强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

基于机器学习的弯管固液两相流流动特性研究

管道水力输送是工业中常见运输方式,具有运输距离长、安全性高、运营和维护成本低、环境友好和布置灵活的优点,当前关于管道系统内水平、倾斜和垂直管道的两相流流动特征研究较多,而关于系统内弯曲段管道研究较少,亟需明确该段的两相流流动机理及辨明该段的磨损机制,并作出准确预测.本研究首先采用欧拉-拉格朗日框架下的CFD-DEM耦合方法,针对弯曲管道压降和磨损率,探究了弯曲角度、弯曲半径、输入速度、颗粒直径和颗粒浓度等5个因素的影响;并基于上述5个变量,通过Pairwise配对法进行工况组合并进行数值模拟计算,得到数百个可用数据;基于此数据集,开发了6个机器学习模型进行训练,比较了各自模型的准确率并得到各特征对于预测结果的相对重要性.结果表明,弯管的压降随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲角度增大而增大,与弯曲半径关系较小;磨损率随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲半径的增大而增大,随弯曲角度的增大,在90°前先略有下降,在90°后增大.最佳的机器学习模型对压降和磨损率的预测准确率评估指标R2(越接近1越准确)分别在0.96和0.99左右,具有较好的预测能力,可用于多参数影响下的弯曲管道固液两相流水力压降及管壁磨损率的预测,且计算发现输入速度和颗粒浓度分别是对压降和磨损率预测的影响程度最大的因素.

基于CNN与GAN深度学习模型近壁面湍流场超分辨率重构的精细化研究

由城市抗风减灾的目标出发,城市边界层的高保真再现是工程界亟待解决的关键问题.基于高精度的近地风场,有望实现真实环境下城市建筑风致效应的准确预测.传统的基于气象模型的城市风场模拟方法存在预测耗时长、成本昂贵、求解尺度过高等缺陷.为更准确、高效地预测边界层的空间变化,研究利用超精度卷积神经网络(SRCNN)与生成对抗神经网络(SRGAN),在空间上将低精度的近壁面湍流场超精度重构成高精度的风场.利用近壁面湍流直接数值模拟的公共数据库训练模型并评价模型的重构性能.为寻求合适的超精度模型生成方式,研究围绕训练样本量及网络深度,开展详细的敏感性分析,确定合适的训练网络及其较优的训练参数设置.同时,基于经不同下采样因子处理的低精度流场输入,分析模型在近壁面湍流重构中的适用范围.研究发现,对比于SRCNN模型,SRGAN模型对近壁面湍流内小尺度结构的重现效果更佳.当基于4层卷积残差块、300样本量开展训练时,所生成的SRGAN模型可在较低的训练代价下实现较优的重构效果.当进行10倍超精度重构时,SRGAN模型可保证较理想的预测精度.研究成果为边界层风场的准确重构提供技术支撑,为城区建筑物风致效应的高效预测提供精确的入流条件.

基于WRF-LES模式的大气边界层近地风场精细化模拟研究

台风等极端气象灾害对工程结构安全造成严重威胁,研究近地面大气边界层精细化模拟对于土木工程具有重要应用价值.数值天气预报系统(WRF)中的大涡模拟(LES)模块具有参数方案多、精度高等优点,适用于近地面风场精细化模拟,但数值天气预报-大涡模拟(WRF-LES)精细化模拟效果与参数设置密切相关.寻求适用于精细化模拟近地面风场的参数设置,选用WRF-LES模式中的几种次网格模型和空间差分格式,采用较细密的网格分辨率,进行理想大气边界层模拟.对比平均风速剖面、湍流强度剖面和功率谱等风场特性,讨论关键参数对近地面风场模拟精度的影响,确定合适的参数设置.研究表明:对次网格模型,非线性回波散射和各向异性(NBA1)模型可有效改善近地面风场模拟精度;对网格方案,在计算域底部不均匀加密垂直网格可更好地描述近地面风场空间分布特征,有效减小计算资源;对空间差分格式,偶数阶差分相较奇数阶差分格式可捕获更小尺度湍流结构.所提出的WRF-LES模式参数方案,可为精细化模拟近地面风场和台风边界层提供技术参考.

武夷-云开造山带早古生代镁铁-超镁铁质岩富钪风化壳的首次发现及其意义

本文首次报道华南古生代武夷-云开造山带东南缘的兰排镁铁-超镁铁质岩体富钪(Sc)风化壳,初步计算获得区域内钪的潜在资源为524~566 t,为一潜在大型风化壳型钪矿。兰排岩体呈小型岩株侵入到永和闪长质岩体内,主要由橄榄岩、辉石岩和辉长岩组成,辉石岩锆石^(206)Pb/^(238)U年龄为(428.3±2.0)Ma(MSWD=0.92)。镁铁-超镁铁质岩全岩w(TFe_(2)O_(3))为12.1%~18.7%,其中辉石岩钪含量为44×10^(–6)~97×10^(–6),总体高于橄榄岩(20×10^(–6)~89×10^(–6))和辉长岩(28×10^(–6)~48×10^(–6))。兰排这类富钪岩石组合与以往认为富钪的碳酸岩-碱性岩体和阿拉斯加型岩体都存在较大差异,可能代表了一种新的钪成矿母岩类型,推测碰撞后陆内伸展诱发富钪地幔源区熔融可能是富钪母岩浆形成的重要机制。镁铁-超镁铁质岩体上部发育完整的风化壳剖面,可分为全风化层和半风化层。全风化层的上部富集铁(氢)氧化物(磁铁矿、赤铁矿、针铁矿),而中下部以高岭石等黏土矿物为主。半风化层除了包含蒙脱石等黏土矿物,还包括铁钛氧化物及辉石等硅酸盐矿物或相关蚀变矿物。风化壳样品的Sc含量为21×10^(–6)~304×10^(–6),富集程度最高可达相应基岩的3倍以上。其中,钪含量最高的样品主要分布在铁氧化物最富集的全风化层上部,其钪含量多数超过100×10^(–6)。风化壳钪含量与红土化指数(IOL)呈明显的正相关性,表明红土化过程对风化壳钪的富集有显著影响。初步研究认为钪在风化壳红土化过程中经历了活化-迁移-沉淀的多阶段富集过程:1)风化早期钪以类质同象替换的形式赋存在蒙脱石等黏土矿物中;2)风化后期磁铁矿和蒙脱石溶解,钪赋存在以铁(氢)氧化物为主的矿物中,并达到最高程度的富集(Sc>100×10^(–6));3)风化晚期铁(氢)氧化物溶解,一部分钪向下迁移到特定层位。兰排镁铁-超镁铁质岩体富钪风化壳的发现弥补了我国高品位风化壳型钪矿床的空白,丰富了成矿母岩的类型,为华南早古生代成矿作用的理论研究和战略性矿产的找矿勘查提供了一个新的方向。

地表基质调查的工作思路刍议:以海南岛为例

地表基质调查是当前自然资源调查监测体系中的全新领域,如何开展还缺乏统一的行动指南。在初步总结地表基质调查现状的基础上,提出从全国、大区、关键地段3个层次、分阶段组织开展全国地表基质调查的总体思路。结合海南岛地表基质发育的地质背景和赋存条件,就南方强风化区地表基质调查工作进行了实例分析。建议按照分区逐级调查与分类补充调查相结合、调查与研究并重的原则,开展海南岛全域—流域—重点区段不同层级地表基质调查。针对地表基质分类补充调查提出基础调查指标、特征调查指标和评价指标,强调热带强风化条件下海陆交互作用、表生地质作用和多圈层相互作用对地表基质的控制与影响。在查清海南岛地表基质现状和演化规律的基础上,开展地表基质的综合评价和区划,探索形成热带强风化区地表基质调查的技术方法。

桂东南马山玄武岩的年代学、地球化学及岩石成因:对华南地区印支期构造背景的制约

【研究目的】桂东南马山杂岩体北部出露的印支期玄武岩,是研究华南印支运动的关键岩石探针。目前关于马山玄武岩的研究资料较少,制约了对华南地区大地构造背景演化的认识。【研究方法】本文对马山玄武岩开展了锆石U-Pb年代学、岩石地球化学、Sr-Nd同位素研究。【研究结果】玄武岩的LA-ICPMS锆石U-Pb年龄为(246.7±1.5)Ma,MSWD=0.16。岩石富碱((K_(2)O+Na_(2)O)=5.21%~8.02%)、富钾(K_(2)O=2.59%~4.96%),为钾质粗面玄武岩,稀土元素特征为轻稀土富集型,微量元素特征为富集大离子亲石元素(Rb、Ba、K、Pb、LREE),亏损高场强元素(Nb、Ta、P、Ti、HREE),Sr-Nd同位素显示具有EMⅡ富集地幔端元的特征。【结论】马山玄武岩符合钾玄岩系列的岩石特点,其岩浆作用以分离结晶为主,无明显的地壳混染,其源区为受俯冲壳源物质释放的流体交代作用形成的含金云母石榴子石的富集地幔(>80 km)源区。马山玄武岩产于板内环境,其形成可能与印支期逆冲-推覆构造后期的伸展作用有关,由于伸展作用产生有利空间,造成玄武质岩浆上涌喷发形成玄武岩。

核电厂安全级DCS缺省值设置策略研究

针对数字化仪控系统中无效信号的质量位随意蔓延使系统处于一种不确定状态的问题,结合核电厂运行工况和信号特性,对龙鳞平台故障诊断机制和信号质量位标识进行研究。考虑故障安全准则,系统性地提出缺省值设置原则。从信号执行功能和信号边界两个维度进行分析,确认缺省值的设置范围,并详细给出执行保护功能、报警功能、维护和试验功能信号的缺省值设置策略。同时,针对传统的缺省值验证方式无法全面、有效地进行缺省值验证的问题,提出一种利用全范围模拟机和虚拟数字化控制系统(DCS)进行缺省值验证的新方法。利用该方法可有效地对DCS内设置的缺省值进行系统性的验证。所提出的缺省值设置策略和验证方法可为后续核电厂安全级DCS的缺省值分析和设置提供全面的指导。

带有尾缘襟翼的兆瓦级大型垂直轴风力机气动性能优化

垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.

华夏块体及邻区新元古代-早古生代沉积记录与华南洋演化:问题、讨论与建议

华南作为罗迪尼亚超大陆和冈瓦纳大陆的组成部分,在新元古代至早古生代经历了大陆汇聚和裂解、雪球地球事件、早期生命演化等一系列重大地质事件,但组成华南大陆的两大块体之一的华夏块体构造属性及其与扬子陆块拼贴过程等最基本的认识仍然存在争议,其核心是华南洋演化问题。本文在扬子东南缘至华夏地区新元古代-早古生代火山-沉积序列对比基础上,总结了扬子型和华夏型沉积建造组合类型在华南地区的时空演化过程,进而对华夏块体构造属性和新元古代至早古生代的不同演化模式进行了讨论,重点对比探讨了陆内造山模式和增生造山模式的认识。为准确约束华南洋的性质与演化过程,本文建议在地质调查工作中加强中南地区新元古代-早古生代沉积序列、沉积时代、古地理恢复及构造背景等,以及信宜-增城带、郴州-临武-钦防带两侧地层对比和钦防海槽的深入研究。

基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化

研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.

国家实验室的管理体制和运行机制分析与建构

国家实验室在我国是新生事物,是国家重点实验室体系框架中的核心部分,代表国家在相关领域科技自主创新的实力和水平。文中在阐明美国国家实验室发展历程基础上,分析了美国国家实验室的管理体制和运行机制。论述了我国国家实验室的地位和作用,分析了国家实验室构成的三要素,提出体制机制模式构建的五项原则,着重研究了国家实验室的管理体制和运行机制,包括合同管理制、主任负责制、聘任制与聘期制、开放与流动、创新团队建设、绩效考核与评估、竞争与激励、合作与联合、资源和信息共享、产学研合作等,以期对我国国家实验室的建设提供借鉴与参考。

美国国家实验室的管理体制和运行机制剖析

在阐明国家实验室地位作用和美国国家实验室发展历程、目标使命基础上,分析了美国国家实验室的管理体制和运行机制。着重从国家实验室的分级分类管理、目标任务合同制、实验室与承包商间互利双赢模式、内部管理架构和学术组织结构等管理体制方面,董事会领导下的主任负责制,人员聘用管理与流动,人才、项目与仪器设备结合,科技资源开放共享,合作与竞争,同行评议,技术转移等运行机制方面研究其有益经验,以期对我国国家实验室的建设提供借鉴参考。

云开地区早古生代竹雅-石板辉长岩锆石U-Pb定年与Lu-Hf同位素特征

华夏地块西段的云开地区出露少量早古生代基性侵入岩,多以小岩株状侵入前寒武纪变质地层或与同期片麻状花岗岩共生,岩石类型主要为辉长岩和苏长辉长岩。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年显示,信宜竹雅和高州石板辉长岩结晶年龄约为445Ma。辉长岩岩石地球化学以富MgO、CaO,相对贫TiO_2为特征,具有极低的稀土元素总量(∑REE=20.8×10^(-6)~26.6×10^(-6)),轻稀土元素略微富集,亏损Nb、Zr、Ti、P等高场强元素。锆石ε_(Hf)(t)均为弱的负值,Hf同位素一阶段模式年龄介于1.1~1.4Ga之间,显示富集地幔源区特征。构造环境分析表明,辉长岩与火山弧玄武岩相似。综合前人研究认为,华夏地块早古生代存在一系列具典型弧火山岩特征的基性岩类,这对早古生代构造运动的认识具有重要的限定作用。

轴向激励下斜拉索大幅振动分析

针对大跨度斜拉空间结构的斜拉索大幅振动问题,考虑塔柱-拉索-空间结构协同作用,导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程。采用多尺度法研究拉索大幅振动的各种可能性,运用精细时程积分法数值求解振动方程。研究表明斜拉索自由振动时的振动特性与塔柱、拉索、空间结构三者之间的频率比,以及塔柱、空间结构对拉索所提供的初始扰动特性密切相关;塔柱振动对拉索的参数振动影响明显。若塔柱与空间结构的固有频率相近且远离拉索固有频率,拉索振动发散。若塔柱和空间结构的固有频率相近、且与拉索固有频率存在一定差别,拉索振动呈现“拍”的特点。若塔柱、空间结构与拉索三者的固有频率相互紧密靠近,拉索振动的位移幅值接近拉索的初始扰动值。

云开地块北缘构造混杂岩的岩石成因探讨

华南云开地块北缘的信宜贵子地区见大量变玄武岩与变沉积岩混杂产出。变玄武岩多以构造岩块或透镜体产出,地球化学以中等Mg#、富钠贫钾为特征,属亚碱性的拉斑玄武岩系列。轻稀土元素中等富集,无Eu异常,微量元素以富Nb、显著的Sr-Nb-Ta弱亏损为特征。143Nd/144Nd变化于0.512513~0.512655之间,对应的εNd(t)值介于2.89~4.90之间。构造环境判别表明,变玄武岩原岩可能为弧后盆地玄武岩。2个变玄武岩样品的锆石U-Pb年龄为1031±28Ma、1025±39Ma。变沉积岩基质以片岩、变砂岩和石英岩为主,表现为陆缘碎屑沉积特征。2个石英岩样品的碎屑锆石U-Pb年龄显示变沉积岩原岩具有~1.0Ga的物源峰,其最年轻锆石为777Ma和571Ma,原岩沉积时间大致为南华纪-震旦纪。本次研究认为,信宜贵子构造混杂岩是Grenville期弧后盆地玄武岩与新元古代晚期陆缘碎屑沉积物构造混杂堆积的结果,构造混杂的时间可能为奥陶纪-志留纪。

粤西新兴岩体的形成时代与成因研究:对古特提斯洋东支关闭时间的约束

华南板块南缘二叠纪与三叠纪之交的构造属性仍存在较大争议。对新兴岩体详细的野外调查和研究发现,新兴岩体的侵位时间为晚三叠世(240~224 Ma)而非侏罗纪,其主要岩性为细中粒—细粒斑状黑云母二长花岗岩。地球化学分析显示,新兴花岗岩具有高钾钙碱性、过铝质—强过铝质花岗岩特征,具轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的右倾稀土配分模式,富集大离子亲石元素(Rb、U)而亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf、Ti)。Sr−Nd、Lu−Hf同位素分析显示,新兴花岗岩εNd(t)值介于-11.5~-10.5,εHf(t)值介于-2.9~-10.3,具有壳源源区特征。本次研究表明,粤西地区印支期构造-岩浆活动可能开始于~250 Ma,华南板块南缘海西—印支期岩浆作用自晚二叠世(大容山岩体)一直延续到晚三叠世(新兴岩体),且晚三叠世仍存在强烈的岩浆活动。新的证据支持古特提斯洋东段分支的关闭时间在~250 Ma,而印支板块和华南板块的陆陆碰撞拼贴一直延续到240~224 Ma。

拉索-网壳结构的动力特性和非线性动力反应

将空间网壳结构与拉索有机结合便形成拉索 -网壳结构体系。该体系不但具有美学特征 ,更可进一步增大跨度。基于泰勒数学展开公式和变分原理 ,推导了具有二阶精度的空间杆单元几何非线性刚度矩阵 ;研究了拉索单元非线性问题 ,得出了其切线刚度矩阵 ;给出了结构非线性动力响应计算策略等。通过数值计算 ,分析了结构动力特性和非线性地震动力响应问题。计算结果显示 ,拉索 -网壳结构的自振频率皆明显高于对应的网壳结构 ,且频谱较为密集 ,甚至不同序号的自振频率几乎相同 ;拉索 -网壳结构的地震动力响应不但与拉索长度、截面尺寸、预张力和布置方式有关 ,还与塔柱高度。

空间结构三维风时程模拟及其小波分析

基于谐波叠加法和快速傅里叶变换提出改进方法,用于大跨空间结构的三维相关风速时程模拟。风速功率谱被分解为频率谱函数和相干函数;研究表明在空间三个方向上模拟风速功率谱皆收敛于目标风谱。小波分析在时域和频域上同时具有良好局部化特性。使用小波技术对模拟的风速时程进行时频分析,利用离散小波变换分解和重构风速时程,用小波系数描述风速信号特性。采用最大熵值法减少风速时程分析在时频域上的信息损失并提高效率。计算显示,改进方法速度快、精度高,弥补了传统手段模拟空间结构三维风速时程耗时冗长、精度低的缺陷,小波分析在风速时程分析中具有理想的可靠性和保真性。

大跨柔性空间结构风压和耦合风效应分析

研究大跨柔性空间结构的表面风压和流固耦合风效应。引入流体运动控制方程和大涡模拟湍流模式,提出风与结构的流固耦合方程的迭代求解过程。提出张拉索膜结构的加载预应力态、稳定态和耦合态等三个受载状态概念和统一形式的动力方程表达。以某典型索穹顶结构为例,采用以风时程为荷载的动力响应时程方法、单向耦合算法和双向耦合算法,开展结构风效应的数值计算和比较。研究发现,动力响应时域方法和单向耦合算法的结构平均位移计算结果基本相同,但前者的结构风振系数较大。双向耦合算法的结构平均位移计算结果小于前两种方法,但风振系数在三种方法中最大。