土壤湿度-地表气温耦合对长江中下游地区2022年8月复合型热浪事件的影响

2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979—2022年6—8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义了复合型热浪事件强度指数及其相应的土壤湿度-地表气温耦合指数,采用分段线性拟合等方法,探讨此次复合型热浪特征及土壤湿度-地表气温耦合的影响.结果表明:(1)2022年8月长江中下游地区的复合型热浪事件强度为1979年以来最强,伴随最强的土壤湿度-地表气温耦合.空间分布显示,强的热浪发生在四川东部、重庆西部、湖南等地,这些区域的土壤湿度严重偏干,蒸发受限,获得的净辐射主要用于地表向上的感热通量,使土壤湿度-地表气温出现强的正反馈过程,对热浪的维持起重要作用.(2)复合型热浪中土壤湿度-地表气温耦合影响日间和夜间热浪的物理强迫及过程不同:日间,地表净太阳短波向下辐射增强的强迫作用,促使发生强的土壤湿度-地表气温耦合,引起日间热浪.夜间,白天积累在土壤的热量,通过减小大气热量通量辐散,使夜间地表气温下降减慢,形成夜间热浪,这与以往研究单独夜间热浪的过程不同,后者认为夜间热浪主要与大气柱水汽增加引起的大气逆辐射增强有关.

海底多跨管道流-固-土多场耦合试验研究

为弥补现阶段缺乏多跨管道涡激振动试验研究的不足,综合考虑流-固-土多场耦合,创造性地设计了一套完整的拖曳水池试验系统,并开展了多跨管道涡激振动试验观测。该试验系统可实现海底管道结构自身属性、土体作用、来流速度和预张力等因素对多跨管道涡激振动影响的数据获取,可为后续多跨管道涡激振动的理论研究和数值模拟提供数据参考和验证。研究结果表明:该系统可精准模拟多跨管道复杂的涡激振动现象。该研究可为多跨管道跨间作用机理的试验研究提供新思路,同时为系统地研究多跨管道涡激振动提供试验装备支持。

基于SWAT-MODFLOW地表-地下水耦合模型的结构与应用研究

为了利用Seonggyu Park和Ryan T.Bailey的SWAT-MODFLOW耦合程序实现地表、地下不同范围模型耦合,同时探究耦合程序输出的以SWAT计算的地下水补给量和以MODFLOW网格计算的补给量之间的差异,以及耦合程序在有关地表地下水研究上的优势。本文以该耦合程序示例模型美国佐治亚州南部小河流域(LRW)为例,选取模型中SWAT划分的104号子流域为边界,用GMS10.4建立地下水流模型,最后将地下水流模型和原SWAT模型进行耦合。研究结果表明:(1)耦合程序能实现以地表分水岭自然边界为范围的SWAT模型与以子流域为边界的小范围MODFLOW模型的耦合,但由于地下水流模型网格边界和子流域边界不能完全匹配,导致MODFLOW以网格计算的地下水降雨补给量和SWAT统计的地下水降雨补给量存在差异,误差随网格变小而变小;(2)耦合后各均衡项发生了变化,河道对地下水的总补给量变为耦合前的15.25%,地下水向河道的总排泄量比耦合前多19.29%,总降雨补给比耦合前多17.07%,总蒸发量是耦合前的3.08倍。经过研究发现耦合模型能更准确的模拟地表地下水文过程,反映降水与地下水、地表水与地下水转化关系。

基于源-网-厂-河耦合仿真的水体污染治理效果分析

水体污染治理效果的量化评估在方案制定中起着重要作用,而数学模型是量化评估的重要手段。以苦竹溪流域为研究对象,基于城市水系统控制仿真模型(Simuwater)开展源-网-厂-河耦合仿真的水体污染模拟,分析流域径流污染、排口入河污染、河道水质等,从而对陆域污染治理效果和水域污染治理效果进行量化评估。实例研究表明:Simuwater模型操作简单,数据需求低,且具备源-网-厂-河动态模拟功能,可模拟陆域污染负荷及河道水质浓度变化过程,并可推广应用于流域级别的水环境治理效果评估。

分布式地表水-地下水耦合数值模型研究进展

系统梳理地表、地下各水文过程中常见的控制方程以及数值求解方法,指出单一地下水模型和单一地表水模型在解决耦合问题中的短板。回顾近年来的相关研究,归纳出11种常见的耦合模型。从模型原理和适用方向2个方面对已有研究概括总结,将耦合方法划分为松散耦合型、半松散耦合型和紧密耦合型,分析耦合模型在变化环境下的地下水-地表水转化关系、河道生态流量以及地表水-地下水联合调度方面的应用。未来可以重点关注耦合模型在复杂地貌、多样化参数、模型识别验证方法、运算效率以及多学科交叉等方面的研究。

基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明:随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。

蒲河流域多情景地表水-地下水联合模拟

以蒲河流域为研究对象,通过构建地表水-地下水耦合模型,模拟多情景下流域径流变化过程,并分析径流减少原因。结果表明,SWAT-MODFLOW模型在该流域适用性较好(R 2和NS系数均超过相应阈值);自然条件下的径流年际变化基本与近天然条件下(不考虑人类取用水和下垫面变化)类似,基本呈现丰枯交替的平稳状态;直接人类活动对径流减少的贡献约占83%,强直接人类活动的影响使自然条件下的地表水资源量减少最多;在不同程度人类取用水影响下,7月、8月、9月蒲河水量最多,5月最少;在不同强度人类取用水情况下,毛家河站在75%保证率下的多年平均月径流量最大。

流体输送管道的固-液耦合特性

用有限元法推导流体输送管道固 -液耦合振动方程 ,得到反对称的固 -液耦合阻尼矩阵和对称的固 -液耦合刚度矩阵 .用QR法计算管道的前四阶固有频率 .分别讨论了流体流速、压强变化以及固 -液耦合阻尼和刚度对管道固有频率的影响 ;给出了不同边界条件管道的临界速度和管道前四阶固有频率 -流速曲线 .这对于火箭发动机燃料馈给管道、水轮机供水管道、城市集中供热干管、输水母管、石油集输管线等的研究与设计都有参考意义 .

基于热-结构耦合的干气压缩机出口输气管道应力分析

结合高温高压管道在生产中的重要性,利用大型有限元分析软件ANSYS对输气管道的温度场和应力应变场的变化进行分析研究。采用具备符合高温高压管道受力特点的ANSYS单元,对管道进行热结构耦合的应力分析,掌握了管道在内压恒定、不同温度载荷下的应力分布规律。计算结果表明,当管道温差过大时,外壁所受应力较大,应进行必要的保温措施,从而防止管道泄漏或破裂等恶性事故的发生。

管道埋深对管-土耦合应力的影响规律浅析

考虑管土间应力的耦合特性、管道在动力作用下强烈的非线性特征等,讨论了管土耦合应力在各种典型工况下受管道埋深因素影响的变化规律.结果表明:管道埋深对管土耦合应力起着重要的影响作用,为管道系统的可靠性设计和正常运行的动态控制提供了必要的计算实例及技术依据.

直埋供热管道直角弯管热-力耦合分析

针对直埋热水供热管道弯管受力的复杂性,基于土弹簧模型建立了三维热-力耦合有限元模型,分析了直埋直角弯管应力的主要影响因素,给出了缩短弯臂长度的热-力耦合有限元模型。建模中管土相互作用考虑了介质的重力和覆土重力等的作用,弯头管段的边界条件施加在2个弯臂端头。结果表明,直埋弯管在温升作用下的峰值应力远大于内压作用下的峰值应力;直埋弯管的一次应力随管道壁厚、管道埋深的增加而降低,随内压、弯头曲率半径的增加而增加;直埋弯管的二次应力随管道壁厚的增加而降低,随内压、埋深、温升、弯头曲率半径、弯头端部位移的增加而增加;弯头截面竖向椭圆化对弯头是有利的,而横向椭圆化是有害的;地面荷载作用使弯头最大当量应力减小,对弯头起保护作用。该研究旨在为直埋管道的安全性分析提供帮助。

固-液耦合Timoshenko管道的稳定性分析

根据Ｈａｍ ｉｌｔｏｎ 原理推导了Ｔｉｍ ｏｓｈｅｎｋｏ 管道的固液耦合振动微分方程。用幂级数法计算了Ｔｉｍ ｏｓｈｅｎｋｏ 管道的固有频率和临界流速。给出了管道前三阶固有频率流速的关系曲线，分析了转动惯量对该输流管道的稳定特性的影响。计算结果表明，转动惯量对两端简支的固液耦合Ｔｉｍ ｏｓｈｅｎｋｏ 管道的静力失稳没有影响。

L形高真空多层绝热低温管道热-结构耦合分析

用于输送LNG等低温介质的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常处于深冷环境且要承受流体内压,在热-结构耦合作用下的受力较为复杂。为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,以某水平—竖直走向的L形HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型,计算得出了不同工况下的管道温度场分布情况,以及管道中内管、外管、热桥、波纹管和绝热支撑上的应力及应力随各载荷的变化关系。分析结果表明:(1)绝热支撑和热桥是影响管道漏热量的主要部件,以输送LN_2为例,通过上述两个部件的漏热量分别占管道总漏热量的49.07%和49.32%;(2)内管、外管、弯头及热桥等部件应力较小且低于材料屈服极限,实际使用过程中不易发生危险;(3)波纹管应力随输送介质温度的降低和补偿内管长度的增加而增大,水平管段波纹管的应力较高,是管道中的危险部件;(4)内管所受内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,因而可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减少远离弯头处支撑的厚度,以便在保证强度的同时减少漏热量。

考虑流-固耦合效应的空间管道水锤方法研究

介绍耦合水锤理论的4方程模型和其求解方式,以及利用计算流体力学(CFD)计算流-固耦合的方法,并采用文献作为算例进行水锤流-固耦合的计算。通过CFD的经典水锤计算,为流-固耦合计算选定计算格式和网格,同时与文献进行比较。结果表明,本文所用的方法可用于较复杂的管道水锤的流-固耦合计算。

直埋热水供热管道三通热-力耦合分析

针对直埋热水供热管道三通受力的复杂性,基于土弹簧模型建立了热-力耦合有限元模型,分析了直埋三通应力的主要影响因素,并给出了简化三通接管长度的热-力耦合有限元模型.建模中管土相互作用考虑了介质本身的重量和覆土重力等的作用,三通管段的边界条件施加在主管和支管端头.结果表明,直埋三通在温升作用下,相贯区峰值应力较大;直埋三通的二次应力随温升、管道壁厚、支管管径、主管过渡段长度变化,而受内压影响较小;地面荷载作用使三通最大当量应力减小,对三通起保护作用.该结果旨在为直埋管道的安全性提供帮助.

热-应力耦合场作用下含缺陷压力管道的应力强度因子研究

含有轴向长裂纹承受超高压的厚壁压力管道,当其内外壁温度不一致时会产生热应力,从而使总的应力场发生变化,裂纹尖端的应力强度因子也将发生变化。本文用有限单元法计算了由稳态热荷载和内压力共同引起的应力强度因子,并通过选取几组不同的厚壁管道几何参数、裂纹参数和温度参数,分析了它们对应力强度因子的影响规律。总结后发现,热-应力耦合场作用下,应力强度因子随径比、裂纹深度比和温度比的增加而增加,且外壁温度高于内壁时得到的应力强度因子更大,压力管道处于更加危险的工况,工程上需要特别注意。

外加横向激励对固-铰支承管道流固耦合振动的影响

首先,由Hamilton原理推导外侧施加横向激励的输液管道流固耦合弯曲振动微分方程,针对固-铰支承管道提出一种新的振型函数,利用Galerkin法求得前五阶固有频率表达式,并且通过对比验证了新振型函数的正确性.其次,在一阶截断情况下求得这类管道的挠度、弯矩和剪力表达式,讨论了流速、液压和外激频率变化对固-铰支承管道中点挠度和最大弯矩的影响.结果表明,由新振型函数确定的前五阶固有频率不仅计算简便而且具有很高的精度,同时验证了输液管道固有频率对液压和流速的依赖性,也证实了对于流固耦合问题,结构发生共振与外激频率接近结构固有频率有关同样适用.

基于流固耦合传热的液氢管道流动特性仿真研究

液氢在管道输送过程中极易发生气液两相流现象,严重影响液氢输送系统的安全性和高效性。针对这一问题,建立液氢管道三维数值模型,分析液氢管道主要传热结构,优选合适的支撑与管道接头形式,并探究液氢管道流动特性,着重分析入口流速、入口压力等工艺参数对液氢管道截面含气率和温升的影响规律。结果表明:三角形支撑与Bayonet接头的绝热效果较优;液氢管道输送过程中截面含气率随入口流速的增大先减小后增大,存在最佳入口流速,针对内管Φ32 mm的液氢管道,最佳入口流速为4 m/s;液氢管道入口压力增大,截面含气率减小,也可有效降低液氢温升。在液氢管道工艺设计和工程应用中应确定合理的入口流速和压力,以确保液氢管道安全高效运行。

高温输气管道热-结构耦合数值仿真分析

针对高温输气管道的结构特点和输送的介质特征,考虑到静压和温度的耦合作用,根据有限元理论,构建了基于稳态热传导的输气管道热-结构耦合模型,提出了数值求解该问题的方法和具体实施步骤,并以某干气压缩机的输气管道为研究对象进行了数值建模和仿真模拟,分析并揭示了内外管壁温度不同条件下结构性能的变化规律.结果表明:应用该方法可以实现高温输气管道热-结构耦合的数值模拟和仿真分析,为管道的现场施工、实时监测和安全性分析提供有价值的参考意见.

海底管道整体屈曲的枕木-浮力耦合法研究

不埋海底管道在高温高压作用下,易发生水平向整体屈曲。实际工程中,常通过在管道路由上设置整体屈曲触发装置,实现对水平向整体屈曲的有效控制,其中以枕木法的成功应用最为多见。本文分析了枕木法的主要影响因素并验证了采用枕木法会出现管道屈曲段应力集中的现象,对比了枕木法、分布浮力法和枕木-浮力耦合法对管道整体屈曲变形规律的影响,采用数值模拟方法系统研究了枕木及浮力参数对管道水平向屈曲和后屈曲的影响规律。研究表明,在枕木两侧设置浮力段的人工触发装置可有效触发管道整体屈曲,同时促使管道虚拟锚固点间轴力的释放,降低了管道中屈曲段的应力,相较枕木法,枕木-浮力耦合法可将管道中的最大应力降低23%。