岩石力学数值实验教学模式的改革与探索

正确处理科研与教学关系是高校教师的重要工作。对于工科专业,利用工程现场形成经典教学案例,可提高学生能动性和创造性,培养其解决现场问题的能力,加深其对工程问题和科学问题的思考。该文基于高校教学、科研一体化的模式,提出针对矿业类专业学生岩石力学数值实验课程的案例教学改革对策,指出经典工程现场案例教学和探讨式教学是岩石力学数值实验课程教学改革需要重点关注的。煤层水力压裂、开采扰动下工作面覆岩结构及矿压显现规律、露天矿高陡边坡稳定性等复杂工程问题可作为经典案例选取的对象。

超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究

超声波测速仪是一种利用超声波发射接收装置,通过发射接收时间来计算来流速度的一种仪器装置.目前国内许多研究都关注在如何消除测速仪的测量误差上,对于模型结构对测量风场的影响研究较少.为了考察测速仪的测量精度,该研究以模型结构对测量区域风速的影响作为关注的重点,采用计算流体力学方法模拟了从低速到高速的不同来流风速下的绕流流场,计算出位于测速仪中心区域的速度分布和不同截面上的平均速度,以判断测速仪模型结构对中心测量区域风速的影响程度.该研究结果表明在测速探头平面内测量到的速度值,无论在低速和高速时均最为准确.采用计算流体力学数值模拟方法可为今后的测速仪模型设计和改造提供准确的依据.

修正型人工膝关节在单、双髁负荷下二种固定界面胫骨平台的力学数值分析

本文对具有补偿前、后十字韧带功能的修正型人工膝在单双髁负荷下 ,以骨水泥固定和骨组织生长固定的胫骨平台二种固定界面的多种生物材料和金属材料组成复合结构的固定胫骨平台近端结构 ,通过有限元的数值分析 ,计算其应力与位移的分布和量值 ,并和人体膝胫骨平台计算结果比较 ,分析结果可供膝关节外科临床医学和新型人工膝关节的研究参考。

基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律(RSF)的二维准动力学数值模型,以半空间垂直走滑断层为研究对象,通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果,研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示,我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下,能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下,动态破裂在浅层速率强化区停止,而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面,导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K-2模型傅氏振幅谱均符合较好,且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型,说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征,并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响,应当根据具体问题来选择模型参数,这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.

利用全概率方法分析岩土力学数值模拟结果的变异性

提出了一种用于分析在多参数随机情况下岩土力学数值模拟结果变异性的全概率方法。以特定数值模拟结果为随机隐式响应量,根据多维高效数值求积理论,计算出响应量特定函数的均值,利用快速傅里叶变换数值概率分析方法及笔者开发的最大熵分布,求解器软件一次性求解出响应量的全概率分布,用于定量评估数值模拟结果的变异性。算例表明该法具有精度和计算效率较高的优点。

流体力学数值模拟方法在增强型地热系统的应用分析

增强型地热系统(EGS)作为地热资源重要的开发形式,储量十分丰富,开发利用前景广阔,所以EGS的开发利用引起国际社会和研究领域的广泛关注。本文从孔隙尺度(PSM)、岩心尺度(CSM)到场地尺度(FSM)3种流体力学模拟方法展开分析,阐述了不同数值方法在增强型地热系统的应用现状、技术优势和存在的问题。认为可将PSM方法作为基础模型,3种不同尺度的数值模拟方法有机协同地联系在一起,为基于增强型地热系统的数值模拟方法研究指明了方向。

大数据时代“岩石力学数值实验”教学模式改革

大数据时代如何正确处理科研与教学关系是高校教师的重要工作。基于大数据的理念和思想,提出了面向矿业专业学生的岩石力学数值实验课程的教学改革对策,指出岩石力学数值实验与大数据学科交叉融合的案例教学、大数据背景下多模式实践教学是课程教学改革需重点关注的。文章选取了典型的岩石力学数值实验与大数据相关学科交叉融合的教学案例,构建大数据背景下岩石力学数值实验实践教学和创新能力培养的新途径,搭建基于大数据的岩石力学数值实验学习平台,形成了一种全新的岩石力学数值实验教学体系,以期培养新时代发展、投身于煤矿事业的综合性研究人才。

基于流体动力学数值模拟的海水层反射地震研究

由于多种海水运动同时存在以及地形的影响,海水层结构非常复杂,解释海水层地震相,分析海水运动过程是地震海洋学研究的新方向.本文提出结合流体动力学数值模拟与反射地震正演分析海水层地震相的方法.首先,对地形和流体建模,得到特定条件下流体运动状态;然后用反射地震正演将模拟获得的海水层温盐剖面转换为反射地震数据;进一步和实际测量得到的地震海洋学剖面进行对比,分析地形、海水运动对海水层地震相的影响.以内孤立波浅化过程为例,通过流体动力学数值模拟,获得其浅化过程中出现的下沉型、分裂、转换型三个阶段的海水层剖面;对温盐剖面进行反射地震正演,分析浅化不同阶段海水层反射几何形态、反射结构等特征.这种新方法有望解释复杂地震海洋学图像,深化海底地形对海水运动影响的认识.

地幔热导率的选取对动力学数值模拟的影响——以岩石圈张裂过程为例

目前存在有多种地幔热导率模型,不同模型在数值和随温压变化的特征上有明显的差异.为探究不同热导率模型对动力学数值模拟结果的影响,本文对不同模型下的岩石圈张裂过程进行模拟研究,探讨地幔热导率对岩石圈热传输、变形和熔融过程的影响及其作用机理.结果显示,不同热导率模型下,岩石圈的变形和熔融特征表现出明显差异.高热导率模型下,岩石圈破裂较晚,形成陆缘较为宽阔,地壳熔融强烈而地幔熔融较弱;低热导率模型下,岩石圈破裂较早,形成陆缘较为狭窄,地幔熔融强烈而地壳熔融较弱.这种差异源于不同地幔热导率下岩石圈和地幔热状态的变化及相应力学性质的改变.高热导率下,热传导的增温效应显著,岩石圈呈现较热的状态,其强度整体较低,壳幔耦合减弱;而低热导率下,热对流的增温效应显著,岩石圈呈较冷的状态,其强度整体较高,壳幔耦合增强.基于模拟结果,本文认为地幔热导率的选取对动力学模拟的结果有着较为显著的影响,相对于随温压的变化,热导率数值的差异对动力学数值模拟的结果影响更大,尤其是对于地幔熔融过程的影响.

洋壳渗透率结构对其内部热液对流的影响研究——基于热力学数值模拟

洋底特殊环境的限制使数值模拟成为研究海底热液对流与成矿机制的有效方法.本文通过数值模拟的方法,研究洋壳渗透率单因素变化对热液对流系统的形态和输出参数(热液喷发温度和热流值)进行研究.模拟结果表明,洋壳平均渗透率分别与热液喷发温度和热量输出呈反相关和正相关关系,符合达西流体热对流的基本解析规律.另外,洋壳渗透率的垂向变化不会使洋壳内部的对流系统产生明显的横向偏移,只使热液羽规模在垂向上产生规律性变化,且渗透率越大,热液羽规模越小.渗透率在水平方向的变化则是引发热液羽和热液喷发位置横向偏移的主要因素,且只有在特定的渗透率水平变化率范围内,上涌热液羽才会发生向高渗区的明显偏移,这也从一定程度上解释了现今拆离断层相关的热液系统均未发育于断层终止线上的事实.以大西洋Trans-Atlantic Geotraverse(TAG)热液区为例,断裂带高渗区必然影响相邻洋壳内部热液的上涌路径,但受区内拆离断裂带周缘的渗透率水平变化规律的影响,上涌热液羽不至于完全偏移至断裂带,从而产生拆离断层上盘的热液活动.

弹性力学数值方法研究进展

本文介绍和讨论了近几年间弹性力学数值方法的研究进展。主要有理性有限元、Hamilton体系下的有限元、Hamilton体系下改进的有限元以及辛差分法。

TBL模式在“流体力学数值计算”课程中的应用

为了提高研究生课程与课题的紧密度,促进研究生与教师的交流和沟通,文章以黑龙江大学“流体力学数值计算”课程为例,基于TBL教学模式分析该模式在研究生课堂教学上的应用效果,并讨论其适用性。

基于ANSYS的半柔性路面力学数值分析

为了探究半柔性路面的力学响应规律,采用ANSYS模拟在不同面层厚度和模量、基层模量下,对路面结构模型进行力学数值分析。结果表明,增加面层模量可降低面层剪应变和增强路面抗剪性能;面层厚度需适当控制,否则反而使面层剪应力增加;增加基层模量会提高面层层底拉应力。

外日球层激波事件的一维磁流体力学数值模拟

“旅行者1号”在2012年8月穿越日球层顶后连续探测到了星际磁场的局地突然变化,通常被认为对应于激波事件,且为太阳风事件向外传播后形成的大尺度结构与日球层顶相互作用的产物。但由于观测的限制,日球层内的太阳风大尺度结构与星际空间的激波事件的对应关系尚未明确。通过一个包含太阳风等离子体和星际中性原子的双流体磁流体力学数值模型检验了这种对应关系。在距日1 AU的内边界输入2010—2017年分别位于不同经度上的OMNI,STEREO A和STEREO B的太阳风观测数据,研究了这期间太阳风与星际中性原子电荷交换后在外日球层区的传播和演化,并与“旅行者1号”和“旅行者2号”的观测数据做对比。结果表明,“旅行者1号”探测的星际空间激波事件与“旅行者2号”探测到的日球层鞘区内的压力脉冲事件具有明显的关联。

模块化人工湿地水力学性能数值模拟与优化解析

人工湿地应用具有容易维护与节能环保等方面优势,整体投资相对较少,应用前景较为理想。但由于传统人工湿地使用存在一定问题,所以需要进行改造,在此背景下,模块化人工湿地模式开始出现。在对大量人工湿地进行模块化处理之后,会导致其水力效率受到影响。为解决该项问题,需要做好模块化内部水力学性能的研究,确保模块化湿地优势和价值能够得到充分发挥,以便更好地完成相关应用。以此为核心,通过对人工湿地和模块化人工湿地基本情况的介绍,以实验分析为例,对模块化人工湿地水力学性能数值模拟和优化方式方法进行深度研究,希望能够为模块化人工湿地应用提供一些助力。

漏斗型峡谷桥址区平均风特性的数值模拟

结合某大跨悬索桥所在山区地形,研究了漏斗型峡谷这一特殊构造地形的桥址区平均风特性,为大跨度桥梁在漏斗型峡谷地区的抗风设计提供依据.首先,建立实际地形的数值模型,并利用Fluent软件对24个不同来流工况进行比较分析;然后,将整体模拟结果与实测结果进行对比,验证数值模拟的合理性;最后,通过模拟结果的对比分析,探讨漏斗型峡谷桥位对风速大小、风攻角、风向角在不同来流方向的影响规律,分析平均风速随攻角分布的特点以及不同位置处的竖向风剖面特性.研究结果表明:漏斗型峡谷桥址区存在明显峡谷风加速效应;漏斗型地形对桥址区来流的攻角和风向分别表现为弱扰乱性和高导向性,来流攻角和风向分别稳定集中在-5°~0°和25°~30°;峡谷中风速对攻角变化的敏感性更高.

浮式风机动力系统的线性耦合动力学分析

浮式风机的前期开发需通过大量的方案比选确定结构基本形式和主尺寸参数,对动力学数值模拟效率提出了较高的要求。与时域非线性耦合模拟法相比,频域线性模拟法更适用于概念设计阶段。对此,文章提出了一种高效的线性耦合数值分析方法。采用了九自由度动力学模型描述浮体、塔筒以及叶轮的运动,对结构动力、气动力以及水动力问题进行线性化处理后,将动力学控制方程写成状态空间表达形式,进而推导出环境扰动-结构响应的传递函数,实现结构-控制系统在频域内的联动求解。为了验证模型的有效性,以时域非线性耦合软件Open FAST作为参考,对比了某半潜式风机在风浪联合工况下的运动响应。结果表明,线性模型的响应标准差相对误差大多在20%以内,而计算效率有大幅度提升,为概念设计阶段的结构选型及主尺寸优化设计提供了高效的分析工具。

隧道围岩岩体变形破坏数值力学试验

该文通过对围岩岩体开展数值力学试验,在确定连续微元尺寸δc,并获取该围岩岩体各项基本力学参数的基础上,进一步研究了该围岩岩体的破裂过程,重点讨论了该围岩含单条横向节理和单条竖向节理岩体的变形破坏特征。

FRM的非线性动力学模型及数值仿真(英文)

在一杆模型基础上，给出了二杆的非线性动力学模型，并对上述模型进行了数值仿真，结果满意。