基于物理概念的数值模拟在地学中的应用

运用基于物理概念的数值模型Integrated Hydrology Model(InHM)模拟了两种情况下的坡面泥沙运动:(1)只考虑雨滴溅击,(2)考虑雨滴溅击和水流侵蚀,并介绍了基于物理概念的数值模拟方法在地学中的应用前景.模拟结果表明,该数值模拟方法能有效模拟地表水文响应与泥沙运动的互动,并对坡面水文响应、泥沙运动的详细时空变化具有很强的捕捉能力.尽管受可用数据限制,基于物理概念的数值模拟还不够完善,但是已经能为泥沙运动、地表侵蚀等相关研究提供良好的基础.

夏季青藏高原那曲地区一次对流降水及云微物理的数值模拟

利用NCEP FNL再分析资料为初始场,通过WRF中尺度数值模式(V4.0版)对2019年夏季青藏高原那曲地区一次对流云降水及云微物理特征进行了数值模拟.结果表明:WRF模式能够较好地再现本次降水的时空特征和云发展过程.固态水凝物分布高度普遍高于液态水凝物,其中冰和雪主要位于中高层,中低层以霰和云水为主,低层多为雨水粒子;降水过程中雪、霰和雨水粒子高值中心出现时段与降水峰值时间较好对应,表明本次降水以冰相过程为主,且雪粒子和霰粒子的贡献最大,其原因为雪粒子通过贝杰龙过程和自身的碰并过程增加,霰粒子则通过与雪粒子碰并和自身凇附作用不断增长,随着上升气流逐渐减弱,大量霰粒子和部分雪粒子落至0℃层左右融化形成降水,加之雨水与云水的碰并作用,进一步促进了降水的形成.此外,暖雨过程对降水的直接贡献较小,但对冰相粒子的形成贡献明显.

一次贵阳冰雹过程数值模拟及冰雹形成微物理机制研究

本文采用WRF4.2模式对2020年5月19日发生在贵阳的一次冰雹过程进行数值模拟,再现了冰雹云在贵阳市的移动路径和发展演变过程。通过对冰雹云不同发展阶段的动力、热力和云微物理特征的分析,以及冰雹混合比源汇项的收支分析,得到了冰雹形成的微物理机制及概念模型。研究结果表明:(1)模拟的冰雹云在成熟阶段呈现典型的超级单体结构,存在悬垂回波和回波空洞。云内最大上升速度可达20 m s^(−1),上升气流从地面延伸至12 km,在高空西风的作用下向东流出,形成宽广的高空云砧。在上升气流后部中低层为强下沉气流。(2)雹胚粒子通过云冰碰冻雨滴形成,通过收集过冷云滴和雨滴增长,雹粒子的最大汇项是融化成雨水。(3)在冰雹云的成熟阶段,雹收集过冷云滴的效率增大,主要发生在强上升运动区中高层(6~10 km高度),大量雹粒子分布在上升运动区中高层以及悬垂回波区,最大混合比可达11 g kg^(−1)。(4)在冰雹云的消散阶段,云内上升速度减弱,高空云砧的范围扩大。雹粒子净转化效率降低,雹混合比减少。雹融化为雨水的效率增大,雨水分布质心降低,在近地面产生大量雨水。

富油煤原位热解多物理场演化规律数值模拟研究

【目的】富油煤原位热解是一种具有清洁、高效、安全等优势的煤炭资源新兴利用技术,尚处于起步阶段,多物理场演化规律及关键工艺参数对富油煤原位热解过程具有重要影响。【方法】通过构建耦合流体流动、传热以及化学反应的多物理场数值模型,并与富油煤圆柱煤样热解实验的结果对比分析,以验证多物理场耦合模型的可靠性。根据先导试验条件,采用均质/非均质渗透率模型研究了渗透率、热载体流量以及致裂区高度对热解过程中传热传质的影响。【结果和结论】结果表明,增大渗透率有利于快速生产,对于均质渗透率模型而言,当渗透率为1μm2时热解反应仅需38 d即可完成,建议对煤层进行冲击致裂使得煤层渗透率达到达西级别。而对于非均质渗透率模型,在加热前期增大热载体流量可以提高传质传热速率。热载体流量为0.12 kg/s时,高渗区域热解反应完成仅需12 d左右。后期当中心高渗区域煤热解完成后,反应及渗流速率变慢,提高热载体流量对反应速率的影响较小。实际生产中建议前期选择较大的热载体流量(0.12 kg/s)促进高渗区域快速热解,更快产生焦油;后期可减小热载体流量节省成本。增大致裂区高度可提高热解速率,致裂区高度为6 m时,热解反应仅需130 d左右即可完成。实际应用中需综合考虑冲击致裂成本以及热解时间成本。

2022年冬奥会期间北京一次强降雪过程平原和山区云微物理特征差异的数值模拟

本文运用WRF4.2中尺度数值模式模拟了2022年2月12~13日北京地区的一次强降雪过程,模式较好地再现了此次强降雪的时空演变特征。在此基础上,对比分析北部山区和南部平原地区动力、热力以及云微物理过程差异,探讨了复杂地形影响降雪的可能机制。结果表明:本次降水过程以固态降水为主,同时存在着显著的条件对称不稳定特征。模拟结果表明山区的降水要强于平原地区。山区和平原地区的动力和热力因子的对比分析表明,地形的存在使山区低层的散度、涡度以及垂直速度明显强于平原地区,位温扰动也更强,山区上空云体发展更为旺盛,且山区上空为水汽的汇区,水汽的相变过程更为活跃。山区和平原地区水凝物粒子虽然都以冰晶和雪两类粒子为主,但山区上空的冰晶和雪含量更多。降雪云内主要的水凝物转换过程为:冰晶的核化、冰晶的凝华增长、冰晶向雪的自动转化、雪收集冰晶增长、雪的凝华增长以及发生在近地层附近的冰晶和雪晶的升华过程。近地层水汽条件的差异使平原地区近地面附近冰晶和雪的升华过程更强。1.5 km高度以下近地层附近存在由云滴活化产生的过冷云水,过冷云水的存在一定程度促进了冰晶和雪的凝华增长,以及雪的凇附过程。

基于FLOW⁃3D数值模拟和物理模型试验的水闸水流条件研究

介绍FLOW-3D数值模拟和物理模型试验在海口市龙塘大坝枢纽改造工程水流条件研究的应用,通过各工况的数值模拟与物理模型试验,对水闸水流流态、流速和沿程水面线等水力特性进行计算与观测。经对比分析,各工况下FLOW-3D数值模拟和物理模型试验所得的流态、水面线、流速变化及分布规律基本一致,为研究泄水建筑物布置及体型设计的可行性及合理性,泄水建筑物设计及运行管理提供了科学依据。

电沉积制备氢氧化镁多物理场的数值模拟

为了优化电沉积法制备片状氢氧化镁的工艺,采用多物理场耦合方法,对电沉积制备氢氧化镁的过程进行了二维非稳态数值模拟.得到了不同极板间距和极板放置深度下的槽电压、电流密度、电解质流场和气体分布情况,分析了极板参数对电解槽工作过程中电场与流场的影响.研究结果表明,减小极板放置深度会使槽电压降低,但较小的极板放置深度会导致槽内电解质流动性变差,不利于反应的进行.减小极板间距可以增大极板间电解液流速、加强传质、降低槽电压,但同时会导致极板上反应均匀性变差.为了保证电解质流速更快、槽电压更低、电流分布更均匀,应尽量加深极板放置深度,并适当调整极板间距.

台风“环高”的数值模拟及微物理结构分析

以GFS分析资料作为初始场和边界场,使用WRF4.0对国际编号为2022的台风“环高”进行数值模拟,借助中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径集、GPM卫星资料和常规地面观测资料对比NSSL和WDM6两个微物理方案在台风路径、强度、降水以及水成物含量上的区别。试验结果表明:(1)NSSL的台风路径和强度相对接近真实台风;(2)NSSL的降水分布相对接近卫星反演结果;(3)两个微物理方案的水成物垂直分布差异显著,NSSL的冰系粒子含量相对较多,云水雨水含量相对较少。从模拟结果来看,两个方案对冰相过程的不同处理导致台风出现不同程度的发展,反映了台风强度和降水对冰相过程的敏感性。

双长水口七流中间包结构优化的数值物理模拟

以某钢厂双长水口七流方坯中间包为研究对象,进行中间包优化研究。建立1∶4水模型并开展水模实验,对水模实验结果进行分析,研究导流孔位置和上仰角度对双长水口中间包流场的影响,选取最优的控流装置。同时,运用商业软件ANSYS Fluent对原型中间包和优化中间包进行流场和温度场耦合计算,并与水模型结果相互验证。结果表明,优化前后停留时间从127 s增至253 s,死区比例从57.13%减至24.10%,停留时间标准差从21.74减至10.87,浇注区纵截面浇注温度最大温差从4.7 K降至1.2 K,各流水口温差明显降低,中间包各水口一致性增加,流动更加均匀。

土体物理力学性质对钻孔灌桩桩孔壁稳定性影响的数值模拟

孔壁稳定性是制约钻孔灌注桩成桩质量的关键因素,土体物理力学性质对孔壁稳定性的影响至关重要。运用ANSYS软件数值模拟土体物理力学性质对孔壁稳定性的影响,研究土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比对孔壁稳定性的影响。研究表明,孔壁处节点位移最大,距离孔壁越远,节点位移越小,稳定性越好;土体弹性模量、黏聚力和内摩擦角对孔壁稳定性的影响较大,而土体泊松比对孔壁稳定性的影响较小;土体弹性模量、黏聚力和内摩擦角越大,孔壁稳定性越好;黏聚力和内摩擦角越小的土体,黏聚力和内摩擦角的提高对孔壁稳定性的提高效果越明显。

基于孔裂隙储层弹性参数频散衰减机理的有限元数值模拟

饱含流体孔隙裂隙储层介质的弹性参数频变特性常应用于地震勘探和储层评价中。针对传统有效介质理论不准确及计算精度不高的问题,该研究推导了适用于孔隙弹性储层的Biot固结方程;为了研究模型介质渗透率、流体类型和黏度等参数对频变弹性参数的影响机理,开发了相应的有限元数值模拟流程,用于计算由波致流引起的地震波速度频散及衰减。模拟结果表明:1)与现有岩石物理理论模型对比,该数值模拟方法在宽频段模拟一维/二维孔隙裂隙介质的适用性更好;2)渗透率、流体黏度以及流体饱和模式作为岩心重要的物性表征,显著影响地震波弹性响应,渗透率增大,特征频率右移;黏度增大,特征频率左移;水包气模型相对于油包气模型衰减峰值较大,特征频率略高。综上所述,该研究为深入理解地震波在孔裂隙储层中的传播特性提供了准确的预测方法,有助于揭示储层的非均质性和孔隙结构,提高勘探精度和储层评价的可靠性,对储层预测与流体识别的岩石物理解释具有重要的指导意义。

湖北一次梅雨期暴雨过程的数值模拟及云微物理特征分析

受低涡和切变线的影响,2020年6月27—28日湖北地区发生一次梅雨期暴雨过程,造成严重灾害和重大经济损失。为了深入研究云微物理过程对梅雨期暴雨的影响,提高梅雨期暴雨的预报预警能力,针对本次暴雨过程,利用WRF模式进行了模拟并分析了该系统的云微物理特征,探讨了云微物理过程对本次暴雨过程的影响机制。结果表明:(1)数值试验较准确地模拟出暴雨的落区及中尺度对流系统演变过程,且区域平均降水随时间的演变与实况较为一致,但总体偏强。(2)降水强度急速上升阶段,冰相粒子融化量大于雨滴搜集云滴,雷达回波迅速增强。降水强度变化相对平缓阶段,雨滴搜集云滴量逐步增多,超过冰相粒子融化。各类水成物均快速发展,回波不断增强,冰晶增长速度超过雪和霰。在区域平均降水到达峰值前,水成物(除了雪粒子外)含量、上升气流及雷达回波均已达极值。上升气流中心与冰相粒子、云滴含量大值区分布较为一致,有利于淞附过程。(3)冰相粒子搜集云滴总量一直小于雨滴对云滴的搜集,云雨自动转化量在降水强度减弱时增长更明显。冰相粒子在降水发展初期主要通过贝吉龙过程产生,随着冰相粒子的发展,淞附过程占优,直到系统衰亡。

物理驱动深度学习波动数值模拟方法及应用

近年来,物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点.针对地震工程波动数值模拟,本文阐明了物理驱动深度学习方法PINN的数学概念及实现方式,以无源项一维波动为例,开展了相关理论模型构建,并与解析解及有限差分方法进行对比,分析了PINN方法与其他数值算法模拟波场的相对范数误差,验证了物理驱动深度学习方法求解波动问题的可行性.采用物理驱动深度学习方法并结合谱元法形成的稀疏初始波场数据,开展了二维波动数值模拟,实现了自由边界条件及起伏地表等典型工况的模拟,并给出了时序波场分布特性.更换不同的初始条件,测试了神经网络的泛化精度,提出可显著提高网络训练效率的迁移学习方法.通过与谱元法的结果对比,验证了本文方法模拟均质场地、空间不均匀及复杂地形场地波动问题的可靠性.结果表明,物理驱动深度学习方法具备无网格、精细化模拟等优势,并可实现自由地表及侧边界波场透射等数值模拟条件.

2021年6月东北冷涡暴雨降水物理过程观测与模拟研究

本文针对2021年6月2~3日发生在辽宁和吉林两省的东北冷涡暴雨过程,利用多源观测和再分析数据,首先开展综合观测分析,进而利用WRF模式对此次暴雨过程的主降水时段开展高分辨率数值模拟,并结合三维降水诊断方程,开展宏、微观物理过程和暴雨形成机理模拟诊断研究。结果表明,此次暴雨过程降水范围广、局地雨强大、对流性突出;暴雨过程期间,东亚大气环流相对稳定,东北冷涡缓慢东移,携带冷空气南下,与偏南暖湿气流汇合,触发涡旋云系发展;两省位于高空急流核出口区左前方和偏南低空急流前侧,低层辐合—高层辐散的动力结构有助于强降水系统发展。伴随水汽辐合加强,云物理过程旺盛发展,水凝物含量显著升高,其中霰粒子通过融化成雨滴等云物理过程,对强降水起到重要贡献。云滴通过水汽凝结过程迅速增长,但同时由于云微物理转化过程而被大量消耗,用于云系发展和降水发生。降水强度受水汽收支和云收支过程共同影响,强降水前期,伴随强盛水汽输送与辐合,区域上空水汽含量显著增加,降水系统发展;强降水后期,伴随冷涡云系逐步东移,区域内辐合减弱,局地大气内水汽明显消耗,以继续支撑较强降水。伴随水汽局地辐合,水凝物旺盛发展(尤其是冰相水凝物)。过程初期,液相水凝物动力辐合与微物理转化过程共同支撑降水云系快速发展;降水峰值时段,上述两过程仍然活跃,但由于强降水显著消耗,水凝物含量局地变化不明显。整个暴雨过程期间,液相水凝物持续辐合,而冰相水凝物于初期短暂辐合之后,逐渐减弱为弱辐散,这一演变特征与局地热、动力结构及其演变有关。

变厚度铺层Nomex蜂窝夹层件固化变形的数值模拟

为准确预测变厚度铺层夹层结构的固化变形,基于热-化学-结构多物理场耦合方法对AS4/8551碳纤维/环氧树脂复合材料-Nomex蜂窝夹层结构的固化过程进行数值模拟。考虑材料时变特性的影响,结合复合材料瞬时线弹性本构模型、细观力学理论和改进的Gibson等效理论建立起夹层结构三维有限元仿真模型,研究了结构在整个固化周期中的固化度场、温度场和应力-应变场的分布关系,并同已有的实验结果进行对比验证,最后通过解析模型分析预固化工艺对结构回弹变形的影响规律。结果表明:建立的有限元模型能够比较准确地反映结构固化过程,固化变形的平均预测误差为4.8%,最大预测误差不超过6.0%;变厚度铺层设计对较薄区域面板的固化应力影响较大,表现为沿厚度方向的向上剪切应力,在冷却阶段集中于结构端部并转化为结构翘曲;面板预固化处理削弱了固化放热和材料各向异性对夹层结构固化变形的影响,0.25预固化程度下结构最大变形的降低幅度达到14.78%。研究结果为复杂设计蜂窝夹层件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考。

新疆北部暖区暴雪的中尺度模拟及云微物理特征研究

暖区暴雪罕见且易致灾,对其准确预报既是重点又是难点。本文采用WRF中尺度模式中Lin、Thompson、 WDM6和WSM6四种云微物理方案对2016年11月中旬一次典型新疆北部暖区暴雪过程进行数值模拟,评估模式对暖区暴雪过程的模拟能力,遴选最优参数化方案,分析暴雪过程中水凝物粒子垂直分布及演变特征,探讨导致暴雪过程的相关中尺度系统的发生发展规律。分析结果表明:(1)不同云微物理参数化模拟中,Lin方案效果最佳,较为成功地模拟出降雪量级、落区和趋势。(2)云中各种水凝物粒子活跃于对流层中下层,其中以霰和雪最多,自高层向低层分别分布着冰晶、雪、云水、霰粒子,阿尔泰山迎风坡附近为各水凝物粒子浓度大值中心,强降雪区四种云中水凝物粒子高值中心垂直对齐有利于各粒子间的转化。(3)上游高湿系统沿西路移动,低空偏南急流增强时水汽汇合强烈,阿尔泰山脉西麓迎风坡阻挡利于水汽辐合;低空偏南急流使暴雪区低层增温,不稳定条件增强,垂直次级环流发展,次级反环流的增强促进不稳定能量的释放,加剧垂直运动增长,为大暴雪的发展和维持提供较强的动力抬升条件,对暴雪起增幅作用。

反倾层状斜坡破裂面演化特征离心机模型试验与数值模拟

破裂面形成演化特征是反倾层状斜坡研究的重点之一,也是稳定性评价和工程设计治理的基础。利用室内大型土工离心机,获取坡体受力和变形参数,同时结合PFC数值模拟成果,展示斜坡破裂面的形成演化过程和特征,并讨论破裂面的形成机理。结果表明:(1)首先在坡体内部产生压剪裂隙,随后向中下部扩展,坡体压剪分区;(2)裂隙向中上部发展,破裂面初步形成,深部坡体发生弯折;(3)浅层裂隙完全贯通,形成由坡顶至坡脚的完整破裂面Ⅰ,内部潜在破裂面(Ⅱ、Ⅲ)中上部近似平行坡面,下部合并后至坡脚,而稳定受压区域与弯折区分界潜在破裂面Ⅳ呈阶梯形,同时浅层存在3条次级破裂面;(4)斜坡的变形破坏由于重力作用,使得岩层差异性受力,在压剪、拉剪及弯折作用下,裂隙由预制裂隙尖端萌生、扩展,最终贯通形成破裂面。重力是内在原因,而坡体结构特征是基础条件。研究成果可以为反倾层状斜坡进一步深入研究和实践提供参考。

基于SPH方法的孤立波数值模拟

文中应用DualSPHysics开源代码平台,基于Goring理论采用推板造波方法构建二维数值造孤立波水槽,探究粒子间距D p对数值模拟孤立波的影响.采用6种粒子间距D p分别对2种波高的孤立波进行了数值模拟,显示了2个监测点处数值模拟与解析解的波形对比,计算和分析了不同D p下、4个监测点处的波高与理论波高的误差.结果表明:粒子间距D p=0.01 m时数值模拟精度较高同时计算耗时较少,并将此种粒子间距D p的数值模拟结果与物理试验测量结果进行了对比,二者吻合程度好.

我国西南地区春季典型雹暴观测与数值模拟研究

为了进一步厘清我国西南地区春季典型雹暴宏微观物理过程及成雹机制,本文选取X波段双偏振天气雷达资料、ADTD闪电定位系统监测资料以及地面降雹观测资料,运用模糊逻辑算法和耦合了NSSL双参方案的WRF-Elec模式,对2018年3月13日一次典型的雹暴单体降雹过程中热动力、微物理和闪电活动特征进行对比分析,并构建了单体雹暴过程各阶段的微物理模型。结果表明:(1)发展和成熟阶段是雹暴过程的关键阶段,霰粒子继续通过液滴与冰晶和雪与液滴的碰撞生成,而雹在“累积带”区域由液滴-低密度霰碰撞形成,并通过液态水的吸积而增大。(2)正地闪发生阶段与上升气流位置、雹含量和地闪的快速增加阶段相对应,反三极性电荷结构是正地闪在此次雹暴过程中占优的重要原因,它主要表现为对流起电机制作用,在云上部感应出一个较弱的负电荷区而生成,持续时间较短。(3)此次雹暴过程中强烈的上升气流对雹胚增长、冰雹形成、反极性结构的形成起主要作用,利用数值模式可以再现雹暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征。(4)基于观测结果与数值模拟构建的单体雹暴过程各阶段微物理模型,有利于理解雹暴中热动力过程、微物理过程、反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系,对我国西南复杂地形区域的雹暴预报具有一定的指导意义。

直流电弧等离子体炬数值模拟与诊断

直流电弧等离子体炬内部物理过程复杂且具动态性,较难对其进行准确描述与深入研究,且其工作温度较高,其状态参数难以使用常规方式测量。针对直流电弧等离子体炬,建立流动、传热和电磁相互耦合的数值模型,基于Fluent软件对直流电弧等离子体炬进行三维数值模拟和特性分析,设计并搭建了一套热焓探针实验系统,完成对直流电弧等离子体炬射流参数的测量分析。结果表明:建立的数值模型模拟结果与实验测量结果吻合较好,误差在10%以内;炬内温度与速度最大值与工作气流量呈正相关,均出现在靠近阴极区域,且沿轴线逐渐降低;等离子体炬内高温区与高电流密度区重合。