基于流固耦合两相介质动力模型的饱和土体—地下结构体系地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了饱和土体-地下结构地震反应的计算研究。结果表明:在地震输入的最后时刻结构的两侧底角区域应力值最大;土体的孔隙压力和竖向位移主要集中在结构下方的区域,结构两侧土体的孔压与竖向位移呈对称分布;场地土体的竖向位移随深度的增加逐渐减小;体系最大地震反应出现的时刻对应于输入地震动的最大加速度出现的时刻。表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体-地下结构体系地震反应研究中的有效性。

基于流固耦合两相介质动力模型的水下隧道结构地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了水下饱和土体场地上隧道结构地震反应的计算研究.计算结果表明:对于饱和土体场地上的单洞隧道,在地震动输入结束后,隧道底部附近区域土体的孔隙水压力值最大,此时隧道两侧土体的孔隙水压力呈现对称分布;对于饱和土体场地上的双洞隧道,在地震动输入结束后,两隧道之间区域土体的孔压为正值,而隧道下方区域土体的孔压为负值;左右两侧隧道的应力呈对称分布.计算工作同时表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体—地下结构体系地震反应研究中的有效性.

流固耦合饱和两相介质动力模型在ABAQUS中的实现

采用以固相位移和孔压为基本未知量的u–p形式的方程组对于研究饱和土体的地震动力响应问题相对简单。利用通用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义单元(UEL)接口,编制相应的接口程序,开发了基于流固耦合两相介质动力模型的孔压单元。通过算例对所开发单元的正确性进行了验证,结果表明,所开发的孔压单元能够对饱和土体的动力响应进行较为准确的计算,而ABAQUS中提供的CEP4P孔压单元动力反应计算结果与实际情况有较为明显的差异。

燃煤机组耦合生物质直燃发电研究进展:非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型

在双碳目标背景下,燃煤机组耦合生物质直燃发电是充分利用近零碳排放的生物质能源资源的可行和现实途径之一。目前,国内燃煤机组耦合生物质直燃发电的示范工程较少、技术成熟度还有待提升,存在燃料破碎和输运、燃烧组织、锅炉受热面腐蚀等问题。计算流体力学为能源与动力装置优化设计与运行提供了一种有效的研究方法。重点综述了生物质颗粒气固两相动力学模型的研究现状,总结了其存在的问题,并提出了研究建议。生物质颗粒较大,且呈不规则的非球形;在国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下,准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒的运动轨迹是准确模拟其燃烧过程的基础和关键,也是该领域的难点。但在稀相流条件下,目前还缺乏非球形生物质大颗粒气固两相动力学通用模型。建议加强生物质颗粒高效燃烧气固两相动力学模型的基础理论研究,通过颗粒分辨的直接数值模拟获得各种典型的非球形颗粒的曳力升力系数和力矩系数的新关联式,耦合非球形颗粒平移及旋转运动,构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型,进一步开展试验验证后应用于工业界的多相流模拟中,为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。

考虑惯性耦合的两相介质动力反应显式数值计算方法

基于包含惯性耦合(耦合质量密度系数)的u‑p形式饱和两相介质弹性波动方程,开展了对饱和两相介质近场波动问题时域全显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量集中矩阵和流体压缩矩阵对角化处理,消除了方程中的动力耦联的影响。分别应用中心差分法和Newmark常平均加速度法求解固相位移和固相速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,建立了考虑惯性耦合的饱和两相介质的时域显式数值计算方法。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该方法应用于饱和两相介质自由场的地震反应问题,研究了惯性耦合对两相介质动力反应的影响。基于本文研究的两种情况表明,惯性耦合对饱和两相介质动力反应的影响程度有限。

气液两相瞬变流的流固耦合模型研究

传统的气液两相流瞬态分析和管道动力响应计算是分开的,存在一定的缺陷.针对石油工业中常见的多相混输问题,介绍了常见的气液两相流瞬态模型和流固之间存在的耦合机理,在不作薄壁管假设的前提下推导出了气液两相瞬变流的流固耦合模型.与现有相似模型的对比分析表明,这一模型比较全面地考虑了流体和管道的特性以及不同的耦合形式,可以适应实验和/或仿真研究的需要.

饱和土体固—液两相介质动力耦合问题有限元解析

考虑了土体中土骨架的动态响应与土中孔隙水的渗流固结之间的相互耦合作用，在时间域内利用ＮＥＷＭＡＲＫ 法系统推导了三维固—液两相介质动力响应有限元解析格式与数值分析方法；以引进的大型岩土工程分析软件系统ＦＩＮＡＬ为开发平台，开发出能分析二、三维饱和土体振动固结与振动液化问题的软件系统，弥补了该大型软件的不足。利用日本学者的实验结果对本文的力学模型与分析系统进行了检验与验证。

流固耦合力学专题序

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而成的力学分支,以两相介质之间的相互作用为重要特征,研究可变形固体在流场作用下的行为及固体变形对流场影响的相互作用.流固耦合现象存在于海洋工程、航空航天、石油化工、核能工程、土木工程等几乎所有涉及国计民生的重大领域中,并会诱发结构静发散、载荷重新分布、颤振、极限环振荡及涡激振动等诸多工程问题.

流固两相流的稀疏离散相模型研究进展

流固两相流中稀疏离散相广泛存在于化工、储运、分离等工程实际应用中,其复杂的湍流运动规律的描述是目前两相流研究的热点和难点之一。对流固两相流中稀疏离散相模型的发展历程进行了综述和分析,从离散相轨道模型的理论依据、建模过程、数值模拟方法以及应用情况等几个方面详细地分析了离散相既定轨道模型、随机轨道模型、改进随机轨道模型等模型,并针对离散相和连续相间的相互耦合关系进行了阐述,进而对相应的模型进行了评价;并指出离散相轨道模型目前存在的问题和今后发展的方向,对连续相脉动速度进行随机处理提出基于随机Fourier级数描述离散相合力的改进随机轨道模型,从而较好地描述离散相的运动规律,同时结合考虑两相耦合的方法建立两相流的全耦合振动动力学模型,可全面、系统地描述流固两相流中稀疏离散相的运动特征,为流固两相流中稀疏离散相模型的深入发展提供前期基础。

非均质流固耦合介质轴对称动力问题时域解

将地基视为流固两相介质并考虑其非均质成层特性，推导了多层地基动力问题时域解．文中首先建立了一组解耦的两相介质动力控制方程；而后利用Ｌａｐｌａｃｅ－Ｈａｎｋｅｌ变换推导了单层地基象空间初参数解答；再利用初参数法及传递矩阵技术导出了任意多层地基瞬态解的一般解析算式．

关于两相介质动力学问题建模的注记

本文以清楚的物理概念 ,依据经典力学原理建立了两相介质完整的动力学非线性方程组。然后 ,阐明了将此方程组线性化的条件 :孔隙率、密度随空间的变化远小于它们在该处随时间的变化 ;孔隙率、密度的变化所引起的位移和孔压等量的变化可以忽略不计。在此条件下 ,位移、孔压等变量与孔隙率和密度变量解耦 ,可独立地进行求解 ,澄清了Biot等模型中隐含的矛盾 ,即孔隙率和密度不变与孔隙流体可压缩和骨架可变形之间的矛盾。最后 ,通过比较几种常用的模型 ,指出它们之间的主要区别在于本构关系和连续性方程 。

基于显式有限元方法的两相介质弹塑性动力反应计算分析

针对增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用基于显式逐步积分格式的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,并应用基于SMP破坏准则的弹塑性动力本构模型描述两相介质的动力反应性质,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,将计算结果与相应的弹性动力反应的计算结果进行对比;对本文应用的弹塑性动力本构模型进行参数研究,揭示模型参数的取值对两相介质弹塑性动力反应计算结果的影响。计算结果表明:两相介质弹塑性位移反应与相应的弹性位移反应具有较为显著的差别,表现为二者的峰值与反应时程的波形均有比较明显的差异;本文应用的弹塑性本构模型中的塑性势参数的取值对于两相介质弹塑性位移反应的计算结果具有显著的影响,而初始加载和卸载与重新加载阶段的硬化参数的比值仅影响动力反应结束后的塑性变形的幅值。本文工作表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的一种有效的方法。

流固耦合介质轴对称动力问题解法的改进

用直接求解常微分方程组解文［１］所得的控制方程，减少了传递矩阵计算工作量，避免了子阵求逆。

两相热渗流与多孔介质耦合作用研究

基于连续介质力学及流固耦合力学的基本理论 ,在黑油、岩石多相热渗流理论模型的基础上 ,建立了非混溶饱和两相热渗流与变形多孔介质耦合作用的数学模型 ,对流固耦合热效应进行了讨论 ,将所推证数学的模型方程做进一步处理与简化 ,给出模型方程数值分析的数学格式 。

考虑耦合质量影响的饱和多孔介质动力响应分析的显式有限元法

根据B iot饱和多孔介质动力方程,采用解耦技术,提出了考虑耦合质量aρ影响的饱和多孔介质中动力响应分析的显式有限元法。文中建立并推导了显式有限元的公式,编制了相应的计算程序并进行了实例计算。计算结果与解析解进行了对比,两者符合很好,表明本文方法是处理饱和多孔介质动力问题的一种有效方法。文中还分析了耦合质量aρ对固相和液相动位移的影响。

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。

渗透性岩层介质油水两相渗流分析

准确模拟油藏中的流体流动过程,提示流体的分布规律,必须考虑由于注水和开采所引起的多相流体的渗流、应力状态的变化和储层变形之间的耦合作用。近年来引起中国学者的极大兴趣,成为油藏工程及相关领域研究的热点问题之一,基于岩石力学、渗流力学、地质力学、计算力学以及流固耦合渗流的基本理论,建立了多孔介质渗流场和应力场耦合的数学模型,采用有限元法进行了程序设计,通过数值模拟方法对渗透岩层介质井眼周围油水两相渗流规律进行了研究,用于解决实际工程问题。

颅内动脉瘤中两相流体与血管壁间的双向耦合数值模拟分析

目的利用双向流-耦合数值模拟,分别将血液设置为单相流与两相流,将模拟结果进行分析对比,来探讨不同血液组分条件下血液动力学的差异性以及对颅内动脉瘤的影响。方法根据CT图像建立个体化三维动脉瘤实体模型,然后通过双向流-耦合方法获取了两相流模型与单相流模型血流动力学相关参数。结果在相同时刻,两相流模型与单相流模型相比。

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。

裂缝多孔介质流模型研究进展

页岩/致密油气藏等非常规油气藏的储层介质为典型的多尺度空间:既具有纳微米级的基质孔隙,又具有微米-厘米级的天然裂缝,以及大规模压裂所产生的米级到百米级的人工裂缝.本文针对裂缝多孔介质,介绍基质、天然裂缝、宏观裂缝及大尺度缝洞中的流体耦合流动数学模型.