基于DQEM的分层流体饱和热弹性多孔介质轴对称问题的动力响应分析

研究了分层不可压流体饱和热弹性多孔介质轴对称问题的动力响应问题,基于多孔介质理论(PMT),给出了该问题的数学模型.在空间域内采用微分求积单元法(DQEM)设置离散的控制微分方程、边界条件和连接条件,在时间域内采用二阶向后差分格式处理时间导数.在离散化的初始条件下,运用Newton-Raphson法进行迭代求解,得到各离散点处未知物理量的数值结果.研究表明:该方法有效、可靠,且具备精度较高、计算量较小、数值稳定等优点.

三维小球随机堆积多孔介质内黏弹性流体流动数值模拟分析

复杂流体在多孔介质内的流动广泛存在于自然界和工业生产中,研究复杂流体的非牛顿特性对多孔介质内流动的影响具有重要的意义。基于黏弹性流体本构方程,对三维颗粒随机堆积的多孔介质模型进行研究,获得了流体流变性质对多孔介质内流动特性的影响规律。研究发现,流体的流变性质对多孔介质流场内流动的压力降和渗透率等有着显著的影响。对于黏弹性流体来说,随着弛豫时间的增大,即流体的弹性增强,导致流场内压力降减小,渗透率增大;当表征剪切稀化效应的迁移因子增大时流场内部压力降减小,渗透率增大。

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程,分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式．在应力表达形式上,固相介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成,它们分别与质点的位移和速度成正比,因此,可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧-黏滞阻尼器,用来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用,从而形成了流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界．流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通用软件结合,用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题．算例表明流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性．

饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波传播特性分析

基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究了饱和多孔热弹性介质中Rayleigh波(R波)的传播特性。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和连续性方程及考虑热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立了饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并结合自由透水及绝热的边界条件,经过理论推导最终给出了饱和多孔热弹性介质中R波的弥散特征方程。利用数值算例分析了孔隙率、渗透系数、热膨胀系数、初始温度和松弛时间等热物理参数对R波的波速和特征衰减的影响。结果表明:孔隙率的增加将引起R波的波速下降,但使得R波的特征衰减反而增大;R波的波速随着渗透系数的增大先不变,再急剧增大,最后趋于稳定,其特征衰减随着渗透系数的增加先增大后减小,最后趋于稳定;热膨胀系数的增大将引起R波波速的增大,但对其特征衰减的影响较小;初始温度的增加导致R波波速的小幅上升,而对其特征衰减影响不大;松弛时间对R波波速和特征衰减几乎无影响。

基于DQM的空间轴对称流体饱和多孔热弹性柱体动力学特性研究

在热局部平衡条件下研究了空间轴对称不可压流体饱和多孔热弹性柱体在表面温度载荷作用下的动力学特性。基于de Boer多孔介质混合物理论,给出了问题的数学模型;其次综合采用微分求积方法-二阶向后差分法-Newton-Raphson迭代法求解了数学模型,得到柱体各离散点处未知物理量的数值结果,进而可分析柱体的动力学特性。为了验证该方法的正确性,计算了不可压流体饱和多孔弹性柱体的动力固结问题,并与de Boer等的解析结果进行了比较,两者吻合良好,也证明DQM有较小的计算量和较高的精度。最后分别研究和比较了柱体只受到表面外载荷作用下的动力学特性和受到两种表面温度载荷与外载荷联合作用下的动力学特性,考察了材料的某些参数对柱体动力学特性的影响。

饱和多孔介质中热弹性波传播特性研究

在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上,建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论,研究了热物性参数对波的传播特性的影响。通过引入势函数,推导了饱和多孔介质体中热弹性波的弥散方程,重点分析了热膨胀系数对p1、p2、T和S波的波速的影响,结果表明:热膨胀系数对p1和p2的影响较大,热流固耦合效应不可忽视。与饱和多孔介质中弹性波的传播特性对比分析验证了本文结果的正确性。

SV波在饱和多孔热弹性介质平面界面上的反射

基于Biot波动理论,建立了饱和多孔热弹性波动方程,研究了SV波在平面界面上的反射问题。在排水和不排水条件下,推导了饱和多孔介质自由边界上P1波、P2波、T波及S波反射系数的表达式。通过算例讨论了频率和排水条件对4种波反射系数的影响,结果表明:P1波中出现明显的低频放大作用,不排水工况更为明显;P2波反射系数较小,且随频率增大而增大;相对于P,S波,T波的反射系数较小。

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.

流体饱和标准线性粘弹性多孔介质中的平面波

研究了流体饱和不可压标准线性粘弹性多孔介质中平面波的传播和反射问题.在固相骨架小变形的假定下,得到了粘弹性多孔介质中波动方程的一般解,讨论了弥散关系和波的衰减特性.结果表明:在流体饱和不可压粘弹性多孔介质中,仅存在一个耦合纵波和一个耦合横波,纵波和横波的波速、衰减率等取决于孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架本身的粘性.同时,研究了半空间自由边界上入射波(纵波、横波)的反射问题,得到了非均匀反射波的波速、反射系数、衰减率等的表达式及其相关的数值结果.

热/冷对流边界条件下含柱形空洞流体饱和多孔介质的应力分析

基于热局部非平衡条件下饱和多孔介质热-弹性理论,本文研究了含柱形空洞流体饱和多孔介质在热/冷对流边界条件下的温度、孔隙压力以及固相热应力。应用Laplace变换反演法数值分析了Biot数对温度、孔隙压力以及固相热应力的影响。结果表明:在Biot数为中等值范围内,热局部非平衡效应是非常明显的,热局部非平衡条件下孔隙压力和径向应力绝对值的峰值都几倍高于热局部平衡条件下所对应的值。

热局部非平衡条件下含球形空洞流体饱和多孔介质的孔隙压力和热应力分析

基于热局部非平衡条件下饱和多孔介质热-弹性理论,本文研究了含球形空洞流体饱和多孔介质的温度、孔隙压力以及固相热应力。应用Laplace变换法获得了固相和孔隙流体温度场以及孔隙压力在短时间内的渐近解析式。对于粘土和砂岩两种材料,数值分析了热局部非平衡条件对温度、孔隙压力以及固相热应力的影响。结果表明:对于粘土材料,热局部非平衡条件下径向应力绝对值的峰值明显大于热局部平衡条件下绝对值的峰值;对于砂岩材料,相对于热局部平衡情况,热局部非平衡条件下孔隙压力和径向应力绝对值的峰值都有显著的提高。

一维流体饱和粘弹性多孔介质层的动力响应

本文研究了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层的一维动力响应问题。基于粘弹性理论和多孔介质理论,在流相和固相微观不可压、固相骨架服从粘弹性积分型本构关系和小变形的假定下,建立了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层一维动力响应的数学模型,利用Laplace变换,求得了原初边值问题在变换空间中的解析解,并利用Laplace逆变换的Crump数值反演方法,得到原动力响应问题的数值解。数值研究了饱和标准线性粘弹性多孔介质层的动力响应,分析了固相位移、渗流速度、孔隙压力及固相有效应力等的响应特征。结果表明,与不可压流体饱和弹性多孔介质相同,不可压流体饱和粘弹性多孔介质中亦只存在一个纵波,并且固相骨架的粘性对动力行为有显著的影响。

无限长圆柱饱和多孔热弹性介质的固结解

根据一个典型的热–水–力耦合的线性热弹性固结控制方程,研究无限长圆柱饱和多孔介质在外力和温度耦合作用下的固结问题,给出了温度、孔压、体积应变、径向位移、应变和应力等在Laplace变换域内的表达式,并通过数值逆变换进行求解。利用这一解答,分析了常温度荷载和变温度荷载两种情况下圆柱热固结的演化过程。这一解答可为室内试验结果的分析提供依据。

流体粘弹性对多孔介质孔隙内流动影响的数值模拟研究

复杂流体多孔介质内的流动广泛存在于自然界和工程中,复杂流体的特殊流变性质会对多孔介质内流动产生影响。基于典型粘弹性流体本构方程,针对流体粘弹性及剪切稀化效应对其在多孔介质内流动特性的影响进行研究,发现流体粘弹性和剪切稀化对于多孔介质内流场以及流动的压降和渗透率均具有显著影响。流体弹性的增强会使多孔介质内孔喉处的速度和流量增大,即孔喉的导流能力增强,进而使得多孔介质的渗透能力增强,因此渗流流体的高弹性助于流体在多孔介质内的输运。当流体弛豫时间增大,即弹性增强时,孔隙内压降减小,孔隙整体渗透率增大,并且在溶剂粘度比较低时,压降的减小和渗透率的增大更为显著,即渗流能力更强。剪切稀化效应的存在会导致孔隙内压降减小,孔隙整体渗透率增大,并且剪切稀化效应越强,孔隙内压降的减小和孔隙整体渗透率的增大越显著,渗流能力越强。

流体饱和多孔热弹性对称平面的动力学分析

在几何非线性和热局部平衡条件下,研究不可压流体饱和多孔热弹性半平面在受到表面温度载荷作用下的动力学特性.首先,基于多孔介质混合物理论,考虑几何非线性的影响,给出了问题的数学模型;然后,提出了一种综合数值计算方法,该方法通过微分求积法和二阶后向差分格式分别在空间域和时间域离散数学模型,利用Newton-Raphson法求解非线性代数方程组,从而可得到问题的数值结果.研究表明,本方法是有效可靠的,且具有计算量小、精度高等优点.最后,考虑了材料参数和几何非线性的影响研究了流体饱和多孔热弹性半平面在表面温度载荷作用下的热力学特性.

热对流边界条件下含球形空洞流体饱和多孔介质的应力分析

基于热局部非平衡条件下饱和多孔介质热-弹性理论,研究含球形空洞流体饱和多孔介质在热对流边界和完全接触型(固定)边界条件下的温度、孔隙压力以及固相热应力.应用Laplace变换法获得了它们在Laplace变换域中的表达式,数值分析和考察了在球形空洞边界附近处的温度、孔隙压力以及固相热应力的热局部非平衡影响效应.数值结果表明,对于热对流边界条件情况,热局部非平衡影响效应是非常明显的,特别在Biot数为中等值时,热局部非平衡条件下孔隙压力以及径向应力和切向正应力绝对值的峰值都显著高于热局部平衡条件下所对应的值.

粘弹性流体在开口多孔介质中的热对流启动

对底部等温加热、上端开口多孔介质中粘弹性流体进行了线性稳定性分析。使用了修正后的Darcy定律用于描述粘弹性流体在多孔介质内的流动特征,并引入了等压边界条件描述开口特征。使用了特征松弛时间(λ)和延迟时间(ε)表征粘弹性流体性质,并选择了4组不同的(λ)和(ε)作为算例对热对流启动时的临界瑞利数进行了数值求解。结果显示,松弛时间的增大会使得流体更易失稳,从而提前热对流的启动;而延迟时间的增大则会起到稳定流动的作用,使得热对流启动推迟。流动模式仅与延迟时间有关。扰动温度等值线图显示,其样式与边长(a)和弹性参数有关。

流体饱和多孔隙介质弹性波方程边界元解法研究

基于流体饱和多孔隙各向同性介质模型,本文首先推导了流体饱和多孔隙介质中弹性波传播的频率域系统动力方程及边界积分方程,然后给出了流体饱和多孔隙介质弹性波方程的基本解,最后,利用本文给出的边界元方法对流体饱和多孔隙各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟.结果表明:不论是从固相位移,还是液相位移的地震合成记录都能看到明显的慢速P波,本文提出的流体饱和多孔隙介质弹性波边界元法是有效可行的.

流体饱和标准线性粘弹性多孔介质中平面横波的反射

文章主要讨论了自由边界上平面横波的反射问题,得到了非均匀反射横波的波速、反射系数、衰减率等物理量的解析表达式。数值结果揭示了入射横波的频率、孔隙流体与固相骨架的耦合系数和固相骨架粘性等对波速、衰减率等物理量的影响。

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程,采用平面波和远场散射波经验叠加来反映外行波传播,以经验参数反映人工边界外行波动的衰减和多角度透射特性。在人工边界处分别施加反映固相和液相介质传播效应的弹簧及阻尼来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限域的外行波的能量的吸收作用。从而形成一种流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界。数值算例表明:边界的精度和稳定性高于现有的黏性边界、黏弹性人工边界及一阶透射边界。