微观-介观双尺度模型下循环流化床内宏观流动

基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立微观-介观尺度双尺度的稠密气固两相流流动模型.微观尺度考虑气体与单颗粒以及单颗粒间相互作用造成的能量和动量传递和耗散,介尺度考虑气体与颗粒团聚物以及团聚物间相互作用形成的能量和动量传递和耗散,同时考虑微观尺度与介观尺度间相互作用导致动量和能量的传递.模拟计算颗粒相浓度、速度等参数与实测值相吻合.

沥青面层混合料松弛模量的跨尺度拟合分析

文中采用广义Maxwell模型和5单元Prony级数,定义沥青砂浆及混合料的松弛模量参数,建立100 mm×300 mm的沥青砂浆松弛试验有限元模型,采用时域分析方法拟合得到沥青砂浆松弛模量的Prony级数参数.基于细观多相介质假设与黏弹性本构关系,使用参数化建模和随机投放算法,实现了沥青混合料的细观组成模拟.考虑细观-宏观跨尺度关联机理,利用有限元模拟沥青混合料松弛试验,预测沥青混合料松弛模量及Prony级数参数,分别代入半刚性与柔性沥青路面组合分析其应力响应.结果表明:沥青砂浆Prony级数参数预测值与真实试验结果吻合良好,相对误差不超过1.2%.沥青砂浆分析区域von Mises应力与竖直方向应力S22基本相等,随着松弛时间的增加逐渐减小,有明显的应力松弛现象,与松弛试验真实情况相符.跨尺度预测的沥青混合料松弛模量参数在合理范围以内,解释了沥青路面恢复存在滞后性与残余应力.

高压实膨润土多尺度膨胀力特性研究进展

作为高放废物处置库的工程屏障,高压实膨润土在服役过程中的膨胀力特性不仅受其多尺度结构影响,还将长期受到近场环境中热-水-化多场耦合的作用。在阐述高压实膨润土多尺度结构的基础上,系统总结了高压实膨润土多尺度结构单元膨胀力特性的最新研究进展。研究表明,高压实膨润土在微观、细观、宏观尺度上分别存在蒙脱石层叠体、集合体以及单元体试样的结构单元。微观尺度上,主要采用分子动力学模拟的方法,探讨了蒙脱石层叠体层间水化膨胀特性,揭示了蒙脱石膨胀力发展的微观机制;细观尺度上,采用颗粒粗化的方式对蒙脱石集合体的弹性模量进行计算,构建了不同干密度下蒙脱石集合体的结构模型;宏观尺度上,对近场环境作用下的高压实膨润土开展恒体积膨胀力试验,揭示了侧限条件下高压实膨润土膨胀力的演化规律。目前,在各个尺度上对高压实膨润土膨胀力的研究工作相对独立,各尺度之间的力学特性存在显著的尺度效应,且膨胀力的多尺度传递机制尚不明晰。因此,对蒙脱石层叠体、集合体以及高压实膨润土在不同尺度上的膨胀力特性开展系统研究并建立膨胀力的多尺度模型,将是今后研究的重点。

微观力学中的平均场理论

在连续介质微观力学中,有两类基于微结构信息确定非均匀介质有效性能的基本理论:基于物理的平均场理论和数学的渐近均匀化理论.综述了平均场理论的研究概况和近期进展;探讨了多尺度力学和宏观-微观关系;简介了弹性、热弹性和热粘弹性有效性能的推导思路;阐述了均匀化理论研究的重要意义及其在设计、计算和优化中的应用前景.

微观力学中的对应原理

在连续介质微观力学中,有两类基于微结构信息确定非匀质介质有效性能的基本理论:基于物理的平均场理论和基于数学的渐近均匀化理论.讨论了采用渐近均匀化理论求解具有孔洞的、具有周期性微结构的线弹性复合材料的有效弹性张量的提法、解法和步骤.以渐近均匀化方法为例。

场微波作用下岩石体破裂特征及其机制探索

硬岩高效破裂是深部地下空间、深部资源勘探开发的重要前提,寻求和发展高效破岩技术成为大势所趋。微波具有加热效率高、无二次污染等优点,被认为是一种极具发展潜力的高效辅助破岩技术。微波场内岩石体破裂差异性行为解译是实践微波辅助破岩技术的重要基础。从宏-细-微观不同尺度对微波场内砂岩、花岗岩和辉长岩开展了跨尺度破裂行为机理研究。结果表明:在岩石宏观膨胀破裂层面,砂岩表现为低温崩裂破坏,实测最高温度为194℃,辉长岩和花岗岩则为高温熔融破坏,实测最高温度分别可达367℃和492℃;岩石脱离本身基质约束产生裂纹或宏观破裂面时体积变化明显,高温熔融破坏时岩石体积膨胀率最大,花岗岩和辉长岩破裂时体积膨胀率为2.1%和1.8%。在岩石细观破裂面特征层面,微波场内高温熔融作用所产生的破裂面比低温崩裂面分维高2.0%,其中花岗岩、辉长岩和砂岩的破裂面分维分别为2.1092,2.0704和2.0660。在岩石微观损伤差异性机制层面,岩石破裂特征与主要成岩矿物的组分、含量和含水率密切相关。一方面,由于石英和其他矿物介电特性差异较大,当岩石内部石英含量较高时,热应力迅速增长;另一方面,水在微波作用下迅速汽化,在岩石内部产生高孔隙压力,试样易低温崩裂破坏,微观断口不会出现显著的损伤结构;而当岩石内部主要矿物组分介电特性差异较小及含水率较低时,试样内温度增长缓慢,矿物温度梯度相对较低,后期岩石整体呈现高温熔融破坏;岩石晶体化学分子结构分析结果发现,试样内部Si—O键含量波动幅度较大,石英和硅酸盐矿物XRD衍射峰和对应衍射角发生偏移,晶体主要受到微观压应力作用,表现为花岗岩的石英和斜长石矿物内部和交界处出现大量的显微裂纹和孔洞,辉长岩的损伤结构主要集中于辉石矿物内部,据此可推断适合微波辅助破岩的地质岩性工况,以期提高深部硬岩破岩效率。

土结构研究的回顾及新设想

从技术手段、研究方法和成果应用三个方向综述了土结构研究的三个阶段。在分析当前研究成果的基础上,对土结构多尺度耦合分析缺少直接来自细观-微观结构的几何-力学性质动态参数这一不足进行了讨论。通过对比细观-微观材料几何-力学性质研究领域内其他学科的技术手段与研究方法,结合作者的初步试验成果提出了土结构进一步研究工作的两点新设想,一是通过显微操作手段实现颗粒物质间结构连结强度定量测定;二是在根据土结构几何-力学性质动态参数,以连续介质力学与非连续介质力学相结合的研究手段,提高土结构的多尺度耦合的准确度。

宏观生态系统科学整合研究的多学科知识融合及其技术途径

综合认识大尺度的宏观生态系统结构功能、空间变异和动态演变的过程机理和模式机制,实现对生态系统变化及其对人类福祉影响的定量模拟、科学评估和预测预警,服务生态系统的利用保护及调控管理,是当代宏观生态系统科学的重要发展方向,正在孕育并形成大尺度的宏观生态系统科学整合生态学(IEMES)研究新领域。本研究通过对宏观生态系统科学整合生态学研究的基础理论、多学科知识融合途径及其关键技术问题的系统分析,形成以下几个基本认识:1)宏观生态系统科学整合生态学研究是以区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统为研究对象,采用多学科知识融合方法和技术,致力于解决人类社会发展的食物安全、资源安全、生态安全、环境安全等重大资源环境问题。2)宏观生态系统科学整合生态学研究的基本科技任务是:理解宏观生态系统的结构功能基本属性,监测生态系统状态变化,解释生态系统时空演变规律,认知生态系统运维过程机理,定量评估生态系统功能状态及服务能力,预测生态系统动态演变及地理格局,预警生态系统变化及生态环境灾害。3)宏观生态系统科学整合生态学研究需要重新构造"多源数据分析-多模型模拟-多学科知识融合"的理论和方法学体系,发展"多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度模拟"的多学科知识融合关键技术。4)大陆尺度的地基-空基-天基多时空尺度生态系统观测试验网络是承载多学科知识深度融合研究的基础科技设施,需要围绕区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统科学问题,发展多要素-多过程-多界面-多介质-多尺度-多方法的多学科维度生态学知识融合关键技术。

沥青路面非显性结构完整性失效特性分析

为探明沥青路面服役状态早期性能演变机理,通过定义沥青路面非显性结构完整性的基本内涵,从微细观界面参数性能及亚临界裂纹的混沌演化角度,对沥青路面的非显性失效做出评定。考虑沥青与集料的细观界面过渡区界面厚度D、界面弹性模量E和界面强度F为非显性结构完整性直接参数,进行量纲一化处理,研究直接参数变化对沥青路面衰变的微细观影响。同时以细观尺度裂纹尖端J积分为间接参数,确定衰变加速与裂纹失稳扩展的临界状态。在实际算例分析中,将细观尺度下的沥青混合料简化为粗集料、沥青砂浆和界面组成的三相复合材料参数。基于跨尺度分析机理与主-子模型位移传递方法,建立了宏观-细观有限元模型,考虑500次循环车轴荷载作用时沥青路面局部细观力学响应,选取了4处细观区域进行研究。初始设定量纲一化后单项参数[D]′与[F]′阈值为20%,[E]′的阈值为10%,超过单项阈值即可对界面性能产生一定影响。并采用相关算例实现了微裂纹萌生和动态演化模拟扩展过程,为非显性结构完整性的间接参数J积分评价提供了前置要素。结果表明:直接参数变化量超限度[ΔZ]′>15%时,界面将产生非显性失效;即使不考虑直接参数与间接参数耦合作用,单一参数超限度会对直接参数变化量ΔZ失效产生直接影响,ΔZ失效严重度受各项参数叠加影响;断裂韧度J_(C)与ΔZ呈负相关,当ΔZ从5.32%增加到28.51%时,相应J_(C)从1.725下降到0.724 kJ/m^(2),即随着路面非显性结构失效情况加剧,沥青混合料界面性能下降,其断裂韧度也相应降低。基于双判据准则可以初步揭示直接参数与间接参数的影响效应,进而为沥青路面的非显性结构完整性失效评定提供支撑。该研究可为沥青路面早期失效拐点判定与预防性养护提供参考。