页岩气储层中甲烷运移的变分数阶导数模型研究

因页岩气开采过程中形成的复杂流动缝网系统,导致甲烷气体向浅层地下水迁移,从而引起地下水甲烷含量超标,引发的地下水污染问题是当前备受关注的环境问题之一.因页岩储层结构的复杂性与随机性,且非均质性较强,甲烷在页岩储层中的运移规律有待深入研究.甲烷在基岩中以扩散为主,在裂缝中以渗流为主,从流动建模的角度来看经典对流-扩散模型不能有效刻画甲烷气体的运移规律.针对强非均质性页岩储层结构特点,本文建立能够准确描述具有历史依赖性的运移过程的变时间分数阶导数模型,揭示甲烷在非均匀介质中的反常扩散特征,模拟甲烷的浓度穿透曲线,有效刻画甲烷运移规律.结果表明:变阶数α(t)能够表征甲烷运移过程的时间记忆性,刻画浓度穿透曲线具有的明显拖尾特征及停滞效应.本研究解决了传统整数阶方程无法准确描述的反常扩散现象,为预测双碳目标下的页岩气开采过程中的地下水污染风险提供一种理论指导.

变时间分数阶反应扩散方程的数值分析

考虑时变分数阶反应扩散方程的数值逼近问题。采用分段线性插值法结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra时变分数阶导数,用中心差分离散二阶空间分数阶导数通过数值例子验证了提出的数值方法,说明了数值方法的有效性。

一类变时间分数阶含源项非定常奇异摄动对流扩散方程的数值分析

考虑了变时间分数阶含源项非定常奇异摄动对流扩散方程的数值逼近问题.首先采用分段线性插值法,结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数,最后用数值例子验证了提出的数值方法,说明了数值方法的有效性.

一类变时间分数阶扩散方程的数值计算方法

考虑移位勒让德多项式的正交性及可计算性,在Caputo类型的变分数阶微分定义下,给出了移位勒让德多项式的微分算子矩阵。然后,利用得到的算子矩阵将变时间分数阶扩散方程转化成可利用最小二乘法求解的线性方程组。最后,通过数值算例验证了该算法的有效性及正确性。

变时间分数阶非定常对流扩散方程的数值分析

考虑变时间分数阶非定常对流扩散方程的数值逼近问题,首先,采用分段线性插值法结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后,用中心差分离散一阶空间分数阶导数和二阶空间分数阶导数。最后,用数值例子验证了提出的数值方法,说明了数值方法的有效性。

变时间分数阶扩散方程的数值模拟

考虑变时间分数阶扩散方程。首先利用分段线性插值法结合对一阶时间导数的一个二阶近似离散Coimbra变时间分数阶导数,然后利用Richardson外推法改进精度,最后用数值例子来验证提出的数值方法,从而说明数值方法的有效性。

分数阶导数流变模型在岩土工程中的应用

土体具有明显的黏弹塑性，用分数阶导数模型来模拟岩土工程中真实材料的黏弹塑性，能够深入研究土体的应力应变关系，使得该模型在岩土工程中有着广泛的应用。本文介绍了几种含分数阶导数的流变模型，并结合近年来分数阶导数模型在岩土工程中的应用实例，概述了国内外各类分数阶导数模型在岩土工程领域中的应用现状，指出了各类模型的适用范围、优缺点，目的在于为分数阶导数模型在岩土工程中的进一步应用提供一定的参考。

变分数阶扩散方程的新隐式差分法

针对变分数阶扩散方程,提出新隐式差分法.首先,对二阶空间导数和Riemann-Liouville型变时间分数阶导数算子进行离散化处理,将变分数阶扩散方程转化为代数方程组求解;然后,借助Fourier级数技术给出了新隐式差分法的收敛性分析;最后,通过数值算例检验该方法,计算结果表明了新隐式差分法的可行性和有效性.

Coimbra变时间分数阶扩散-波动方程的新隐式差分法

将一阶的时间偏导数用Coimbra变时间分数阶导数算子进行替换,提出了一种新隐式差分解法.首先,对Coimbra型变时间分数阶导数算子和二阶空间导数进行离散化处理,将Coimbra变时间分数阶扩散-波动方程转化为代数方程组求解;然后,借助于数学归纳法给出了新隐式差分方法的收敛性分析,并证明了新隐式差分方法是无条件收敛的;最后,通过数值例子检验该方法,计算结果表明新隐式差分方法的理论分析是正确的,所构造的离散格式是可行的和有效的.

变阶分数阶广义Birkhoff系统的绝热不变量

基于Caputo变阶分数阶导数研究广义Birkhoff系统对称性的摄动与绝热不变量。作为特例,同时也讨论了变阶分数阶Birkhoff系统、分数阶广义Birkhoff系统及整数阶广义Birkhoff系统的绝热不变量。最后,举例说明结果的应用。

基于切比雪夫多项式求解一类分数阶扩散方程

随着变分数阶微分方程在各个领域得到了广泛深入的运用,变分数阶微分方程的求解随之成为一个新的研究热点.考虑到变时间分数阶扩散方程是工程实际中广泛涉及的一类方程,本文针对该类方程的数值求解方法进行研究.首先介绍Caputo分数阶变导数及移位切比雪夫多项式相关定义和性质.然后,基于移位切比雪夫多项式,推导了变时间分数阶微分方程矩阵算子.最后,结合配点方法,应用该算子矩阵将变时间分数阶扩散方程转化为线性方程组的求解,并通过数值算例验证该方法的有效性及正确性.

干/湿状态下HFRP搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型

搭接是纤维增强复合材料(FRP)的重要连接方式,长期性能是该技术实际工程应用的关键.对不同恒定应力和湿度状态下混杂FRP(HFRP)双搭接接头的剪切蠕变性能进行了试验研究.试验观测到了明显的蠕变变形,测定了蠕变与恒定应力及湿度的关系.进一步采用分数阶导数流变模型对试件的蠕变进行模拟.根据模型所包含的Mittag-Leffler函数的性质采用了改进的Powell优化算法,并确定了合理的初值,结合试验曲线拟合得到模型各参数值.根据搭接接头蠕变的特点,在经典分数阶流变模型中引入了表征应力水平对搭接接头非线性蠕变特性影响的函数,提出了一种改进的分数阶蠕变柔量计算公式.研究结果表明,该流变模型能够采用简单的表达形式和较少的参数对试件的非线性蠕变行为进行拟合,在30%~70%恒定应力范围内准确模拟了双剪搭接接头的蠕变曲线.

岩质边坡流变分析的一种实用计算方法

基于等效MohrOCoulomb屈服准则原理,通过岩体材料参数的人工换算,实现其在有限元软件Ansys中的应用,并验证转化后参数与原参数之间的大小关系;同时针对边坡岩体流变特性,利用分数阶导数流变模型理论,提出考虑岩体流变特性的一种实用计算方法,通过Ansys弹塑性计算分析过程中改变材料特性的功能来处理边坡岩体材料的流变问题,算例表明该方法是可行的。

基于变阶分数阶导数的岩石蠕变模型

蠕变模型是描述岩石流变行为的主要形式。建立一个参数少、模拟性能好的岩石蠕变模型是岩石蠕变研究的一个重要方向。为此,从分数阶蠕变元件的物理意义出发,将材料的蠕变过程划分为弹性、弹性、黏塑性3个阶段,并通过引入变阶分数阶导数来描述这3个阶段。然而当载荷应力超过屈服应力时,岩石中微观裂纹会萌生、扩展和演化,导致蠕变损伤的积累并在黏塑性蠕变后期引起加速蠕变的发生。因此,考虑到损伤演化对岩石蠕变的影响,在加速蠕变阶段引入损伤系数来描述这一阶段应变的非线性增长。基于以上分析,在Scott-Blair分数阶元件和变系数分数阶元件的基础上,提出一种变阶分数阶非线性黏弹塑性蠕变模型,并将模型拓展到三维情形。平顶山深部煤体三轴蠕变实验的分段拟合结果表明,基于变阶分数阶导数的蠕变模型与实验数据吻合较好。这也验证了将分数阶导数的变阶看作是一个阶跃函数是合理的、可靠的。此外,通过进一步的参数拟合,在现有实验结果的基础上确定模型中的参数。结果表明,所提出的理论模型能较好地描述材料的蠕变特性,与实验数据吻合较好。

蛇纹大理岩蠕变规律及非线性蠕变模型研究

以杨林隧道工程为背景,对二衬开裂段蛇纹大理岩进行了40 d的分级加载单轴蠕变试验。结果表明,蛇纹大理岩在不同应力条件下的稳态蠕变速率和相应的蠕变应变规律与应力和时间的增加呈正相关。采用等时应力应变曲线拐点法测定蛇纹大理岩的长期强度为30 MPa。利用变阶分数阶微积分将损伤变量引入粘弹性和粘塑性过程,得到了一种新的弹粘塑性蠕变模型。新的弹粘塑性蠕变模型能够很好地描述蛇纹大理岩的三阶段蠕变过程,此模型相较传统西原模型,克服了无法对加速蠕变阶段很好描述的缺点,模型数量少,组合简单,可用于描述岩石蠕变过程的变形规律。

变分数阶非线性随机微积分方程的Euler-Maruyama方法

本文对一类变分数阶非线性随机微积分方程初值问题构造了Euler-Maruyama(EM)方法进行数值求解.然后,证明了该EM方法的强稳定性和强收敛性,其强收敛阶为max{1-α^(*),0.5},其中α^(*)=max{α(t)},这里α(t)是Riemann-Liouville变分数阶导数的阶数.最后,用数值试验验证了该EM方法的强收敛阶.

Analysis of one-dimensional rheological consolidation of double-layered soil with fractional derivative Merchant model and non-Darcian flow described by non-Newtonian index

To further investigate the one-dimensional(1D)rheological consolidation mechanism of double-layered soil,the fractional derivative Merchant model(FDMM)and the non-Darcian flow model with the non-Newtonian index are respectively introduced to describe the deformation of viscoelastic soil and the flow of pore water in the process of consolidation.Accordingly,an 1D rheological consolidation equation of double-layered soil is obtained,and its numerical analysis is performed by the implicit finite difference method.In order to verify its validity,the numerical solutions by the present method for some simplified cases are compared with the results in the related literature.Then,the influence of the revelent parameters on the rheological consolidation of double-layered soil are investigated.Numerical results indicate that the parameters of non-Darcian flow and FDMM of the first soil layer greatly influence the consolidation rate of double-layered soil.As the decrease of relative compressibility or the increase of relative permeability between the lower soil and the upper soil,the dissipation rate of excess pore water pressure and the settlement rate of the ground will be accelerated.Increasing the relative thickness of soil layer with high permeability or low compressibility will also accelerate the consolidation rate of double-layered soil.

Numerical Computation for Time-fractional Gas Dynamics Equations by Fractional Reduced Differential Transforms Method

The present article is concerned with the implementation of a recent semi-analytical method referred to as fractional reduced differential transform method （FRDTM） for computation of approximate solution of time-fractional gas dynamics equation （TFGDE） arising in shock fronts. In this approach, the fractional derivative is described in the Caputo sense. Four numeric experiments have been carried out to confirm the validity and the efficiency of the method. It is found that the exact or a closed approximate analytical solution of a fractional nonlinear differential equations arising in allied science and engineering can be obtained easily. Moreover, due to its small size of calculation contrary to the other analytical approaches while dealing with a complex and tedious physical problems arising in various branches of natural sciences and engineering, it is very easy to implement.