基于非结构化网格上的三维微幅自由表面流动非静压数值模型

建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型。一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程。模型中采用分步法,以使压力项分解为静水压力项和动水压力项来单独处理。在每一时间步,得到关于水位和由压力泊松方程得到的动水压力的稀疏的线性方程组。模型是质量守恒的和对于重力波速、风应力、底摩阻、垂向黏性无条件稳定的。通过三个非恒定微幅自由表面流动算例的数值解和解析解的比较,验证了本文所建立的模型能够准确有效的预测三维微幅自由表面流动。

一种简便的非交错曲线网格三维水流数值模型

在平面非正交曲线 ,垂向采用σ 坐标系统条件下 ,建立非交错网格变量布置的水深—流速迭代计算模式。由水深校正法求解水体自由表面和流速场耦合问题 ,为避免压力场波动 ,采用动量插值方法计算交界面处流速插值。运用该模式模拟了南京河段天然“S”型弯道三维水流流动。

非均质致密油藏三维地应力场数值模拟评价——以渤南油田Y176块为例

地应力是致密油气藏高效勘探开发的重要基础参数,渤南油田Y176区块致密油藏沙四上亚段断裂构造复杂和非均质岩石的力学性质导致区域地应力变化复杂。研究基于高精度三维层位、断层地震解释数据构建了区域三维地质模型,通过单井测井解释–井间地震体数据联合建模方法确定了非均质致密油藏岩石力学参数展布,进一步应用构造应变系数法开展三维地应力场模拟,结果与井点实测地应力大小、方向吻合较好。模拟结果表明:Y176块沙四上亚层段现今地应力数值呈西南低、东北高的分布趋势;油藏断裂构造和非均质岩性对局部地应力场影响显著,断块内及不同断块之间的现今地应力场差异明显。针对非均质性致密油藏的三维地应力数值模拟研究为渤南油田致密储层高效勘探开发提供了准确的三维地应力场数据。

三维非均匀脆性材料破坏过程的数值模拟

采用有限元方法模拟了三维非均匀固体材料的宏观等效力学性质和破坏过程．首先采用格形(lattice)方法把试件离散成三维均匀网格,在每个单元格中将材料按照均匀处理,根据给定的统计规则来确定不同单元格中的材料常数以反映材料的非均匀性．然后对非均匀脆性材料选用简单的本构关系与断裂准则,采用自适应选取载荷步长对试件进行加载,通过非平衡迭代技术对刚度矩阵进行不断修正,实现了非均匀脆性材料的弹性行为及破坏过程的数值模拟．在此基础上,通过数值计算研究了材料的非均匀分布对宏观等效力学性质和破坏过程的影响,给出了破坏全过程的非线性载荷－位移曲线以及不同载荷阶段的三维损伤破坏的演化图．

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。

一种建立低渗透油藏三维非均质流体模型的方法

低渗透储层物性差、非均质严重 ,储层内部油水分布、渗流规律各不相同 ,不同试验样品的相对渗透率曲线和毛细管压力曲线差别大。在油藏数值模拟研究中 ,用传统的一条或几条相对渗透率曲线来描述油田原始油水分布和含水上升规律不能满足模拟精度的要求。根据储层分类系数 ,应用样品毛管压力曲线、相对渗透率曲线和测井解释含水饱和度 ,提出了建立低渗透油田三维非均质流体模拟模型的一种新方法 ,并在实际模拟中得到了很好的应用。

具有复杂计算域的三维非静压流动数值模拟

建立了基于非结构化网格的表层静压假设的三维流动非静压数值模型。模型中采用半隐式分步法求解Navier-Stokes控制方程。运用满足自由表面运动学边界条件的水位演化方程来计算自由表面,动量方程中的对流项和水平扩散项采用Semi-Lagrangian方法离散。模型能有效求解正压的、斜压的、静压和非静压三维流动问题,并具有质量守恒、无条件稳定等优点。通过孤立波在缓变底坡上的传播和渤海潮流运动两个算例对模型进行检验,通过数值计算结果和实测结果的比较,验证了模型能够准确的模拟具有强三维流动特性的自由表面流动问题的能力和具有良好的复杂边界适应性。

矿井涌水量预测三维数值模拟

为了准确预测矿井涌水量,保障煤矿安全生产,以鄂尔多斯巴彦淖井田为例,采用地下水三维数值模拟理论和方法,通过对研究区水文地质模型的概化,建立了巴彦淖井田矿井涌水量预测的地下水三维非稳定流数值模拟模型,并结合矿井生产进度,以工作面月回采进度为单位,模拟预测了丰水期和平水期两种情况下,各工作面不同进度期地下水位分别疏降至2煤层底时的涌水量。结果表明:在前10个进度期内,工作面最大涌水量为1 328 m3·h-1,正常涌水量为1 134m3·h-1.实践证明:该方法不但能正确刻画矿井水文地质条件,而且还能将矿井涌水量预测和矿井生产进度紧密结合起来,具有较高的精度。

松原壅水坝工程库区左岸浸没预测三维数值模拟

针对平原区水库蓄水后引起的浸没问题,以松原壅水坝工程库区左岸浸没为例,在概化出库区左岸水文地质概念模型的基础上,建立了松原壅水坝工程库区左岸浸没预测的地下水三维非稳定流数值模拟模型,并采用有限差分模拟方法,按无防渗墙和长为4.05、8.05及12.05km3种不同防渗墙蓄水工况方案进行预测,获得了无防渗墙蓄水工况4-10月底逐月的和3种不同防渗墙蓄水工况8月底的浸没范围。计算结果表明:无防渗墙蓄水工况方案4月份浸没范围最小,总面积为127.62×104m2,随后逐渐增大;8月份浸没范围达到最大,总面积为1473.94×104m2,而后又逐渐减小;随着在潜水含水层沿库区左岸布置防渗墙的加长,浸没范围逐渐减小,但减幅不大。该研究可为今后水库蓄水引起的库区浸没模拟预测提供参考。

河流相储层三维流动单元模型建立——以孤东油田七区馆上段为例

应用流动分层指标法对孤东油田七区馆上段进行了流体流动单元的识别与划分,将孤东油田馆上段储层按其渗流能力划分为5种流动单元类型。在流动单元划分基础上,以沉积相为控制条件,利用基于目标的示性点过程算法,建立了一个注采井组的三维流动单元模型,通过流动单元模型与沉积微相模型对比以及油藏数值模拟方法的验证,说明流体流动单元三维模型更能反映储层的三维非均质性。

地下水流三维数值模拟中弱透水层初始水位的推求方法分析

弱透水层初始水位对地下水流三维数值模拟模型的计算结果有较大的影响,并且这种影响在模型运行的初始阶段表现最为明显。取上下相邻含水层水位平均值或以稳定流模拟结果作为弱透水层初始水位的方法可以在一定程度上减小赋值误差。

宁夏水洞沟水库三维水沙运移数值模拟研究

为了研究水洞沟水库的水沙运移情况。建立了三维水沙数学模型,采用非结构网格的有限体积法,对两种工况下水库的水沙运动进行了数值模拟研究,对三个典型层的流场、部分断面的流速分布及部分断面的河床高程进行了分析。结果表明:流场的模拟值符合水流运动的一般规律,即从底层到表层流速逐渐增大;断面流速的分布规律也是合理的;几个典型断面的河床高程的模拟值与实测值较为一致。从而说明建立的数学模型可应用于跟水洞沟水库类似的工业供水水库。

电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析

针对典型塑料方形扁平封装体PQFP在工作过程中的受热分析问题,基于热弹性力学理论建立了二维和三维有限元数值模拟分析模型.研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质.有限元数值模拟取得了与实验一致的结果.数值结果表明,采用较小弹性模量和热膨胀率的材料可以有效地减小热应力,基板和芯片的厚度是影响封装体变形的主要参数.数值分析结果为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据.

地下水库回灌补源的数值模拟研究——以山东省邹平县城北水源地为例

通过邹平县城北水文地质条件分析,建立了引黄补源条件下的邹平县城北地下水库补源模式数值模型,采用准三维非稳定流有限元法进行地下水库开发利用渗流场模拟,对地下水库在各种开采方案下的供水能力、流场演化趋势和资源优化开发模式进行预报评价。研究表明,坚持引黄补源,在保证总开采量平衡前提下,减少城东北地下水开采量,扩大渠网内地下水开采,将激发引黄渠道对地下水源地的补给、提高水源地效率、阻止城东北老开采区地下水位降落漏斗急剧下降。

丁坝结构对水流流态及床面变形的影响研究

通过实验和数值模拟相结合的方法研究丁坝周围紊流流动和床面变形特征。实验发现,有不透水丁坝时上游丁坝周围的局部冲刷比透水丁坝更深。研究建立了基于非结构网格的三维数值模型,并将数值模拟结果与实验测量结果进行了比较,结果显示出二者具有的良好一致性。研究结果对保护丁坝结构在流域治理中具有重要意义。

不同轴压/侧压下逐步开挖马蹄形巷道围岩分区破裂化数值模拟

基于空间局部化视角研究分区破裂化的发生机制。采用三维非均质应变软化模型,在逐步开挖和不同轴压与侧压之比条件下研究了马蹄形(U形)巷道围岩不同剖面和测线上剪切应变增量的分布特征。结果表明:U形巷道围岩的分区破裂化呈圆环形;分区破裂化可出在现掌子面的前、后方;在掌子面前方,随着远离掌子面,分区破裂化有所减弱,直至消失;轴压与侧压之比越大,分区破裂化越明显;在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化有所不同,这与不同剪切带的特征不同及发育不同有关;共轭剪切带的出现,会使分区破裂化变得复杂。启动于巷道表面的空间圆锥剪切面的充分发展产生了分区破裂化。

混流泵叶轮的三维反问题设计多目标优化

为进一步提高混流泵运行效率及高效区范围,本文对比转速为530的混流泵进行了综合优化设计。采用由反问题设计法、数值模拟、拉丁超立方抽样法、克里金模型和非支配遗传算法构成的综合优化系统,以叶片载荷为设计参数,以0.7Qdes和1.1Qdes处的泵段效率为优化目标。在累计探索10000种不同叶轮配置后,得到了最优配置集构建的帕累托前沿,并根据工程需求选取了适当的参数配置。结果表明:与原始混流泵模型相比,优化后模型在较大的流量范围内(0.7Qdes^1.3Qdes)泵段效率有明显提升。在设计点处,扬程基本不变,效率提高约4.2%。该方法具有良好的工程应用价值。

煤田矿井涌水量预测三维数值模型

针对煤田矿井涌水量预测的复杂性,以山西平朔安家岭井工矿为例,在概化出矿区水文地质概念模型的基础上,建立了安家岭井工矿矿井涌水量预测的地下水三维非稳定流数值模拟模型,并结合矿井生产,按矿井掘进工作面进行了平水期和丰水期两个方案的涌水量预测,获得了各工作面不同时期地下水位分别疏干到4#煤底和9#煤底的矿井涌水量。该方法将矿井涌水量预测和矿井的水文地质结构及矿井生产进度紧密结合起来,具有较高的精度。

基于三维非稳态模型的车载加油油气回收系统碳罐结构优化

以车载加油油气回收系统(ORVR)碳罐吸附过程的传质传热过程为研究对象,以正丁烷/氮气模拟挥发油气,采用固定床吸附实验测试和CFD数值模拟相结合的方法,结合物种转移模型、层流模型和多孔介质模型,建立了三维非稳态ORVR碳罐的数值模型,以穿透时间和温度为特征量,从腔体体积比和进出口直径两个方面对其结构进行初步优化设计。结果表明,吸附过程床层温度模拟值与实验值偏差率低于7%,双腔体体积比为5∶3时,ORVR碳罐吸附过程中温度升高值相比其他结构低0.9~1.6℃,安全性高;进出口直径为12 mm时,在吸附穿透时间和床层温度升温方面综合性能最好。本研究可为ORVR碳罐结构优化设计提供参考。

人工调控对地下水渗流影响研究

随着洛阳盆地偃师区城市规模的增加,洛河两岸工农业用水量逐年增加,并且主要依靠地下水源,致使河水量逐年减少,两岸地下水位下降,水源井出水量减少,河水位与地下水位脱离,形成了地下水降落漏斗,同时,产生了地面沉降等环境地质问题。偃师区陆续在洛河、伊河修建了多级水面工程,试图通过地表水的下渗补给地下水,而且经过渗滤过程净化水质。随着人工调蓄工程的运行,对地下水的补给量有所增加,地下水位逐步抬升,但同时也出现了地下水污染、地下人防工程淹没、建筑物变形、土地浸没等灾害。因此建立非均质三维非稳定流数学模型研究人工调蓄后地下水动力场变化特性以获取研究区内地下水的补、径、排关系,为地下水资源的开发利用提供参考的依据成为当地目前急需解决的科学问题。