基于解析-数值耦合法的瓦斯压力预判方法

瓦斯压力是煤层瓦斯的重要基础参数,为了掌握煤层瓦斯压力,基于煤层瓦斯连续方程进行了瓦斯压力与煤层倾斜长度解析模型的推演,针对推演出的模型结合数值拟合方法建立了一种解析-数值耦合的瓦斯压力预判方法。为便于比较该方法与一般数值拟合的差异,选择了浅埋煤层及深部煤层两个差异化样本。不同样本下,一般数值拟合方法与耦合方法预判结果显示:样本Ⅰ中不同预判方法的相关性系数均在0.9874之上,样本Ⅱ中不同的预判模型相关性系数差异较大,耦合模型相关性系数最大为0.7786;样本Ⅰ中标准差数值及不同方法间差异均较小,样本Ⅱ中标差差异较明显;一般预判方法瓦斯压力增长梯度随倾斜长度的增加逐渐变大与实际不符,耦合方法瓦斯压力随倾斜长度增长趋于稳定与实际情况一致;不同预判模型下瓦斯压力生长曲线不因样本差异而有较大的波动。综合不同样本瓦斯压力预判结果可知,浅埋煤层瓦斯压力预判可应用线性回归方法,深部煤层瓦斯压力预判应用耦合方法与实际更相符。

水力压裂延迟活化断层的多场耦合数值模拟研究——以加拿大福克斯溪地区诱发地震为例

加拿大西部盆地的福克斯溪(Fox Creek)页岩气开采区自压裂开采以来,地震频度急剧增加,引发工业界和科学界的广泛关注。目前一些典型诱发地震案例的断层活化动力学机制尚未完全厘清。本文以2014年初福克斯溪地区Duvernay地层附近发生的地震群及构造为研究对象,开展地下断层受流体扰动而活化的多场耦合数值模拟研究。文中重点讨论的1号平台附近发生的诱发地震主要沿着两个较为清晰的发震断层发生,最大震级M_(W)3.9事件发生于压裂井下方约1 km处的结晶基底内,并具有典型的延迟触发特点。本文就上述断层的滞后活化现象开展数值模拟研究。首先,基于PKN裂缝扩展模型计算并验证注入流体的应力扰动输入项,根据地震数据识别出断层的具体位置,结合地层和构造信息建立二维地质模型;然后,耦合固体力学、流体渗流定律和断层活化理论搭建多孔弹性介质内的断层活化数值仿真模型;最后,采用有限元方法数值模拟水力压裂活化断层的全过程,通过计算库仑应力改变量(ΔCFS)的值来观测断层活化前后的流固耦合场和应力应变场的演化特征。结果表明,经过5天注水和15天扩散的流体作用,西断层附近的ΔCFS持续增加,验证西断层延迟活化的主要成因是流体逐渐扩散累积到结晶基底并改变了其应力状态。此外,模拟结果表明东断层的存在使得西断层更容易活化。断层位错产生的正ΔCFS区域与诱发地震发生位置高度吻合。本文的数值模拟研究重现了水力压裂活化断层的物理过程,相关机制的正演分析若能事先开展,将可能为地震危害性预测提供科学依据。

半潜式养殖网箱全耦合数值模型及其在规则波下的动力响应特性

随着水产养殖从近海至深远海的发展,具有抵抗恶劣海况能力的新型半潜式养殖网箱被相继设计和制造,研究其水动力性能具有重要的工程意义。基于势流理论和莫里森模型,结合三维面元法和有限元法建立半潜式养殖网箱主体框架-网衣-系泊系统全耦合数值模型,在验证数值模拟的可靠性后,分析规则波下网箱的水动力响应与结构应力响应,重点关注网箱各部分的相对运动。结果表明,网箱的运动由慢漂运动和波频运动两部分组成,其中慢漂运动会造成平衡位置的偏置;在波浪传播方向上,框架中同一高度处的节点几乎不发生相对运动,而不同高度处的节点由于竖向梁的旋转和弯曲而存在相对错位;侧向网衣中心区域存在较大的结构变形,从而导致了柔性网衣与主体框架存在较大的相对运动。此外,还分析了波浪参数和网衣密实度对网箱运动的影响。研究成果可为半潜式养殖网箱数值模拟方法提供一定参考。

路面结构水平向增强排水系统现场试验及水力耦合数值分析

提出路面结构水平向增强排水系统,实现在非饱和条件下排水,抑制水分进入路基土壤,并设置试验段和对照段进行现场试验.结果表明:在试验段,路基含水量波动幅度为10%-20%;在对照段,波动幅度为50%~60%,降雨影响更显著.通过数值分析发现,使用该系统的路面结构能减少地表变形量,并缓解毛细阻滞效应,防止水分进入路基土壤.通过对碎石垫层材料进行参数分析,确立最佳厚度为10 cm.随着碎石材料的α值、n值和e_(0)值的增大,路面结构中水分积聚程度会先增大而后减少.

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明:一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。

孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究

为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响,采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先,阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理,然后,开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与试验结果进行对比验证。最后,对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(β为0°、30°、45°、60°和90°)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样,抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势,且均在层理倾角为0°时抗压强度取得最大值,在90°时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能,且削弱幅度与孔洞形状密切相关,其中方形和圆形孔洞对抗压强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(β=0°)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(β=30°)、沿层理面剪切破坏(β=45°和60°)和沿层理面拉剪劈裂破坏(β=90°)。

反应堆核热耦合松耦合数值仿真研究综述

在反应堆运行过程中,包含多个性质不同却相互联系的物理现象,涉及反应堆物理、热工水力、材料、系统控制等专业。本文主要探讨堆芯反应堆物理与热工水力间的相互作用,且主要关注对反应堆安全运行具有重要意义的耦合现象,对核热耦合的松耦合数值仿真研究进展进行广泛综述。本文先简要介绍核热耦合的原理方法和主流数值仿真程序,随后依据仿真程序自身特点进行科学分类,最后着重研究四类松耦合数值仿真方法现阶段的实际应用情况,给出了典型算例,并分析其计算效果及实用价值。

察哈素煤矿综采面多尘源耦合数值模拟研究

当前,绝大多数煤矿在开采过程中,均会产生一些粉尘,对开采人员的身体健康造成极大的危害,还会对开采效果造成影响。文章以察哈素煤矿综采面为例,使用多尘源耦合数值模拟方法进行全面分析,分析得出粉尘的运动轨迹,从而得出不同作业工序下空间粉尘浓度分布,确定影响粉尘浓度分布的主要因素。

基于水热耦合的寒区隧道仰坡稳定性研究

【目的】研究我国西北部寒冷地区的隧道仰坡稳定性及其季节温度效应的变化规律。【方法】建立寒区隧道仰坡的水热全耦合数学模型,以冻融环境变化为模拟分析基础,对其水热环境和稳定性进行数值模拟计算。【结果】结果表明,寒区隧道仰坡稳定性与土体冻融状态相关;临空面土体受环境温度影响较为明显,而内侧土温变化不显著。【结论】当温度降低,土体冻结层厚度增加时,仰坡稳定性表现较好;气温回暖季节冻融层融化,仰坡破坏滑移面几乎与坡面平行并向上延伸,极易发生滑塌灾害。

隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法,根据岩体的基本结构特征及代表性单元体(REV)是否存在提出了流固耦合模型的建立方法;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法;利用数值法研究了隧道开挖渗流与应力耦合问题,得到变形和渗流场的变化规律。结果表明,隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。

铸轧熔池内三维流场与温度场耦合数值模拟

建立了双辊式薄带钢铸轧过程的三维流场与温度场耦合数学模型 ,研究了工艺参数对铸轧过程的影响。结果表明 :较低的过热度可以在薄带的整个厚度方向上得到较为均匀的组织 ,但是过热度太低则易使金属冷凝在浇注系统中 ,不利于夹杂物上浮 ;铸轧速度在v≤vc的一定范围内可使凝固终点正好在辊缝吻合点以上 2～ 8mm范围内。通过该模型的研究 ,可为控制带钢铸轧过程打下理论基础。

叶片前缘两相流冲击冷却的耦合数值模拟

为了更好地强化叶片前缘的换热,对叶片前缘进行两相流强化冲击冷却的耦合数值模拟研究。利用水滴/蒸汽冲击曲面冷却系统进行数值模拟程序的校核。在此基础上,利用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法对叶片前缘的两相流冲击冷却进行耦合数值研究。研究了水滴加湿量、水滴直径和水滴与壁面的作用边界条件对换热性能的影响。结果表明当加湿量从3%增加到8%时,最大的平均传热增强系数从1.671增加到4.913;水滴直径从5μm增加到20μm时,最大的平均传热增强系数从2.128降低到1.164;反弹和反弹+破碎边界条件预测的传热效果好于粘附和粘附+破碎边界条件。

超宽板坯结晶器内流场和温度场的耦合数值模拟

以南钢3250超宽板坯结晶器为研究对象,基于商业软件FLUENT,建立了超宽板坯结晶器三维有限体积模型,对结晶器内钢液流动状况和传热行为进行了耦合数值模拟,研究了超宽板坯结晶器流场和温度场特征,考察了水口结构参数和结晶器宽度尺寸、水口倾角、水口插入深度、拉速、过热度及冷却强度对超宽板坯结晶器流场和温度场的影响,多组对比模拟计算结果表明,当浸入式水口出口倾角为15o,插入深度为120~150mm,拉速为1.2~1.4m/min时,结晶器自由液面速度和湍动能分布以及注流冲击点深度均较为适宜,流场较为合理;同时结晶器内钢液的温度分布相对均匀,有利于坯壳的均匀形成.数值模拟结果可为优化南钢超宽板坯结晶器浸入式水口结构以及确定合理工艺参数提供理论依据.

基于非结构网格的波流耦合数值模式研究

本文采用ADCIRC模型和SWAN模型,建立了一个基于非结构化网格的波流耦合数值模式,风浪计算和潮汐风暴潮计算均采用同一套三角网格,对复杂岸线和建筑物布置均有较好的描述,且避免了模型插值,提高了计算效率和精度。利用该模型对渤海湾西南海域几次强风过程中的风浪和潮汐风暴潮进行了研究,通过实测资料对该模型进行了验证,结果表明该模式具有较高的精度,能较好地描述风浪、潮汐风暴潮的传播演变及其相互作用,可应用于风浪与潮汐风暴潮的模拟计算。

SF_6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值模拟

SF6高压断路器对某一具体故障的成功开断是其灭弧室结构、开断电流和操动机构三者共同作用的结果,这使得断路器压力特性与机械特性的耦合数值模拟在断路器结构设计和优化中占有非常重要的地位。基于气体质量守恒、能量守恒定律和牛顿第二定律,采用模块化拓扑关联分析方法,建立了SF6高压断路器压力特性与机械特性耦合数值分析计算方法。应用该方法对126kV/40kA SF6高压断路器空载、T100s开断压气缸内气体压力特性和操动机构的机械特性进行耦合数值计算,对比了开断电弧对压气缸内气体压力特性、质量和焓的流动特性及操动机构行程曲线的影响。

方坯连铸流动传热的三维耦合数值仿真

在考虑速度粘性耗散项的情况下建立了方坯连铸三维稳态流动传热耦合数学模型,模型中对二冷区传热边界条件的处理与以往模型相比更加准确。应用该模型和早前基于有效导热系数方法所建立的方坯连铸二维非稳态有效导热系数模型对涟钢1号ROKOP方坯连铸机(150×150mm2)连铸过程中拉坯方向上一定区域内的流动与传热现象分别进行了数值仿真,计算结果对比分析得出,在仿真运算所选取的钢液对流较强的计算域内,三维耦合模型能更为准确地预测出铸坯的温度场。另外,通过两种数学模型对铸机整个冶金长度范围内的凝固过程进行了复合数值模拟并设计出了相应的二冷方案。连铸机的生产实践表明,二冷设计方案非常合理,连铸过程的数值仿真结果具有较好的可靠性和实用性。

泥石流与公路路基相互作用的耦合数值仿真

泥石流是天山公路的主要地质灾害之一。基于泥石流损毁路段的调查,结合泥石流对公路路基的冲蚀以及泥石流体本身的运动特性,建立了新疆天山公路泥石流路基耦合数学方程和物理模型,通过数值仿真软件,对泥石流与防治结构之间的耦合作用进行仿真分析。结果表明:耦合作用受到泥石流规模的制约;路基最易破坏位置为泥石流直接冲击位置。

基于ArcGIS与FLAC^(3D)的矿山边坡三维可视化与数值模拟耦合研究

以某矿山露采边坡为例,利用Arc GIS软件建立了边坡三维地层可视化模型,针对岩土工程特点,采用一种简化方法实现了从矿山边坡三维可视化模型到FALC3D计算模型的耦合与自动转化,开发了相应的计算模型生成插件。该方法充分利用了地层三维可视化模型可较好地表达研究区域内地质体的空间几何形态的优点,拓展了可视化模型的应用范围,排除了从地层可视化模型全自动生成精确岩土工程数值计算模型在网格形状、材料区域边界、断层/节理单元等方面所面临的困难,极大地简化了数值模拟的前处理工作。数值模拟结果表明:随着网格尺寸的不断加密,本研究方法得到的计算结果可满足岩土工程分析的实际需求,具有良好的工程应用前景。

黄海冷水团水域物理-生态耦合数值模式研究

以物理-生态耦合数值模式为研究手段,对黄海冷水团水域叶绿素和营养盐垂向分布的季节变化进行了研究.模式成功地揭示了叶绿素和营养盐垂向分布季节变化的主要特征,叶绿素垂向分布最大值形成和演变过程、两次大量繁殖期及物理过程对其夏季垂向结构的影响.与实测资料比较表明:数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性.

还原炉冷却模块流场与温度场耦合数值分析

为准确、深入地了解还原炉冷却模块在工作状态下的温度场及冷却水的流场分布,基于热-流体耦合理论,采用STAR-CD流体分析软件对还原炉冷却模块进行流场与温度场耦合数值分析.由耦合数值分析结果表明,冷却模块的冷却效果比较好,炉壳外表面中心部位温度为60℃,符合设计要求,此冷却模块可以满足实际生产需要.