水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明:试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM(Ud与Ue的比值)显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标K_(eff)显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明:采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO2到深部咸水层(CO2地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO2向大气排放的途径。CO2地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO2在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO2捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO2注入后地层中的温度、压力、CO2饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万t/a的CO2注入量;压力上升的范围远远大于CO2运移和温度降低的范围,注入20a后,其最大距离分别达到接近边界10km、620m和100m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO2注入能力。

浅水湖泊群连通与调水的二维水动力-水质耦合模型研究

将湖泊群连通并进行引清调水的水环境污染治理模式在浅水湖泊分布比较集中的地区逐渐受到人们的关注。为了探究独立湖泊群相互连通引水后各湖区的水动力水质变化情况,以武汉大东湖生态水网工程的建设为背景,建立了湖泊群二维水动力-水质耦合模型。采用适合复杂边界的非结构化网格,考虑湖底地形和气候条件,考虑污染物的输入、迁移和转化,以及蓝藻等浮游生物的生长条件,分别利用东湖2006年6月和2007年6月的野外数据对所建模型进行参数的率定和校核,并利用2012年6月实测数据对3种引水方案与3种连通模式组合情况下湖泊群的BOD5,TP,TN以及Chl-a等生化指标的变化情况进行模拟,对稳定运行30 d后的模拟结果进行比较分析。结果表明:引水工程中,对于水域面积较大的湖泊,风力作用依旧是影响流场的主要因素;同样的引水流量下,不同的调水方案对水质改善结果有较大差别;湖泊群中隔堤的存在会给湖泊污染治理带来困难,而在湖泊群中适当区域设置生态小岛对水质变化过程影响微弱。

基于水动力-力学耦合方法的岩溶塌陷预测

岩溶塌陷是危害性较大的地质灾害之一,预测岩溶塌陷是目前公认的难题。基于Terzaghi固结理论和GMS软件建立了地下水动力学-岩土力学耦合数值模型,并利用该模型对武汉市青菱乡塌陷区的某地块土-岩交界处溶洞塌陷进行了数值模拟分析与预测,分析了地下水位升降及降雨入渗作用对岩溶塌陷的影响。结果表明:地下水位快速升降时,大气降雨加速了土洞破坏,引起地面塌陷的范围最大;孔隙水位、岩溶水位同时下降时,地表沉降的幅度最大。基于地下水流场的力学耦合方法用于典型岩溶工程问题岩溶塌陷的空间预测与定量分析,其预测结果客观可靠,可为同类工程地质问题提供借鉴。

漂浮式风机气-水动力耦合下的独立变桨控制方法

提出一种漂浮式风机(FOWT)气-水动力耦合下基于径向基函数神经网络(RBFNN)的独立变桨控制方法。首先,考虑风剪切效应和塔影效应,建立更精确的气动模型,将气动模型与水动模型耦合,得到风浪流扰动下的相对风速。在此基础上,采用径向基函数(RBF)神经网络逼近变桨控制系统未知的非线性函数,通过Lyapunov方法导出自适应率,在线调整神经网络权值来改善所提出的独立变桨控制系统的动态性能。在FAST-Matlab/Simulink联合仿真的基础上,将该文所提控制方法和传统PI控制方法进行对比结果表明,该文所提方法能够更有效地实现FOWT输出功率的稳定,并在一定程度上减小了漂浮基础的载荷波动和俯仰振荡。

岩溶塌陷水动力-力学耦合过程数值模拟——以武汉市青菱乡为例

岩溶塌陷是近年来我国频发的主要地质灾害之一,地下水是影响岩溶塌陷的重要因素,基于Terzaghi固结理论和GMS软件建立水动力-力学耦合模型,在GMS软件模拟流场的基础上编制了力学计算程序,实现了水动力-力学耦合模拟,因此本文的研究具有十分重要的理论与实际意义。以武汉市青菱乡烽火村地质条件为背景,通过建立的水动力学-力学耦合模型,对武汉市青菱乡重点塌陷区的岩溶塌陷进行了模拟及预测评价。结果表明与定性分析的影响因素一致,降雨加速了土体破坏变形,加快了土洞破坏;工程建设排水发生流砂现象,使砂层发生破坏;长江水位波动所引起的力学效应对土洞的发育具有明显影响。

轴对称荷载下饱和地基热-水-力耦合动力响应

基于Biot波动理论,通过建立饱和地基的热-水-力耦合动力响应的控制方程,对轴对称荷载作用下半无限地基的热-水-力耦合动力响应问题进行探讨。利用Hankel变换技术,得到外荷载作用下地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Hankel数值逆变换得到计算结果,对热-水-力耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布进行分析,并与水-力耦合动力响应情况下的结果进行比较。

双水平井开发非均质地热储层的热-水动力研究

地热资源是双碳背景下潜力巨大的可再生能源,本研究针对孔隙型地热储层建立了一种井筒-热储中热-水动力耦合模拟的双水平井开发模型。该模型将热储在纵向上划分为渗透率和孔隙度不同的三个小层,每层中的渗透率在对应范围内随机分布,并采用多物理场耦合的方式模拟工作流体的渗流换热过程。结果表明:增大注采水平井之间的间距均不利于采出井温度的保持,模拟条件下注采井在平行和垂直于井筒方向的最优间距分别为1000m和400m;在高渗透层和低渗透层分别布置注入井和采出井可以提高热储整体的开发比例,但是采出井筒温度下降较快,反之采出井筒可以维持较长时间的高温,但是热储整体开发比例很低。

基于空气动力-水动力耦合的新型半潜式海上风机动力响应分析

本文概念性地设计一种新型半潜式海上风机基础,分析基础的水动力系数和幅频运动特性。提出一种基于SESAM-FAST-ORCAFLEX软件的风机-基础-系泊系统全耦合模拟方法,考虑二阶波浪力和粘性阻尼的作用,对风机系统进行空气动力-水动力时域耦合分析,并研究风浪入射角对运动响应和系泊力的影响。结果表明:新型半潜式风机基础具有良好的运动性能,在横荡、垂荡、横摇和纵摇方向上较现有型式有大幅的提升;风浪入射角对运动响应和系泊力有明显影响,在纵荡、横荡、横摇和首摇方向上动力响应受入射角的影响较大;同一工况下,系泊力随着入射角度的增大而增大,极端工况下系泊力最大值是工作工况的2.5倍,在系泊系统设计时需要重点关注。

基于空气动力-水动力耦合分析的SPAR基础浮式风机系泊系统疲劳分析

以OC3 Hywind SPAR单立柱基础形式浮式风机为研究对象,基于非线性空气动力-水动力耦合时域算法,对该浮式风机在中国南海北部某海域风浪流共同作用下的系泊系统疲劳响应特性展开研究,对比钢链、钢缆的疲劳响应特性以及定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统疲劳特性的影响。计算结果表明:在条件一致的情况下,钢缆疲劳性能优于钢链;系泊系统疲劳累积损伤主要来自于风机运行工况,开机、关机以及故障工况的贡献较小但不应忽视;与湍流风相比,采用定常风进行浮式风机系泊系统疲劳分析将得到偏于危险的结果。建议在系泊系统设计阶段充分重视系泊缆材质的选择,采取湍流风模型开展系泊系统的疲劳设计以保证浮式风机运行安全。

基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究

【目的】长兴港是太湖流域重要的城市河流,对其开展生态流量研究并确定合理的生态流量管控值,对保障长兴港水生态环境健康、提高当地人民群众幸福指数具有重要意义。【方法】以长兴港新塘断面2016—2020年的逐月水生态监测数据为对象,明确了长兴港非汛期、汛期的水环境约束指标;并基于MIKE 11软件,构建了一维水动力-水环境耦合模型;从保障水生态环境质量、缓解水华爆发的营养条件的角度出发进行了生态流量研究。【结果】结果显示:长兴港非汛期约束指标为NH_(3)-N、COD_(Mn)和BOD,汛期约束指标为NH_(3)-N、TP和COD_(Mn);通过对比实测数据与模拟数据可知,水位、流量的模拟值与实测值间的Re均小于10%,R^(2)和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9,各时期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re均小于17%;最终计算得到长兴港非汛期和汛期合理的生态流量管控值分别为2.59 m^(3)/s和2.63 m^(3)/s。【结论】结果表明:研究构建的一维水动力-水环境耦合模型符合长兴港的实际情况,能够应用于长兴港生态流量研究,可以解决水动力和水环境模块单独使用不能表征河流特点的问题,为河流生态流量的研究和管控提供了更为科学、高效的工具;研究提出的生态流量管控值具有可达性,可切实有效地改善长兴港水生态环境、抑制水华爆发并为长兴港的生态流量管控和“幸福河”构建等工作提供理论与技术支撑。

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明:经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m^(3);提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。

基于水动力-力学耦合的海绵城市渗蓄水风险预测

海绵城市主要功能是实现雨水控制目标,但海绵城市在渗蓄水时会导致地面沉降等一系列地质问题。采用Terzaghi固结理论与GMS软件计算地下水流场相结合,形成水动力-力学耦合模型,模拟计算海绵城市渗蓄水时对地质环境地面沉降影响。海绵城市在降雨模式下,降雨强度大,降雨历时长对地面沉降影响较大;在渗蓄水多个回合后,对地面沉降影响最大。海绵城市透水铺张层和下垫层一定要考虑渗蓄水的风险,必须经过预测与评价使沉降值控制在不产生破坏的范围内。下垫层的土体强度不符合海绵体渗蓄水功能要求时,需采取措施加固。

水动力-水质模型在人工湖优化设计中的应用

以青海省德令哈市人工湖为例,介绍了MIKE水动力-水质耦合模型在人工湖引水流量及湖体形态优化设计中的应用情况。通过对人工湖形态的网格划分,在大量模拟方案的基础上,系统模拟了人工湖不同点位的水体交换完成时间,确定了2条引水渠道的引水流量和引水周期;通过人工湖"新"、"老"水体的对流扩散模拟,确定了湖体重污染潜在区域和富营养化高发区,为湖体形态和水体流态的优化提供了重要技术支撑;通过对风场叠加方案的模拟,为工程运行期间换水时机的选择提供了关键的参考依据。

坝——水动力耦合作用分析的数学模型及其求解方法

坝－水动力耦合作用分析是现代水工抗震设计的重要课题之一。本文描述了该问题的数学模型及其求解方法，重点报告我们在这个领域应用加权残量法所获得的重要成果，研究结果表明，我们所提出的分析方法简便有效，具有较高的计算效率，值得在工程中推广应用。

金沙江下游-三峡梯级水库水文预报技术及应用

简要回顾了三峡水利枢纽梯级调度通信中心(三峡梯调)成立20 a以来的水文预报技术的发展历程,系统阐述了各发展阶段的情况,并总结概括了20 a来所取得的一些预报技术创新成果。研究包括:(1)综合气象水文预报技术的发展程度、预见期的尺度、预报的范围等要素,将三峡梯调水文预报技术发展历程分为4个阶段,并对各阶段的特点、阶段间的发展与联系做阐述;(2)总结概括了三峡梯调水文预报实践过程中的创新性研究及应用;(3)结合实际业务中存在的问题、未来发展面临的挑战以及水文预报技术发展的趋势,对三峡梯调未来水文预报技术的发展趋势作出分析。研究成果可为水文预报技术发展提供参考。

MIKE21模型对傀儡湖水动力与水质改善的应用研究

傀儡湖为昆山市水源所在地,其水质受阳澄湖影响较大,近年来有恶化趋势,其中引水水质受季节性影响,夏季湖体易出现蓝藻爆发与氮磷超标现象,亟需对傀儡湖水质进行改善。作者调研了傀儡湖水质现状,并利用MIKE21 FM进行了傀儡湖的水动力-水质耦合模拟,论证了不同的水动力和水质改善方案的效果。可以得到结论如下:扩展引排水渠道的数量对湖体水动力影响不显著;建设河口湿地改善阳澄湖入湖水质、在傀儡湖湖体种植沉水植物对水质改善效果明显,联合采用上述措施可使夏季各类污染物浓度削减20%以上。

基于SCHISM-CoSiNE模拟的2021年珠江口海域海表浮游植物分布

为了探索弱径流年的浮游植物分布特征,基于非结构网格半隐式跨尺度海洋模式建立珠江口的三维斜压水动力-生态耦合模型,基于模型结果讨论2021年弱径流条件下珠江口海域海表状态变量的分布,探索关键海洋要素与逐日径流量的相关性空间分布,对海表叶绿素a进行经验正交函数分解。结果表明:2021年6月下旬—8月的叶绿素a浓度较多年平均值存在负异常;叶绿素a浓度的分布在近海和远海存在相反相位,丰水期近海叶绿素a为增强态势,枯水期减弱,外海则相反;2021年与多年均值存在较大差异的原因在于第三模态8月、9月时间系数相反。整体而言,2021年浮游植物分布规律与常年较一致。