结果表明,层间双线性耦合和双二次型耦合可以提高光学模的共振频率。然而,面外单轴各向异性会降低光学模和声学模的共振频率,尤其是对声学模的影响更加明显。此外,对于光学模,双二次型耦合比双线性耦合更为重要。这些结果有助于新型微波器件的设计。