基于两相介质理论天然气水合物超声探测分析

针对海底裸露的块状天然气水合物的超声波识别探测问题,提出基于双相多孔介质理论的天然气水合物声场计算方法。对“海水-天然气水合物”模型进行超声波传播特性的仿真分析,并研究相关参数对天然气水合物吸收特性的影响规律。研究结果表明:当超声波频率设置为20 kHz以上时,天然气水合物的声波吸收系数随着频率的增加而增加;天然气水合物的饱和度越高,固相平均密度越小,吸收系数越高;孔隙度越高,吸收系数也越高;而同一入射频率下,孔隙大小对吸收系数的影响则相对有限;同一入射频率下,入射角度越大,吸收系数越小,当入射角度大于60°时,几乎不能获得含有有效信息的回波信号。

基于多孔介质理论的35kV油浸式变压器热点简化计算

低电压等级的油浸式变压器绕组往往由漆包圆线绕制而成,其温升及热点的准确计算需要考虑漆包圆线间的缝隙对油流及温升的影响,而精细建模时建模工作量和数值计算量都非常大。针对这一问题,提出将多孔介质理论应用于油浸式变压器简化建模的思路。首先验证了多孔介质理论应用于油浸式变压器热点计算的有效性。其次,基于多孔介质理论建立35 kV油浸式变压器绕组的简化模型,采用Fluent软件计算出其温升热点分布。最后将变压器的多孔介质理论简化模型所得的仿真结果与光纤测量结果进行对比。结果表明仿真与实验的热点温度误差在4℃以内,热点位置与实验结果保持一致,验证了多孔介质理论简化模型计算方法的准确性。多孔介质理论的应用为大规模变压器3维流-热耦合提供了新的计算思路,有助于工程实际中变压器热点温度的简化计算。

基于多孔介质理论的径向非均质饱和土-圆形隧道衬砌稳态响应研究

考虑土体液相、施工和地应力等对隧道周围土体的影响,将隧道周围土体看作非均质饱和土,假设固相剪切模量沿径向变化。采用多圈层模型,将隧道周围饱和土划分为未扰动区域饱和土和扰动区域饱和土,扰动区域饱和土又划分为多个薄层同心环。求解了未扰动区域饱和土和各圈层饱和土的稳态解,得到了扰动区域饱和土外边界与内边界处固相位移、液相径向位移和固相径向应力之间的传递矩阵。将圆形隧道衬砌视为弹性介质,利用弹性动力学理论,得到了圆形隧道衬砌的径向位移和径向应力。考虑问题的接触面处的连续性条件和边界条件,得到了径向非均质饱和土-圆形隧道衬砌稳态响应的解析解。数值算例表明:饱和土固相径向位移和径向应力随频率变化曲线存在较为明显的波峰和波谷,且在Rω/v=1.0附近存在一定的突变。影响区域剪切模量比和剪切模量沿径向的变化规律,对非均质饱和土-圆形隧道衬砌的稳态响应有较大的影响,非均质特性和液相对饱和土-圆形隧道衬砌系统动力特性的影响,不能被忽略.

基于双相介质理论流体识别技术研究与实践——以涠西南凹陷涠洲组油藏为例

涠西南凹陷主力含油层系为涠洲组。长期以来,针对涠洲组流体识别准确度仅约25%,流体识别低准确度的问题制约了油田滚动勘探成效。为解决涠洲组流体识别难题,本研究基于双相介质理论(BIOT理论),并结合涠洲组油藏含油饱和度变化规律及已钻井油藏流体饱和度参数,开展了不同饱和度下油层、水层地震振幅随频率变化的响应特征研究。研究结果表明,随着含油饱和度增加,分频地震振幅大小及振幅随频率变化的梯度呈现明显增大趋势,并基于此建立了双相介质理论油水识别技术。利用该技术对涠洲组多个目标进行流体识别,并根据流体识别结果对钻井靶点选取、井位侧钻提供有效指导。勘探实践证明,采用双相介质理论油水识别技术可将流体识别准确度提高至65%,极大地提高了勘探成效。本次研究成果不仅丰富了流体识别技术手段,还在勘探部署方面具有重要的指导意义。

基于多孔介质理论的岩土工程注浆加固技术探讨

岩土工程是土木工程的重要分支,涉及到各类建筑物与基础设施的建设安全与稳定性。在众多岩土工程问题中,地基的稳定性和承载力是决定项目成功与否的关键因素之一。多孔介质理论作为连接宏观地质结构与微观流体运动的桥梁,为注浆设计提供了更为精确和科学的理论依据,对于提高岩土工程的安全性、经济性和环境适应性具有重要意义。本文旨在探讨多孔介质理论在岩土工程注浆加固技术中的应用,深入研究注浆加固对岩土体物理力学性能的改善效果。

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

新建隧道下穿既有隧道施工时,由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响,地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛,基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系,对传统随机介质理论进行了简化和改进;应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法,对非均质地层和既有隧道进行了等效处理,提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型,结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明:与传统随机介质理论相比,预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点,与数值计算及现场实测结果的关联度更大,具有更高的合理性和准确性,为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。

基于等效介质理论的页岩声波数值模拟方法研究

声波数值模拟对于页岩各向异性特征研究及大斜度井页岩声波校正研究均有着十分重要的意义。为了研究页岩声波各向异性特征,基于等效介质理论构建了由泥质层、砂质层组成的页岩等效模型,从弹性理论出发,推导出等效页岩模型刚度系数、声波波速计算方法,分析了纹层弹性参数、纹层厚度、纹层角度、纹层密度等对等效页岩模型刚度系数和弹性波速的影响。研究表明:泥质层与砂质层厚度比会影响等效介质刚度系数;等效页岩模型刚度系数值随弹性参数比的增加而增加;泥质层的拉梅系数会影响纵波波速与纹层角度关系、横波波速极值,对SH波没有影响;声波波速随泥质层的剪切模量或弹性参数比的增加逐渐增加,且剪切模量对3种波速与纹层角度的关系均有较大影响;纹层密度一定时,随着纹层角度增加,纵波波速逐渐降低并趋于稳定,横波波速先增加后降低,SH波速逐渐降低;纹层角度一定时,3种波速均随纹层密度的增加逐渐降低。研究结果对页岩声波数值模拟方法及声波测井校正方法具有指导意义。

基于随机介质理论的热障涂层随机孔隙模型构建

基于随机介质理论、采取统计学方法,将热障涂层(TBCs)中孔隙和裂纹引起的局部密度和弹性模量起伏用空间自相关函数及某些统计参数来描述,借助极值搜索法对连续随机介质模型进行改造,并针对涂层孔隙率及各向异性取向等进行模型参数优化,提出并建立了TBCs随机孔隙模型。将模型模拟结果与ZrO2涂层SEM观察结果进行对比表明,所建立的模型能够较好地描述热障涂层中的孔隙、裂纹形貌特征。本研究对于确定TBCs孔隙特征与涂层性能的理论关系以及涂层性能计算研究具有较大意义。

缝洞型碳酸盐岩油藏介质理论

岩心测试结果表明，塔河缝洞型碳酸盐岩油藏基岩块中微裂缝发育，在长度约5am的岩心中明显可见微裂缝约5～20条，微裂缝交替成网络状分布，但充填程度较高。74％的岩心渗透率低于0．1×10^-3μm。26％的岩心渗透率分布在0．1×10^-3～5×10^-3μm^2之间，孔隙度分布在1％。2％范围内。CT显示基岩块中微裂缝发育，薄片资料显示在岩心内部存在极少数粒间孔、溶蚀孔。NMR测试平均可动流体饱和度为30．17％，可动流体主要存在于微裂缝之中。岩块的渗储能力主要由基岩块中的微裂缝贡献。基于对储层的认识，微裂缝发育的塔河碳酸盐岩油藏基岩块可以视为一种微裂缝为储渗空间的等效连续介质。以该等效连续介质为基础，可与主裂缝系统构成双重介质模型，或与主裂缝、溶洞系统构成复杂介质模型。

基于随机介质理论的浅埋偏压隧道沉降预测

研究目的:在偏压地形中,隧道开挖引起的地层损失可能导致倾斜地表和水平地表的沉降或隆起,造成地层及地面上建筑物发生不均匀沉降,影响建筑物的安全,因此有必要对隧道开挖引起的地表竖向位移进行估算与分析。研究结论:(1)论文基于随机介质理论,推导了浅埋偏压盾构隧道开挖地表沉降公式;(2)通过理论推导修正了地表沉降公式计算所需的断面收敛区域U'-V';(3)计算过程中,为简化计算,采用极坐标改进了倾斜地表和水平地表沉降公式;(4)浅埋偏压条件下,倾斜地层坡度α≥45°时,位移变化速率明显加快;此外,地表竖向位移最大值同开挖单元深度与沉降半径之比呈现出一种线性关系;(5)隧道轴线到斜坡表面的垂直距离d<3.5R时,地表竖向位移变化也会加快,所以隧道修筑应尽量选择在d≥3.5R的位置;(6)该研究成果可为浅埋偏压隧道开挖的地表位移预测提供一种新途径,为地表位移控制提供技术支持。

随机介质理论确定黄土暗穴引起的地表变形

根据随机介质理论,采用概率统计的方法,对中国西部黄土地区的圆形、椭圆形及拱形断面暗穴进行了模型概化,并以圆形断面暗穴为例,分析了其对地表造成的不均匀沉降及影响范围。得出了暗穴参数与不均匀沉降及影响范围之间的关系曲线。由给出的3种简化计算模型,可计算任意埋深下的暗穴在地表面所引起的沉降,其结果可作为公路设计和工程防护的参考。

工程电介质理论的回顾、思考及对策

回顾了在热力学（唯象理论）、统计力学、量子力学及固体物理等理论的基础上所建立的单相均匀介质的微观（电子、原子、离子、分子等）结构—宏观（介电、导电、击穿、老化等）性能之间的相互关系。由于工程电介质常用的高聚物绝缘材料是一类软物质,结构上具有极宽（10^-10-10^-3m）的空间尺度,运动单元和运动形式也有极宽的松弛时间谱（10^-10~10^-4s）,同时为了改善单相材料的宏观性能,优化在不同外界因素作用下材料的综合性能,常采用多相复合电介质,其微观结构在空间上极为复杂,且运动时间尺度也极为广泛。因此,依据物理学的还原论和层展现象,提出了要建立这类材料的介观结构—宏观性能之间的相互关系,要从材料微观尺度与短时的破坏建立（或外推）出它的寿命目前仍有许多问题有待解决。并首次提出了如何从时空层次去深入理解和控制材料宏观性能的新概念。

放矿随机介质理论移动概率密度方程研究

建立了散体移动概率模型,通过分析放出体形态得出了散体颗粒移动迹线表达式,指出颗粒移动迹线上任意两点横坐标之比等于对应层位方差之比,是随机介质放矿理论的一条重要性质,否则概率场与散体移动场、速度场无法统一,推出了膨胀散体和无膨胀散体移动概率密度方程,各项参数物理意义明确,其结果更符合实际散体移动场.

基于散体介质理论的砂土管涌机制研究

结合小比尺细观模型试验,利用基于散体介质理论的颗粒流方法,考虑流固耦合作用,对砂土管涌的发生发展过程进行模拟。模拟方案跟踪记录管涌发展过程中砂样的孔隙率、流速、颗粒接触数、移动轨迹和流失量等参量的动态变化过程。分析结果表明:管涌发展过程中,随着水头增加,颗粒逐渐流失,砂样孔隙率增大,透水性能发生变化,进而影响系统的流速和水头的反应,揭示管涌发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性;颗粒流失量沿渗流方向呈逐渐减小趋势,管涌发展过程中颗粒移动轨迹随机,渗漏通道形成也具随机性,是复杂水土相互作用的结果。颗粒间接触数的剧烈波动揭示管涌发展过程中细颗粒运动剧烈,与粗骨架颗粒进行不断碰撞、分开,而颗粒的流失基本上不影响整个土体的应力场。模拟结果与有关的模型试验结果较吻合,一定程度上验证了该数值方法应用于大变形和流固耦合问题研究的可行性和合理性,所揭示的结果有益于砂土管涌机制的更深入研究。

基于随机介质理论的隧道冻结期地表冻胀预测方法

隧道人工冻结施工期地层的冻胀现象会对工程周边环境产生不良影响,合理的地表冻胀预测方法对隧道冻结设计和施工具有重大指导意义,并可降低冻结法应用的成本和风险。为此,提出在隧道水平冻结期,冻结壁交圈前,地表冻胀位移由多个独立冻土柱的叠加冻胀效应引起;冻结壁交圈后,地表冻胀位移则由整个冻结壁的冻胀效应引起。并指出冻结壁交圈前的温度场可由单管冻结理论近似求解,冻结壁交圈后的温度场则由平板冻结理论近似求解。在此基础上,基于单管冻结理论、平板冻结理论和土体冻胀率计算公式,考虑冻结壁的形成过程,采用随机介质理论,建立隧道水平冻结期地表冻胀的预测方法。将该预测方法应用于实际工程案例中,通过与现场实测结果的对比分析,验证预测方法的实用性和可靠性。

随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用

将盾构法施工隧道开挖引起的地表下沉以及盾构挤压引起的地表隆起均视为一随机过程,应用随机介质理论,对隧道施工所引起的纵向地表沉降进行了分析,推导出了相应的计算公式。工程实例分析表明,该方法效果良好,具有一定的实用价值。

基于随机介质理论的软土路基注浆位移计算方法

为计算软土路基注浆因挤土作用而引起的土体位移,基于随机介质理论和浆泡的顶部位移大于底部位移的非均匀扩张模式,分别推导单孔和多孔注浆时浆泡非均匀扩张引起土体位移的计算式;依据地表变形实测值、浆泡扩张形态特征,采用模拟退火遗传算法求解浆泡非均匀扩张模式的参数。与试验现场实测值的对比表明：在地表以下30m进行注浆,地表竖向变形计算值的差值在0.3～1.6mm,距离注浆孔20m范围内的地表竖向变形计算值的误差不超过20%,地表以下土体水平位移的计算曲线与实测曲线接近,不同断面处土体水平位移的计算曲线也与实际规律一致,说明利用该计算方法可对软土路基注浆引起的土体位移进行预测。

基于随机介质理论的大型泥水盾构施工地表变位预测及控制

给出了采用随机介质理论计算隧道施工引起地表位移和变形的公式及相应参数反分析方法.结合上海长江隧道超大型泥水盾构推进工程,采用随机介质理论对上行线隧道穿越民房段前试验段的地表沉降监测数据进行了计算分析.预测了2条隧道单独及共同施工引起的横向地表变形和位移,评估隧道施工对周围环境的影响程度及分析了地表变位主要影响因素,据以合理地制定了民房段施工地表变位控制措施(包括泥水压力、同步浆量和推进速度).通过实例分析证明了预测方法和控制措施的科学性和有效性,具有一定的实用价值.

注浆抬升位移的随机介质理论预测方法

根据随机介质理论,浆泡由许多无限小的微元组成,假设浆泡膨胀对地表的影响可以等效为许多微元体膨胀对地表的影响总和,土体抬升量等于注浆前与注浆后浆泡引起的地表抬升值之差,建立了单孔注浆抬升量的随机介质预测模型;假设多孔注浆抬升位移为单孔注浆抬升位移的线性叠加,建立了多孔注浆抬升量的随机介质预测模型。数值模拟、现场实测结果与理论预测结果的对比分析结果表明:单孔注浆的随机介质理论预测模型可以有效地预测地表抬升位移,多孔注浆的随机介质理论预测模型与实际结果有一定的偏差,但满足工程应用要求。

有效介质理论对致密内混合粒子光散射适用性

利用离散偶极子近似法和Bruggeman有效介质理论，研究了含有黑碳和硫酸盐两种成分的内混合致密气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1~25时的光学特性，并通过分析比较两种算法计算光学特性的差别研究了有效介质理论对致密内混合粒子光散射的适用性。对单分散系，有效介质理论在瑞利散射区具有较好的适用性，能较好地被用来近似计算内混合粒子的消光、吸收、散射、后向散射效率因子、不对称因子、消光后向散射比和单次散射反照率，相对偏差皆在7%以内；而有效介质理论在米散射区的适用性较差，相对偏差最大可分别达到25%、88%、66%、5000%、42%、1100%和47%，但当内混合体所含的内核较小（体积比1%以内）时仍可以近似使用。在粒子尺度参数大于4时，有效介质理论基本上会低估散射效率因子，却会高估吸收效率因子和不对称因子。而对多分散系，有效介质理论能近似用来计算各光学参量，相对偏差在9%以内。