散体介质复杂力链网络演化持续同调拓扑研究

力链网络是表征颗粒物质和散体介质细观力学本质特征以及研究其宏观结构力学行为的重要基础.由于力链构型的复杂性和多重形态,使得力链网络难以分析处理.拓扑数据分析(TDA)为定量描述力链网络提供了一种简单、有效且易处理的方法.基于拓扑数据分析中的持续同调理论,建立了散体颗粒从接触网络到力链网络,再到拓扑空间模型的分析方法.以放顶煤开采为例,采用光弹实验方法,追踪放顶煤开采力链演化过程,对顶煤与覆岩力链网络进行持续同调拓扑分析.研究表明:将采场中散体颗粒应力作为持续同调分析的阈值ε时,Betti数可以作为衡量采场来压的一个量化指标,采场顶部覆岩和工作面前方煤岩力链网络β0曲线呈抛物线形,且来压时抛物线峰值高于初始状态下的峰值.顶部覆岩β0峰值位于强力链范围,而工作面前方煤岩β0峰值位于次强力链范围.β1曲线呈L形,在[0.3,1]区间内,β1趋近于0,在[0,0.2]区间内与ε近似呈反比.持续同调拓扑研究为定量分析颗粒介质复杂力链网络演化和宏观力学行为提供了有效方法.

综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究

通过模拟试验,系统地研究了综放开采顶煤移动与放出规律、煤岩分界线形状,不同采放比、不同放煤步距、不同煤岩粒径比条件下的顶煤采出率与含矸率等,在理论上提出了顶煤采出率的预测方法.放煤的煤岩分界线为二次曲线,运用放煤前后分界线所围成的煤量减去放煤工艺损失量可预测放出煤量,采放比为1∶2、"二刀一放"时,放煤效果较好.

低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论与应用

由于放煤口布置方向的差异 ,放矿椭球体理论的适用条件与低位放煤综放开采的放煤过程有本质差异 ,因此基于模拟试验、FLAC计算、离散元模拟计算和现场观测 ,提出了散体介质流理论模型 ,揭示了低位综放开采中顶煤流动与放出的真实过程 。

基于散体介质理论的砂土管涌机制研究

结合小比尺细观模型试验,利用基于散体介质理论的颗粒流方法,考虑流固耦合作用,对砂土管涌的发生发展过程进行模拟。模拟方案跟踪记录管涌发展过程中砂样的孔隙率、流速、颗粒接触数、移动轨迹和流失量等参量的动态变化过程。分析结果表明:管涌发展过程中,随着水头增加,颗粒逐渐流失,砂样孔隙率增大,透水性能发生变化,进而影响系统的流速和水头的反应,揭示管涌发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性;颗粒流失量沿渗流方向呈逐渐减小趋势,管涌发展过程中颗粒移动轨迹随机,渗漏通道形成也具随机性,是复杂水土相互作用的结果。颗粒间接触数的剧烈波动揭示管涌发展过程中细颗粒运动剧烈,与粗骨架颗粒进行不断碰撞、分开,而颗粒的流失基本上不影响整个土体的应力场。模拟结果与有关的模型试验结果较吻合,一定程度上验证了该数值方法应用于大变形和流固耦合问题研究的可行性和合理性,所揭示的结果有益于砂土管涌机制的更深入研究。

振动场中散体介质波的传播规律

非理想散体介质显现出非匀质性、各向异性和层状分布等特点 ,且有气、液、固三相 ,其波的传播比较复杂。当应变值ε <1× 10 - 4 时 ,散体介质为弹性介质 ,据此分析并给出了各向同性散体介质中弹性波的波动方程、传播速度和波动能量的表达式 ,以及横观各向同性介质中弹性波的波动方程和能量透过系数表达式 ,并通过试验验证了能量衰减与分层介质密度有关。此外 ,根据瑞利波由P波和S波振动叠加而成的特点 ,分析了无限半空间各向同性介质和横观各向同性介质中瑞利波的传播特性 ;又由于勒夫波由SH波经多次全反射加强干涉产生 。

堆浸中矿岩散体介质孔隙结构三维可视化

利用X光CT(Computerized Tomography)技术无损伤地探测了堆浸体系中的矿岩散体介质,采集了矿岩散体介质孔隙结构图像。采用三维重构技术中的体绘制方法,提出了三维重构技术路线,利用MATLAB环境编写程序完成了矿岩散体介质及其孔隙结构的三维重构,实现了孔隙结构的可视化。结果表明所采用的体绘制方法原理简单,编程实现方便,重建速度快,能够真实有效地显示矿岩散体介质复杂的孔隙结构特征,并为多场耦合作用下堆浸过程中相关规律的三维数值模拟提供可靠的物理模型。

黏弹性散体介质中波的传播和耗散

经典弹性固体理论不能准确地描述散体介质中波的传播和能耗规律.本文从黏弹性角度来分析松散岩土介质中波的相关规律,给出了三种黏弹性模型及其本构方程:Maxwell模型、Kelvin模型及标准线性固体模型.给出小变形条件下黏弹性介质中的波动方程、传播向量和衰减向量的复数形式表达式、以及纵波和横波的衰减系数复数形式表达式.认为波的衰减与频率有关,频率越高衰减程度越大,并实验验证了此结论.另外,黏弹性散体介质中波的能耗还与介质对高频波的吸收有关,以及颗粒间的相对滑动磨擦也会增加能量的耗损.

散体介质中弹性波的传播规律

非理想散体介质是现非均质性，各向异性和层状分布等特点，且有气，，固三相，其波的传播比较复杂，当应当值ε＜10^-4时，可认为散体介质为弹性介质，其发生的变殂为弹性变形，分析给了各向同性散体介质中弹性波的波动议程，传播速度和波动能量的表达式，和横观各向同性介质中的弹性波的波动方程和能量透过系数表达式，并试验验证了能量衰减与分层介质密度有关。

散体介质锚拉支架支护作用模拟分析

采用实验室相似模拟实验和离散元数值分析对散体介质锚拉支架的支护作用进行了系统深入地研究,研究表明:锚拉支架维护散体顶板时,在顶板中存在两个拱,第二拱处的水平应力比第一拱更大,两个拱上下水平应力均有明显的压力降;锚拉支架受力不大,此种受力状态的锚拉支架所支护的顶板达到了稳定状态,支护效果十分理想.图10,参7.

超短脉冲复宗量拉盖尔—高斯光束在群速度色散体介质中的传输

基于脉冲光束在群速度色散体介质中的传输方程,通过傅里叶变换的方法,将超短脉冲复宗量拉盖尔—高斯光束的时空传输问题转换为谱域的空间传输问题.在谱域中单色连续光的复宗量拉盖尔—高斯光束解的基础上,利用拉盖尔多项式的递推关系式得到了时间域中超短脉冲复宗量拉盖尔—高斯光束的解析解.此类超短脉冲光束各频谱分量的空间分布为复宗量拉盖尔—高斯光束,并且各频谱分量具有同样的衍射程度.由于各高阶超短脉冲复宗量拉盖尔—高斯光束解仅为超短脉冲基模高斯光束解不同阶次的偏微分,可以很容易得到其时空光场分布.基于负色散介质中的(0,2)模超短脉冲复宗量拉盖尔—高斯光束,我们研究了此类超短脉冲光束的传输性质.结果表明:在传输过程中,其时间和空间分布均逐渐增大.除此之外,光束边沿还发生了相对光束中心的脉冲延迟.该延迟来源于两方面:其一为光束的非均匀群速度分布;其二为衍射导致的频率红移.随着脉冲宽度的增加,光束边沿的延迟效应迅速减弱,当脉冲宽度达到5倍振荡周期时,该效应可以忽略不计.

多漏斗放矿过程中散体介质力链演化特征量化研究

借助离散元软件,对多漏斗放矿过程中矿石散体介质体系内部力链数量、长度、强度、方向等演化特征进行量化研究。研究结果表明:在多漏斗放矿过程中,力链数量总体上呈指数形式减少,且不同放矿节点条件下力链长度的概率分布也均呈指数形式减少;力链强度波动范围较大,总体上随放矿次数增加而呈指数形式减少。不同放矿节点条件下力链强度的概率分布规律具有一致性,即先呈指数形式上升,后呈指数形式下降。在放矿前中期,散体介质体系内部力链分布主方向角θ_(n)始终保持在90°左右,各向异性程度表征参数β_(n)逐渐增大,表现出明显的各向异性;在放矿后期,与水平方向呈45°的力链逐渐增多,体系内部力链分布主方向角θ_(n)由84.40°变化为30.16°,各向异性程度表征参数β_(n)逐渐减小。

多漏斗放矿过程散体介质接触力特性量化研究

本文基于离散元软件,开展多漏斗放矿过程中散体介质接触力特性的量化研究。结果发现:放矿过程中,散体介质内部越靠近底部接触力集度越大,不同类型接触力概率分布均呈指数式衰减,且接触力强度的分布规律也具有较高的相似性;放矿前中期接触力网络的方向偏向y轴方向(铅垂方向),随着矿石颗粒不断放出,接触力网络方向逐渐偏向x轴方向(水平方向);放矿初期,接触力沿y轴方向较大,沿x轴方向接触力较小,法向接触力主要集中在铅垂方向;直至放矿中期,与水平方向夹角为30°的法向接触力逐渐增多,接触力分布的主方向由一个变为三个;放矿后期,与水平方向呈45°夹角的法向接触力逐渐增多,接触力分布方向由三个转变为六个。

堆浸工艺中一种矿岩散体介质孔隙发育的模型研究

分析了堆浸工艺中矿岩散体介质孔隙发育的过程和机理,认为孔隙发育过程可以分为初始阶段和稳定阶段,并且在稳定阶段存在反应-输运-力学(reaction transport mechanism,简称RTM)的耦合与反馈作用。基于孔隙中流体为稳定流的前提下,提出了一种堆浸工艺中矿岩散体介质孔隙发育的数学模型,该模型较好地耦合了堆浸工艺中的流体流动-化学反应-形变过程。

基于X光CT技术的矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析

应用自制的多功能实验装置同时进行了矿岩散体介质的柱浸实验和渗流实验,并采用X光CT技术采集了矿岩散体介质在浸出前后的孔隙图像.基于图像处理技术探明了其浸出前后孔隙率和孔隙连通性的演化规律,并分析了浸出过程中孔隙演化的主要原因.结果表明,堆浸系统中矿岩散体介质的孔隙率存在空间和时间变异性,随着高度的降低而逐渐减小,浸出后减小趋势更为明显,其平均孔隙率比浸出前减小了1.71%;孔隙连通性也存在空间和时间变异性,浸出后上部区域连通性得到改善,但下部区域的连通性明显劣化;浸出过程中矿岩散体介质的孔隙演化使渗流性能逐渐下降,下降幅度为31.37%,主要原因是其在多因素作用下的整体沉降和细颗粒的运移及堆积.

基于CT图象法的矿岩散体孔隙结构分形特征研究

利用CT技术分别获取了溶浸柱浸出过程中上部、中部以及下部三个不同区域的断面图像,通过自编的Matlab程序对图像孔隙的分形维数进行了估算,并简要分析了导致溶浸柱中孔隙结构变化的主要因素。结果表明:堆浸过程中矿岩散体介质的孔隙结构存在着空间和时间的变异型,孔隙结构变异程度同细颗粒在物理及化学作用下的迁移与堆积等因素相关;孔隙分维数在浸前随高度的增加而减小,浸后则随着高度的增加而增大;同一区域位置断面分维数浸出后较浸出前均有所增加,下部增加幅度为上部的近19倍。

堆浸过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸的演化规律

根据X射线CT技术无损伤地探测细菌浸出前、后矿岩散体介质孔隙结构特征,利用MATLAB环境编写程序对矿岩散体介质颗粒间横向及纵向孔隙尺寸分布进行统计,研究细菌浸出过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸演化规律及其对溶浸液渗流特性的影响。研究结果表明:矿岩散体介质孔隙尺寸分布不均匀,分布范围广,基本呈正态规律分布;浸出后顶部区域中等孔隙和大孔隙数量增加,小孔隙数量减少,底部区域中等孔隙也有所增加,但小孔隙数量减少,横向大孔隙数量减少,纵向大孔隙数量变化不明显;浸出后平均孔隙尺寸比浸出前有所增大,大孔隙含量增加,加强了浸堆的渗流各向异性;微细颗粒的运移和沉积对孔隙尺寸演化影响程度最大。

散体流动场中波的传播与振动助流机理

视流动场中的散体为弱横观各向同性介质 ,推导了P波、SH波和SV波的相速度表达式 ,分析了它们在流动散体介质中的传播特点 :P波波前为椭圆形或近似椭圆形 ,SH波波前为椭圆形 ,SV波波前为非椭圆形。由波的传播特点得出在振幅和频率较小的情况下 ,振波对散体的流动性影响不大。当振幅和频率逐渐增加时 ,椭球体的偏心率减小 ,散体间的粘性阻力和内摩擦力降低 ,散体的松散系数增加 ,抗剪强度降低 ,使散体具有更好的流动性。

散体颗粒架拱研究现状

把在立管中形成的拱分成气泡拱和颗粒拱两类，重点讨论了影响颗粒拱形成的因素，如散体的流动函数、气压及立管流动因子等，指出各种理论模型的优劣，对今后工作提出了建议．

振动场中散体的动力效应与分形特征研究

论文对振动场中散体的动力效应和分形特征展开了详细的研究,论文的主要研究工作如下:(1)利用DSA-1型振动直剪仪,对散体的动态参数(动抗剪强度τ,粘聚力c,内摩擦角ψ)进行测试:并试验研究了振幅、振频、水分、激振方式、振动速度、颗粒尺寸、散体的流动性等对动抗剪强度的影响。(2)在试验的基础上,对散体的动力特性展开研究。分析了散体在动荷载作用下的动应力-应变关系。