考虑热-化学耦合的NEPE推进剂固化过程数值模拟

采用热-化学耦合模型表征热传导和固化动力学反应,利用物理试验测定硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂在不同固化度下的热参数和密度,研究了NEPE推进剂药柱在固化过程中温度场和固化度的分布和演变规律。结果表明,因推进剂固化反应的生热速率与外界热量传递速率存在差异,导致固化过程中出现内部温度场和固化度场分布不均匀的现象。固化时间为1~4 d时,药柱中心位置的温度较高(最高57.6℃),外侧较低;固化时间大于等于5 d时,药柱温度场慢慢与环境温度(50℃)趋向于平衡。推进剂固化度-时间曲线近似为“S”型,固化时间小于1 d时和大于4 d时,固化速率缓慢;固化时间2~4 d时,固化速率快。固体发动机的m数对推进剂固化温度和固化速率有一定影响,m数越大,推进剂的最高温度越高,同时温差也越大,温度差会导致推进剂药柱内部固化速率产生差异,造成推进剂达到指定固化度的时间变长。

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法．固相位移、应变和净应力; 孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度;多相混合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式,导出了单元公式．采用共旋公式进行几何非线性分析．数值结果证明了所提出的单元模拟以应变局部化为特征的渐进破坏的能力．

软土地层明挖隧道渗流-卸荷耦合力学特性分析

针对珠三角地区地下水位高、粉细砂地层厚,软土明挖隧道深基坑工程施工开挖过程存在明显渗流-卸荷耦合力学特性等工程技术问题,提出了基于Duncan-Zhang非线性本构模型的基坑工程渗流卸荷耦合力学有限元分析方法,并基于室内GCTS真三轴卸荷力学试验方法获取土体卸荷力学参数与Duncan-Zhang模型参数。在此基础上,利用Midas GTS有限元分析软件,对珠三角某城市下沉式公路隧道施工力学特性进行数值分析模拟,并通过现场施工监测成果验证其合理性。

渗透系数对渗流速度影响的热-水-应力耦合二维有限元分析

使用建立的饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性模型,取一组真实的缓冲材料、岩体及贮存容器(用加热器代替)的物理力学指标作为基本计算条件,以一个假想的核废料处置库为模拟对象,就高、中、低3种渗透系数进行了二维有限元数值分析,考察了近场的渗流速度大小及方向的变化,认识到:在其他计算参数相同的条件下,缓冲材料的渗透系数越高,近场的渗流速度越大,缓冲层达到饱和状态也越快;当缓冲层达到饱和状态后,如果玻璃固化体继续放热,有可能使得近场的温度梯度的作用强于水力梯度的作用,导致渗流速度方向发生逆转,即水分由内向外迁移;依渗透系数不同,其渗流速度的大小、方向有显著差异,这也势必引起放射性核素随地下水流动扩散的复杂多变。

渗流-应力-化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

为研究渗流-应力-化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流-应力-化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流-应力-化学耦合作用机制。

单裂隙花岗岩在应力-渗流-化学耦合作用下的试验研究

通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研究方法.详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展.阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架.作为典型特例,针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.建立了化学-力学耦合系统的有限元列式,得到了一维化学-力学耦合问题的解析解,并通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用.最后,展望了智能软材料多场耦合问题的未来研究重点和发展趋势.

稠油油藏热-流体-力学耦合模型研究及应用

在稠油油藏开发中,由于原油黏度高一般采用注蒸汽开采。基于连续介质力学理论,考虑了热对流的影响,建立了蒸汽注入条件下对地层压力、变形和有效应力定量评价的改进的热-流体-力学耦合数学模型;应用全隐式顺序Galerkin有限元数值解方案对注蒸汽井热-流体-力学耦合过程进行了数值模拟。计算结果表明,由于地层流体高温膨胀引起的高压力,会导致位移、变形,甚至地层结构破裂;温度对地层破裂形态的影响显著。研究表明,这个改进模型比传统模型更加准确、实用,可以用于蒸汽注入速率优化和油藏、地质、热-流动力反应、地应力水平等综合作用效应研究。

3,3-二叠氮甲基氧丁环与3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物的嵌段共聚物热分解机理及非等温裂解动力学分析

3,3-二叠氮甲基氧丁环与3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物的嵌段共聚物(BAMO-AM-MO)是一种含能黏合剂,为了解其受热分解机理及分解动力学情况,采用DSC法、TG-DTG法、固相原位池-FTIR联用技术和DSC-TG-MS联用技术探讨了BAMO-AMMO的热分解过程及机理。研究结果表明,BAMO-AMMO受热分解主阶段为叠氮基团分解,释放出N2,裂解过程中形成亚胺中间体,并放出大量的热,放热量为1 663 J/g.同时,由于叠氮基团分解引起其他基团的重排,而引起共聚物的深度分解。采用程序升温(升温速率为2.5、5、10、20℃/min)的DSC数据,根据非等温动力学方程Kissinger法、Ozawa法和Coats-Redfern法计算了BAMO-AMMO受热分解主阶段的非等温反应动力学参数。获得BAMO-AMMO分解主阶段的表观活化能为164.2 kJ/mol,指前因子为1014.14 s-1.计算结果表明,BAMO-AMMO受热分解具有局部化学反应特征,其分解动力学服从Avrami-Erofeyev成核与生长(n=1.5)过程。受热分解非等温动力学方程可表示为dα/dt=2.071×1014 exp(-1.975×104/T)(1-α)[-ln(1-α)1/3].

压力溶解和自由面溶解/沉淀对双重孔隙岩体中热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的压力溶解和自由面溶解/沉淀模型,针对一个假设的位于饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定3种计算工况:(1)裂隙开度是压力溶解和自由面溶解/沉淀的函数;(2)裂隙开度仅随压力溶解而变化(这2种工况中基岩的孔隙率亦是应力的函数);(3)裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察岩体中的温度、裂隙开度及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。结果表明:自由面溶解/沉淀引起的裂隙开张及渗透系数增量的绝对值要明显大于压力溶解产生的裂隙闭合及渗透系数减量的绝对值,而压力溶解对裂隙的开度及其渗透系数的影响较小;同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀相比于仅考虑压力溶解,同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀的裂隙开度及其渗透系数分别约为仅考虑压力溶解时的1.5和7.0倍;在释热温度场的作用下,计算域中的裂隙水压力随时间先上升再下降,但变化幅度不大;3种工况下岩体中的应力量值及分布差别很小。

饱和-非饱和介质热-水-应力耦合二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵开始,使用Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和-非饱和介质热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置的热-水-应力耦合问题进行数值计算,在定性上验证了本程序的正确性。

不连续面对饱和-非饱和介质热-水-应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手,利用Galerkin方法,对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,建立了用于分析存在不连续面的饱和–非饱和介质中的热–水–应力耦合弹塑性问题的有限元模型,并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例,表现了由于存在渗透系数很大的不连续面,推迟了缓冲材料达到饱和的时间,并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。

热-水-应力耦合条件下三项因素对核素迁移影响的有限元分析

目前在放射性核素随地下水迁移的研究中还很少涉及温度场和应力场的影响。针对这一问题,引入渗透迁移方程,将所开发的饱和—非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。对一个假想的核废料处置库算例,通过分别改变影响地下水中核素迁移的3个因素:渗透系数、分配系数和分子扩散系数,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场放射性核素浓度的分布及变化,从而认识到:当缓冲层的渗透系数小到一定程度后,缓冲层中核素迁移基本不再受渗流场的影响;缓冲层分配系数越小,分子扩散系数越大,核素迁移越快。

孔隙气压对核废物地质处置热-流-固耦合影响的有限元分析

为考察孔隙气体压力对高放废物地质处置中的热-流-固耦合过程的影响,借用Leiws等建立的可变形孔隙介质中非等温空气流和水流模型,在其水连续性方程中加入了温度梯度引起的水分扩散项,研制出相应的热-水-气-应力耦合弹塑性二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库模型,在相同的初始温度、孔隙水压力和岩体应力条件下,取3种缓冲层中的初始孔隙气体压力,通过数值模拟考察了处置库近场的主应力、饱和度、气和水的流速、温度和孔隙压力的分布与变化。结果显示,当缓冲层中的初始孔隙气压力较高时,其对围岩中应力影响较大。

U型地源热泵系统热-流-力学耦合模型研究

地下水源热泵井(ground source heat pump,简称GSHP)是一种新型的浅层能源利用技术。基于能量守恒方程和质量守恒方程,建立单井热泵系统的热传递方程、渗流方程、连续性方程以及THM(thermo-hydro-mechanical)耦合本构方程。通过COMSOL软件,对单井系统周围区域进行流动模拟,得到井体的整体热位移变形图和破坏准则图。研究结果表明,(1)水压力梯度随着井体半径的增加而变大,最终趋于一个稳定的值;(2)热传递模型的理论计算结果和工程现场的实测值具有较好的吻合性,证明该模型的合理性和有效性。

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程。

机械-化学耦合激发电解锰渣对水泥基材料性能的影响

为了解决电解锰渣活性较差、利用率较低的问题,对电解锰渣进行了机械-化学耦合激发,研究了不同激发方式对掺电解锰渣水泥净浆抗折、抗压强度的影响,并进行了SEM、XRD、FTIR分析。结果表明:最佳球料比和球磨时间分别为15∶1、20 min;掺入适量经过球磨处理的电解锰渣可以显著提高试件的抗折、抗压强度;Ca(OH)2和无水Na2SO4激发剂的搭配使用对电解锰渣活性的激发效果比二者分别单独使用的好,最佳n(Ca(OH)2)∶n(Na2SO4)为2∶3,总掺量为1.5%,此时,试件内部结构致密、28 d水化程度较高,28 d抗折、抗压强度分别较基准组提高了43.2%、24.7%。

基于电化学-热耦合模型的储能用锂离子电池的发热状况研究

作为储能电站用储能电池,磷酸铁锂离子电池(下文简称为“锂离子电池”)的发热现象极易给储能电站造成运维安全隐患,分析锂离子电池在不同工况下的发热状况可有效减少其发热现象的产生。基于三维电化学-热耦合模型,提出了产热速率压缩降维方法,在保留电池表面温度不均衡特征的条件下进行了模型仿真研究。通过实验,研究了储能用锂离子电池在单次充放电循环过程中的表面温度值及温度分布变化,证明该模型能够准确反映储能用锂离子电池在充放电循环过程中的发热状况和温度变化趋势。研究结果可提高电化学储能电站的安全性,并为后续储能电池模组研究提供参考依据。