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.

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.

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。

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.

基于软后坐技术的某自动迫击炮动力学分析

结合某自动迫击炮采用软后坐技术的特点,建立了炮闩浮动式自动机动力学仿真模型,通过连发射击数值模拟,对内弹道时期炮闩前冲击发过程、自动机运动规律及后坐阻力、迟发火造成的影响等进行了综合分析.结果表明,采用了与软后坐技术相匹配的技术措施后,该炮在正常射击时的后坐阻力可以控制在15 kN以下,迟发火时的最大后坐阻力被控制在25 kN以下,提高了软后坐技术在自动迫击炮上的应用效果.

Mike水流数值模拟模型在变电站防汛减灾中的应用

变电站建成后,随着周围基础设施的建设,下垫面条件发生了明显变化,须对当初的区域洪水水深设计参数进行复核。以官渡500kV变电站为研究对象,基于Mike软件,建立地表水二维水动力学数值模拟模型,对不同设计暴雨情况下洪涝水演进情况进行模拟计算;模拟计算出50年及100年一遇设计暴雨情况下,变电站附近区域内的洪涝水发生及演进过程,并针对站址现状提出相应的建议及措施。

基于空气动力学的极地重载甲板运输船烟囱的改进设计

本文针对某甲板运输船排烟易进入上建的问题,通过空气动力学计算对该问题的原因进行了探究和分析,结果表明钝型上建后部分产生的涡流将排烟向下吸,进而随空调入口进到船舶上建,通过提高排烟高度可以使烟气远离钝形上建后部分形成的涡流区,从而有效避免此类问题的发生。

旋流-静态微泡浮选柱旋流流场的数值模拟与试验测量

针对旋流-静态微泡浮选柱进行了气-液两相流非稳态数值模拟,分析了旋流单元的流动特征及矿化方式,然后采用2台高速动态摄像机连用的方法,进行了气泡、颗粒在旋流流场下的三维运动轨迹及碰撞行为的测量,得出了与数值模拟相一致的结论。主要结论如下：在旋流单元,气、液两相的流动均以切向运动为主,锥上区域具有向心和向上的趋势,锥内区域具有离心趋势,锥下区域液相旋流向下运动;气、液两相具有轴向和径向速度差,切向速度虽然不具有明显相间速度差,但其在径向上的梯度极高;锥内区域气含率最高,在10%-13%,锥下区域气含率小于1%。旋流单元的分选作用以分离尾矿和分选中等粒级矿物为主,气泡与颗粒的矿化方式体现为绕轴心旋转过程中发生的轴向与径向的＂逆流碰撞＂,锥下区域不具备矿化条件,旋流强度是影响该单元分选和分离效率的重要因素。

轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟

利用轴对称PIC模型对轴承滚珠等离子体浸没离子注入(PIII)过程进行了数值模拟,对归一化电势的扩展情况进行了研究。在滚珠批量处理过程中,为了避免相邻滚珠周围鞘层的相互重叠对注入均匀性造成不良影响,对滚珠在靶台上摆放的最小距离进行了数值计算,计算结果表明:在电压为-40kV,氮等离子体密度为4.8×109cm-3,脉冲宽度为10μs时,滚珠摆放的最小距离应大于34.18cm。分析了滚珠圆周方向注入剂量的分布情况,针对静止滚珠改性处理后剂量分布很不均匀的问题,通过旋转靶台使滚珠注入均匀性明显得到改善。利用朗谬尔探针测量了滚珠周围鞘层扩展的情况测量,模拟结果和实验测量结果相吻合,最大相对误差小于8.4%。

弹性壁兔颈动脉狭窄模型的建立及切应力数值模拟

目的建立弹性壁兔颈动脉狭窄模型并分析一个心动周期中狭窄动脉内的壁面切应力分布和变化。方法采用显微缝合法建立弹性壁兔颈动脉狭窄模型,多普勒超声和DSA分别测得狭窄血管影像并计算狭窄率,应用计算机流体力学软件Matlab、Ansys、Fluent对狭窄动脉内一个心动周期的血流动力学变化进行可搏动的二维血流动力学数值模拟。结果成功建立弹性壁单侧兔颈动脉狭窄模型并模拟一个心动周期中的切应力(WSS)分布和变化。WSS在收缩中期时最大,在狭窄处及狭窄远心端分别形成高WSS和低WSS区。一个心动周期中狭窄处WSS变化最大,狭窄远心端WSS变化最小。随狭窄率增加,狭窄远心端WSS减小并逐渐趋近于0。结论数值模拟能够较好的反应颈动脉狭窄的WSS分布和变化,为临床提供理论依据。

采空区自燃危险区域数值模拟

为了准确划分采空区自燃危险区域,运用现场采空区热电偶监测和束管检测,得出采空区内进风巷一侧的温度及氧气体积分数的分布规律;采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟技术,利用相似原理建立了不同孔隙率下的采空区三维立体数学模型,并运用灰色关联理论将不同孔隙率下的模拟结果与现场实测数据进行关联性分析。结果表明:当采空区孔隙率为类型2时,与现场的氧气体积分数分布耦合度最高,关联度为0.9000;依据该数值模拟结果的氧气体积分数分布划分了采空区自燃危险区域,该区域为双弧形区域,处于采空区距工作面进风侧30~80 m,回风侧10~40 m处。

面向新一代神威超级计算机平台的大气动力学问题全隐式求解器研究

大气动力学问题的数值模拟在气象预报等领域具有广泛的应用.相关数值模拟依赖超级计算机平台实现高精度高分辨率的气象预报,隐式求解不受稳定性条件限制,相比显式求解更有优势.面向新的超级计算机架构特征研究隐式大气动力学问题中一系列算子操作的并行和优化方法是非常有必要的.本文在规则递推关系的理论框架下对大气动力学问题预条件阶段的稀疏三角回代求解以及ILU矩阵分解操作的特征进行了总结,并结合申威26010Pro处理器的架构特点,对现有结构化稀疏三角线性方程组问题的并行算法进行了推广,设计了一套面向单向规则递推关系的算法框架,解决了预条件阶段各类算子的并行加速问题.本文还面向申威26010Pro处理器对大气动力学问题的模板计算等算子进行了移植和优化.实验结果显示,本文的算法框架对预条件阶段的算子能够实现26-33倍不等的加速效果,对模板计算等算子的优化相比串行计算有10-152倍的加速比.在新的神威超级计算机上最大测试到1700多万核心,浮点性能达到20.5PFlop/s.在大规模测试条件下的强(弱)可扩展性维持在56.81%(41.87%)以上.

界面活性剂溶液内部结构和流变特性模拟(英文)

对在稳态剪切流下的一种稀疏界面活性剂溶液进行了布朗动力学数值模拟。棒状的界面活性剂胶束粒子被假定为由圆球线性连接而构成的刚性棒。本文引进了一种新的势作用模型来描述胶束粒子间的相互作用,利用Lennard-Jones势函数来描述棒端部球之间的相互作用,而采用软球势函数来描述棒内部球之间的相互作用。在低剪切率条件下,胶束粒子在端部相互连接而形成网状结构。随着剪切增大,网状构造遭到破坏,胶束粒子趋向与剪切流方向平行。这种溶液微结构随剪切率变化关系导致了溶液剪切粘度和第一正应力差系数的剪切稀化现象。此外,还考察了溶液浓度对剪切粘度和第一正应力差系数的影响。结果表明,剪切粘度和第一正应力差系数均随溶液粘度的增加而增加。

风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能

为定量评价雨荷载对超大型冷却塔气动力和风效应的影响,以国内某在建世界最高的220m超大型双曲线间接空冷塔为例,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)方法对冷却塔周围风场进行数值模拟,验证模拟结果的有效性后添加离散相模型(discrete phase model,简称DPM)进行雨强为50mm/h的暴雨模拟,系统分析了风雨共同作用下冷却塔表面流体绕流特性、风雨荷载特征值及平均压力系数的变化。在此基础上,采用有限元方法分析了风荷载和风雨荷载共同作用下超大型冷却塔风致稳定性和受力性能。研究表明:冷却塔表面所受总雨荷载占总风荷载的6.71%,部分区域内雨压系数可达0.07以上,与风压系数的比值最高可以达到26.98%;相比于风荷载,风雨荷载共同作用降低了冷却塔整体屈曲稳定和局部稳定性能,增大了塔筒、支柱和环基结构内力响应,屈曲位移最大增量达10%,0°子午向轴力最大增量达17.4%。该结论可为此类大型冷却塔结构抗风/雨荷载设计提供参考依据。

《中小尺度动力学与数值模拟》思政课程教学改革探索

《中小尺度动力学与数值模拟》是大气科学专业的基础核心课程,是保证气象预报任职教育质量的重要环节。本文重点阐述了《中小尺度动力学与数值模拟》课程的教学意义和教学现状,并就此提出了采用实践教学和案列教学的教学方法,并与思想政治教育理论课程结合,找到适合的改革路径,使学生更好地掌握《中小尺度动力学与数值模拟》原理,提高专业人才培养质量。

建筑物风环境三维定常数值仿真

针对建筑物的风环境问题 ,采用计算流体动力学CFD软件对两幢建筑物进行了数值模拟 ,得出了建筑物的风场分布 ,以及风载的分布规律 ,结果表明 ,气流在来流方向第一幢建筑物的顶部、两侧的前沿产生分离 ,建筑物之间产生强烈的漩涡 。

华北克拉通非均匀破坏的动力学原因:来自地震学和地球动力学的约束

关于华北克拉通破坏的原因和机制,学术界目前普遍接受的观点是由古太平洋板块俯冲及其触发的地幔流动、熔/流体的强烈交代改造导致,但其具体的动力学作用过程还不明确,是现阶段克拉通破坏研究的主要内容.文章总结了华北克拉通地区密集地震台阵探测获得的深部结构图像和地球动力学数值模拟实验结果,获得以下认识:华北克拉通下方地幔转换带的纵、横波速度及速度比扰动的小尺度空间变化特征是太平洋板块存在非均匀脱水的证据;俯冲板块引发了地幔转换带的湿上升流,导致克拉通下方上地幔熔/流体的非均匀分布,在地震波速度上表现为小尺度异常分布特征;密集地震台阵探测揭示上地幔速度结构和变形的非均匀特性,是华北克拉通岩石圈变形的应变集中效应和非均匀分布熔/流体破坏岩石圈的综合作用结果.如果大洋板块俯冲非均匀脱水、熔/流体非均匀分布在早白垩世就已经发生,那么它与华北克拉通岩石圈地幔之间的相互作用可以是华北克拉通非均匀破坏的动力学机制.这个推测对于进一步协调和解释华北克拉通地区多学科观测证据具有重要意义.

直筒-锥段型钢结构冷却塔平均风荷载及静风响应分析

作为一种新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔的动力特性和风致受力性能亟待研究。以国内拟建的某超大型钢结构冷却塔(189 m)为例,基于有限元方法分别建立主筒、主筒+加强桁架、主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)、主筒+加强桁架+附属桁架(固接)四种钢结构冷却塔模型,并对比分析其动力特性及传力路径;然后基于计算流体动力学(CFD)技术进行直筒-锥段型冷却塔表面平均风荷载数值模拟,有分别加载规范和数值模拟风压对四种模型进行风致响应分析,对比研究增设加强桁架、附属桁架及与主筒和地面不同连接方式对直筒-锥段型钢结构冷却塔动力特性和静风响应的影响。主要研究结论可为我国此类超大型钢结构冷却塔的结构选型和抗风设计提供依据。

人体组织液定向流动与经络

关于人体经络本质的研究发现了许多新的现象,如在穴位注射放射性核素标记的小分子可观察到物质沿和古人描述的经络差不多的经线迁移,人们不仅得到了这样迁移的图像,而且还测量到了迁移的速度。但对这种循经的物质迁移一直没能从理论上给予解释。通过对人体小腿段胆经和胃经“地”的位置巨微解剖观察发现,经络线位置的骨间膜腓侧和胫侧的血管自上而下呈不均匀分布,在穴位区毛细血管密集,且在穴位和经线上的毛细血管排列呈与经线平行状,根据这一解剖事实,建立了一种毛细血管血浆与组织液交换的血液动力学模型,通过对模型的数值模拟发现,在这样的解剖结构下,组织液能产生一种定向的流动并在毛细血管密集的穴位区获得加速,并不断接力构成一条与经络线相吻合的流线。在这种流线上物质可以定向输运,计算表明在生理状态下这种输运的速度为数厘米至数十厘米每分,这和实验观察到的循经感传速度及放射性核素循经迁移速度相一致。进一步的研究还发现组织压力增高、动脉压改变以及血管壁通透性的变化都会影响流速,这和人体经络的特征是相符合的,为解释经络的科学机理提供了一种新的理论和方法。