波流水槽模拟系统在本科教学中的应用

大型精密仪器波流水槽模拟系统是模拟波浪和海流的有效方法之一,在港口、海岸和海洋工程的规划、设计和施工中被广为应用。为了培养大学生的创新精神和实践能力,同济大学波流水槽模拟系统向学生开放,通过建设可操作实验项目、鼓励大学生创新实验、促进完成本科毕业设计、科研项目适当为本科教学服务等措施,在提高教育质量、实施大学生创新性实验计划、创新人才培养等方面已经取得了显著成效。

直流聚焦超前探测影响因素及水槽模拟实验

采用基于异常电位法的三维有限元数值模拟方法,对影响直流聚焦超前探测效果的各种因素进行了数值计算,以异常幅度大于三倍均方误差为标准,对各种影响因素是否忽略进行了判定。结果表明,距离隧道轴线6m之外的旁侧异常体对超前探测效果影响很小,坑道后方的金属体对超前探测效果几乎没有影响,坑道正前方水体灾害的规模大小对聚焦电流法超前探测距离的确定影响较大。最后制作隧道空腔模型进行水槽模拟实验,该实验验证了九极聚焦法的实际可行性,并且其探测效果明显优于传统的单极装置。

水下光场及其影响机制的水槽模拟实验研究

测定了水下光合有效辐射 (PAR)、光谱成分及悬浮物、叶绿素a等参数 ,分析了水下PAR变化及光谱分布、光衰减系数的光谱分布、辐照度比的变化、水下光场的数值拟合 .结果表明 ,PAR的垂直分布主要取决于水体中的物质组成 ,从静止到小水流、大水流状态 ,PAR的衰减显著增大 ,分别由 1增大到 2m- 1,再到 4m- 1;表面辐照度最大值一般在 5 6 0nm左右 ,随着深度增加最大值出现波段向红光波段移动 ,水下光谱在蓝光波段衰减最强烈 ,其次是绿光、红光 ;光衰减系数随着波长的增加大致呈下降趋势 ,向下辐照度衰减系数在静止、小水流、大水流 3种状态的值分别在 0 .75～ 2 .5 6 ,2 .30～ 4 .6 6 ,3.5 1～ 10 .34m- 1间变化 ;辐照度比最小值出现在蓝紫光波段 ,但在 5 80和 70 0nm附近出现两个峰值 ;在通过对光学参数与主要影响因子进行数值拟合以及计算叶绿素a对衰减系数的贡献率发现 ,水流变化引起的悬浮物浓度增加是造成水下光衰减的主要因素 .

浅埋煤层采空区直流电法探测水槽模拟试验研究

浅埋煤层采空区因其埋藏浅,易造成地表塌陷,给人们生产和生活带来严重影响。直流电法探测是查明其分布状况的有效手段,浅埋煤层采空区直流电法探测电性响应特征研究可有效指导野外生产并提高探测精度。以直流电法的探测理论为基础,以水槽模拟为研究手段,选用不同介质模拟充气高阻浅埋煤层采空区和积水低阻浅埋煤层采空区,根据相似准则建立了浅埋煤层采空区的地电模型,通过水槽模拟研究了直流电法温纳装置、施伦贝谢装置和单边三极装置下浅埋煤层采空区的地电场响应,通过不同图件对比分析了高阻、低阻采空区在直流电法3种不同装置上的响应特征。水槽模拟试验结果表明:浅埋煤层采空区在直流电法不同装置上均有明显的电性差异,四极测深和三极测深均能较好地反映出高、低阻采空异常体在平面上的位置;温纳装置对高、低阻采空区反应都较好,且垂向分辨率较高;施伦贝谢装置随探测深度加大分辨率会降低;单边三极装置对采空异常反应最为灵敏,但异常位置稍有偏差。

珠江口盆地白云凹陷古近纪挠曲缓坡带三角洲沉积过程响应水槽模拟

南海北部陆缘深水区已发现数亿吨油气地质储量,而裂陷期古近系规模有效储层的分布是深水区勘探取得持续发现的关键。珠江口盆地白云凹陷深水区挠曲缓坡带裂陷期从文昌组到恩平组的地震资料上可观察到持续发育的大型辫状河三角洲。在无井或少井的情况下,为进一步认识该区构造沉降过程中大型辫状河三角洲的沉积单元组成、演化规律,开展了白云凹陷挠曲缓坡带三角洲沉积过程响应水槽模拟实验。实验设计了3期构造沉降,分别对应古近纪区域构造—沉积演化的3个时期,即均衡裂陷期、拆离裂陷期和断拗裂陷期,采用洪水、平水、枯水相间隔的方式模拟牵引流的水动力机制。实验表明,在3期构造沉降过程中,挠曲缓坡带均发育天然堤、泛滥平原、分流河道、废弃河道、支流间湾、水下分流河道、河口坝等三角洲沉积环境微相单元;辫状河三角洲以侧向进积作用为主,垂向加积作用为辅,沉积中心逐渐向洼陷中心迁移;裂陷期挠曲缓坡带三角洲形态及砂体分布主要受构造地貌、入湖河流流量、湖平面升降以及水体深度等因素控制。

干旱条件下冲积扇的沉积构型和演化过程:基于水槽模拟实验

利用延时相机以及3D激光扫描仪等设备,通过水槽实验获得了74组扇面地貌数据,并采用定量化的软件对这些数据进行了精细的沉积学分析,明确了干旱条件下冲积扇的沉积演化过程及其控制的沉积构型。研究表明:(1)干旱条件下冲积扇沉积演化过程中水动力、水流样式、扇体增生规律等均存在明显的差异性,根据这些差异将整个模拟实验分为早期、中期、晚期3个阶段。(2)实验早期,扇体水动力较强,主控沉积作用为片流沉积,根据片流沉积的分布范围,可将其分为整体片流沉积和局部片流沉积。(3)实验中期,扇体中远端水动力及扇面扩大速率均有所减小,主控沉积作用为非限定性水道,主要沉积体为朵体沉积,非限定性水道主要分布在近源端,而朵体主要分布在水道末端的开阔地带。(4)实验晚期,受巨大的扇体影响,水动力进一步减小,主控沉积作用为限定性水道沉积。(5)通过实验研究,建立了具有明显3层结构的干旱条件下冲积扇沉积构型模式,其中底层是片流朵体复合体、中层为非限制性水道与末端朵体复合体、顶层是水道和小型末端朵体复合体。

鄂尔多斯盆地延安地区山西组山2段浅水曲流河三角洲沉积模拟实验研究

【目的】勘探实践表明,鄂尔多斯盆地东南部延安气田主力产气层山西组山2段砂体呈狭长条带状分布,与北部各大气田上古生界砂体大面积连片分布存在显著差异,厘清山西组山2段砂体成因机理对理解该区砂体分布规律具有重要意义。【方法】以盆地东南部山西组山2段为地质原型,利用水槽沉积模拟实验探讨其砂体形成演化过程及控制因素。【结果与结论】平缓坡度与低水流强度是山2段分流河道呈低弯度曲流态的重要因素,水平面的变幅速率是控制山2段砂体纵向延伸的关键因素,砂体的大小及长宽比受岸线及流量变化控制,砂体整体的延伸距离及长宽比分别与水退的幅度和速率成正比。山西组沉积期,在水平面大幅度下降、岸线向湖区长距离迁移背景下,曲流河三角洲前缘砂体延伸较远距离;砂体叠置样式具有“垂向叠置”、“垂向切割”和“侧向迁移”的特征。该认识对山西组砂体分布预测和寻找优质储层具有重要的指导意义。

矿井水害音频电透视法监测水槽物理模拟试验研究

矿井音频电透视法是采煤工作面水害隐患监测的主要方法之一,但在煤矿井下工况环境中,其监测电极容易发生锈蚀,导致监测数据质量下降,对监测结果成像解释造成不利影响。笔者开展矿井水害音频电透视法监测水槽物理模拟试验研究,建立尺寸相似比为1∶250的物理模型模拟底板水动态导升过程,通过与数值模拟结果进行对比,分析电极锈蚀对监测数据的影响特征,采用电极一致性校正方法对该影响加以校正,进一步通过三维电阻率反演成像验证校正方法的有效性。物理模拟与数值模拟结果显示,浅部小规模异常体和深部异常体(70 m深度)会导致接收曲线极大值在其中心位置附近略有降低,随深部异常体位置逐渐升高,接收曲线在异常体中心位置形成交汇,整体上呈现越来越明显的双驼峰状形态;电极锈蚀会导致物理模拟接收曲线出现锯齿状畸变或发生整体偏移,电极锈蚀导致的采集误差容易掩盖浅部小规模异常体和深部异常体的异常响应,并导致成像结果中出现假异常,对监测成果解释产生不利影响;采用电极一致性校正方法,通过对物理模拟试验数据分别按照共发射点和共接收点顺序进行二次排序和光滑滤波,可以消除电极锈蚀带来的采集误差,压制成像结果中的假异常,改善成像效果。此外,物理模拟接收曲线整体表现出左低右高的变化规律,导致成像结果中异常位置整体向右侧偏移,还需要通过进一步试验探索造成该现象的原因。

双物源条件下水槽沉积模拟实验结果的三维重构

水槽沉积模拟实验为研究砂体的形成、分布及演变规律提供了一种直观有效的手段。通常对模拟结果进行二维切片,通过若干二维切片研究砂体在三维空间的展布。为了直接在三维空间研究砂体的分布规律,在双物源条件下水槽沉积模拟结果二维切片的基础上,提出了一种砂体三维重构的方法。具体做法是:首先以高精度的方式对水槽模拟砂体进行解剖,利用商业化建模软件对获取的二维剖面图像进行坐标配准;然后对识别出的砂体进行数字化;利用数字化的结果作为条件数据,采用建模算法进行砂体的三维重构。结果表明,三维重构后的模型更好地再现了不同物源方向砂体在三维空间的形态和分布特点,为地下储层砂体分布的预测提供了参考。

基于水槽沉积模拟实验的不同类型辫状河心滩坝发育特征及主控因素分析

辫状河具有较多的沉积类型和复杂的形成机理,易形成优质储集沙体。为研究不同类型辫状河心滩坝发育特征及其主要控制因素,结合不同地区的辫状河类型,以底形坡度、河道宽度及河岸类型为地质变量,基于水槽沉积模拟实验,设计3种类型辫状河,即开阔型辫状河、限制-开阔型辫状河和限制型辫状河;控制不同水流大小和加沙量,根据水槽沉积模拟实验结果,分析不同类型辫状河心滩坝沉积特征及定量表征参数。结果表明:开阔型辫状河心滩坝长宽比介于3~11,平均为6,以纵向沙坝为主;限制-开阔型辫状河心滩坝长宽比介于2~5,平均为3,以纵向沙坝和侧向沙坝为主;限制型辫状河心滩坝长宽比介于1~3,平均为2,以侧向沙坝和横向沙坝为主。底形坡度、水流强度与河岸类型是影响不同类型辫状河心滩坝沉积差异的主要因素,其中,不同因素引起辫状河心滩坝形态特征及几何规模的差异,可为古辫状河心滩坝沉积的精细表征提供定量参数和理论依据。

干旱型分支河流体系沉积特征与演化过程——水槽沉积模拟实验研究

在干旱气候背景下,盆地边缘可形成一种发育于盆地边缘并顺源延伸至湖盆边缘终止的大型沉积体系,即分支河流体系,其主体往往被称为冲积扇。分支河流体系规模较大,沉积过程复杂,其沉积物可形成大规模的油气、水储层。为了明确干旱型分支河流体系沉积演化过程及其不同时期沉积特征的差异,通过水槽沉积实验模拟再现其沉积过程,并采用三维激光扫描、延时拍摄等技术手段精确监测。研究结果表明:1)分支河流体系的半径、边缘糙度与模拟期次(沉积物供给)呈对数相关关系,同时其增生规律呈现明显的阶段性差异,据此可将沉积演化过程划分为早期、中期及后期三个阶段。2)各阶段沉积特征存在较大差异,初期阶段以片流为主,片流单元在分支河流体系表面呈连片状多期次迁移叠置,中期阶段非限制性河道的侧向迁移及与其远端相连的限制性河道的形成与废弃共同主导了沉积过程,后期阶段非限制性河道发育程度大大降低而限制性河道发育程度大大增加并主导沉积过程。3)分支河流体系的三阶段演化导致其本身由三个沉积特征差异较大、空间结构迥异的沉积层构成,包括底层片流朵体复合体、中层非限制性河道与限制性河道切割叠覆体、顶层限制性河道切叠沉积体。

生态浮床布设下明渠水流结构及阻力特性试验研究

生态浮床已广泛运用于城市河道净化工程,但浮床布设改变了原河道断面水流结构,增加水流阻力,可能降低河道行洪能力。现有研究主要针对浮床水动力学特性分析,而关于浮床引起的水流阻力变化定量研究较少。为此,通过水槽试验研究了浮床刚性植物在10、20、30 cm三种淹没深度及平行、交错两种布置方式的组合工况下对水槽断面水流结构产生的影响。由于传统的曼宁公式无法直接用于浮床覆盖区糙率系数的求解,基于等效断面原理增加浮床阻力项,求解浮床覆盖区综合糙率与刚性植物附加糙率。结果表明,淹没深度越大,浮床阻水效果越强;交错布置方式比平行布置方式更增加水流阻力;浮床刚性植物在平行布置条件下断面综合糙率在0.381~0.417之间,交错布置条件下断面综合糙率在0.397~0.427之间,断面综合糙率随植物淹没深度和布置方式的变化而变化。

分支河流体系沉积学工作框架与流程

基于现有的研究成果和存在的问题,探讨了分支河流体系(DFS)研究中的关键科学问题、主要研究内容、研究方法和工作流程。研究结果表明:①DFS研究中最关键的3个科学问题是明确河网结构和河型演变规律、构建沉积标志和沉积模式、分析其形成和分布的控制因素。②DFS研究的主要内容包括建设形态沉积学数据库、现代沉积机理研究、分类研究、建立沉积模式、储层建模与储层预测等5个方面。③DFS研究中的关键技术包括基于遥感图像的形态数据采集、形成机理的水槽和模拟实验、河网重构、顶点位置预测与河道分汊点自动生成方法、储层建模知识库平台等。④DFS研究的基本工作流程是先建立形态沉积学数据库,搭建数据库软件平台,在此基础上选择具有代表性的DFS进行现代沉积解剖,然后综合现代沉积调查、露头解剖和模拟实验成果,形成分类体系,总结各类DFS的识别标志和沉积模式,分层次建立储层预测模型,形成沉积结构储层预测模型的建模软件平台,从而预测沉积体系中有利储层的分布。

大气边界层各向异性的室内模拟研究

边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性。

现代盐湖沉积与岩盐析出模拟的相似性及其对成盐模式的启示

盐类析出模拟实验有助于增进对成盐模式的理解,但运用正演模拟进行类比分析的前提是实验模型与盐湖原型的沉积机理具有相似性。基于现代盐湖的野外地质调查,对岩盐析出模型与现代盐湖在沉积物的结构、空间分布以及沉积机理的相似性等方面进行了对比分析。研究表明,深度较小的水槽,以空气—卤水界面析盐和蒸发泵成盐为主;而对于水深和规模较大的现代盐湖来说,上述两种成盐方式主要分布于湖盆边缘的浅水区,水深较大的斜坡带和洼陷带以卤水—湖底沉积物界面析盐为主,反映了水深较浅的水槽无法再现古代盐湖的湖盆底形和沉积物分布特征。现代沉积调查显示,在封闭的内陆盐湖盆地中,岩盐通常形成于湖退期—低位期,其沉积厚度从湖盆边缘向洼陷中心有逐渐增大的趋势,即岩盐的沉积中心和洼陷中心保持一致。岩盐的结构跟沉积环境密切相关,盆缘滨岸带的岩盐多为薄层状与砂岩共存,晶体粒度小;而洼陷带以粗粒结晶的盐岩为主,单层厚度大,常与暗色泥岩互层。岩盐沉积中心和洼陷中心关系的厘定,对于湖盆的古地貌恢复和沉积体的预测,具有重要的理论和现实意义。

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。

非均匀下垫面对流边界层热通量特征的物理模拟研究

利用对流水槽,通过在底面设置马赛克状隔热覆盖物,模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.在对流边界层发展的同时,利用温度廓线测量仪器分别测量不同下垫面的温度廓线,获取不同时刻温度场的数据,由此计算了热通量廓线。结果表明,非均匀下垫面对流边界层的归一化热通量随高度表现出非线性特征,即具有上凸和下凹的特征。上凸和下凹特征随时间出现振荡,这明显不同于均匀下垫面的情形。从热通量等值线图上可以看出,总体平均的热通量廓线振荡较小,局地热通量廓线振荡较大,而且下垫面未覆盖区域的热通量廓线比覆盖区域振荡的频率更高、振幅更大。这表明,非均匀下垫面条件下的对流边界层和均匀下垫面条件下的对流边界层的湍流结构有很大的不同。热力非均匀下垫面湍流特征呈现出一些均匀下垫面所没有的物理特性。在均匀下垫面得到的边界层的参数化规律不能简单地用于热力非均匀下垫面的对流边界层发展过程。水槽模拟的结果可以为数值模拟和野外观测提供有益的参考。

夹卷层大尺度相干结构运动特征的室内模拟研究

大尺度相干结构是大气边界层中一种重要的物理现象。本文利用室内水槽模拟方法模拟对流边界层的发生发展,利用实验获取的光斑图像对夹卷层大尺度结构进行了研究。通过分析实验采集的光斑图样中大尺度相干结构的闪烁特性,发现其对应于光斑中长而亮的条纹,而在闪烁指数廓线中对应于峰。根据大尺度结构的这种闪烁特征,本文提出了一种空间相关方法计算其垂直平均速度,并对大尺度结构的运动特征进行了分析,结果表明,边界层顶部热泡以缓慢运动为主,其驱动了边界层顶部的发展。

对湖平面下降的定量计算的水槽实验

水体深度变化是沉积体发育的重要影响因素,对于水体深度变化的定量恢复具有重要的意义。利用控制变量法通过除水体深度以外的一切因素保持不变的水槽模拟实验,观察记录模拟扇三角洲向湖方向最大发育位置随湖平面下降的变化,最终得到扇三角洲向湖方向最大前积距离和湖平面下降深度之间的定量关系,通过数据整理分析,建立两者和底形坡度间的几何数学关系,作为湖平面下降的定量恢复的计算公式。为了验证实验的有效性,在增加重复试验的基础上,又进行了两个系列的重复对照试验,以排除人为划定最大位置和物源供应速率改变的影响。

冲积扇研究现状及沉积模拟实验——以碎屑流和辫状河共同控制的冲积扇为例

近年来,对冲积扇复杂沉积机制与沉积过程的研究受到关注,取得了较大进展。从冲积扇的分类及其沉积特点、冲积扇沉积储层构型表征方法及冲积扇沉积机制等方面对冲积扇研究现状进行了详细综述。之后,针对碎屑流与辫状河共同控制下冲积扇水道演化机制不明的情况,利用水槽沉积模拟对冲积扇过程进行了沉积实验模拟。研究表明,冲积扇具有多种分类方案,反映了冲积扇的多样性和复杂性;冲积扇表征技术主要有现代沉积、野外露头、地下密井网解剖和水槽沉积实验模拟等方法;控制冲积扇发育的异旋回因素主要有:构造差异活动、同生断层的组合样式及物源气候的变化等;自旋回因素控制下冲积扇存在多种沉积机制,其决定了冲积扇内部构型单元的分布。通过水槽沉积模拟实验研究发现,对碎屑流与辫状河共同控制下冲积扇沉积过程具有如下特点:1在扇体初始雏形形成后,水携沉积物具有向扇面低势部位堆积的趋势;2扇面辫状水道存在两种重要的迁移方式,单一主水道迁移和分叉式次水道迁移方式。单一主水道的迁移是导致扇体辐向前积增大的主要原因,而分叉式次水道迁移方式是扇体展宽的重要机制;3在构造条件相对稳定的情况下,多期扇体具有明显向源退积的特征。在前述研究基础上,探讨了下一步冲积扇的研究方向。