压裂井的三维精细表征与单井模拟分析

目前压裂直井或压裂水平井的单井模拟主要是基于二维或拟三维网格进行表征,但这2类网格无法精细表征裂缝、井筒的三维空间形态。为此,提出利用计算机辅助设计(CAD)技术来进行压裂井的三维几何建模方法,形成了3D精细半结构网格剖分方法和流程,以及高效数值求解方法,将该方法应用于现场一口压裂直井,并对其进行了模拟分析。分析结果表明:所构建的3D压裂直井、压裂水平井的内边界井模型,简化和统一了不同压裂井模型的井产量计算方程,该方法同样适用于更复杂的3D定向压裂井的井产量计算;水力裂缝的几何形态、尺寸和小层物性是空间压力分布的重要影响因素。所得结论可为提高复杂压裂井的三维精细表征能力和单井模拟精度提供技术支撑。

青藏铁路沿线气候特征精细化模拟研究

青藏铁路格拉段(以下简称青藏铁路),特别是从西大滩至安多穿越550 km多年冻土区的路段,沿线有着复杂的地形地貌和冻土环境。近年来随着气候变暖和多年冻土退化,对于建造在多年冻土之上的青藏铁路的维护需求剧增,为了能充分捕捉青藏铁路沿线地区复杂的地形地貌对局地气候变化的影响,以期对青藏铁路的运行维护提供理论支持。本文利用铁路沿线站点观测数据,并以ERA5数据驱动WRF模式进行网格距离为10 km×10 km的动力降尺度模拟。结果显示,青藏铁路沿线的六个站点自1998-2020年普遍呈现增温趋势,增温率最低的站点为0.27℃·(10a)^(-1),最高为0.56℃·(10a)^(-1);WRF模式对表面气温的模拟在年平均气温结果与观测数据略有差异,在夏季和秋季的模拟结果较好,夏季相关系数达到0.95以上,秋季在0.80以上,春季和冬季较差;WRF降水模拟的结果显示,Nudging方法有效改进了青藏高原夏季降水的湿偏差,青藏铁路北段至铁路南段降水逐渐增加,且在铁路中部降水出现极大值。WRF模式在青藏高原的温度和降水模拟上仍存在着一定的冷偏差和湿偏差,寻找新的方法或利用高质量驱动数据来驱动模式将可能对青藏高原地区的降尺度模拟结果有更进一步的改善。

数字孪生流域模型驱动下的径流精细化模拟与旱涝预估探析

本研究旨在通过数字孪生流域模型(DWM)深入探析汉江上游流域的径流精细化模拟与旱涝预估,以增强对流域水文动态的认识并提升旱涝灾害管理的效率。研究内容涵盖构建DWM,精确模拟流域内的水文过程,分析未来旱涝风险,并对模型的预测能力进行验证。结果表明,利用DWM可以有效模拟汉江上游流域的水文情景,预测未来的旱涝风险,为流域管理和决策提供了科学依据。该研究不仅提高了旱涝预测的精确度,还为水资源规划和灾害响应策略的制定提供了重要参考。

新冠疫情时空传播精细预测、模拟与风险分析:以北京市为例

2019年开始的新型冠状病毒感染亦称新冠疫情(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)已被国际卫生组织确定为百年一遇的重大疫情。随着奥密克戎(Omicron)等新冠变异毒株的出现,疫情防治也更加困难。自2022年12月起,中国政府陆续放松防疫管控,民众正在逐步恢复正常生活,但后期新冠疫情,乃至其他传染病,仍然是人类长期需要面对的问题。针对新冠疫情的研究浩如烟海,但经过长达三年的实践和经验教训积累,未来的防控应该走精细疫情防控的道路,即缩减政策波及到空间与人群,提升政策的指向性。

供水管网大口径管道爆管事件形成机理与精细模拟

近年来城市供水管网爆管事件频发对城市的运行安全造成直接影响。结合2017年上海“11·16”溧阳路四平路爆管事件,系统介绍了本次爆管事件概况,同时,利用本次爆管事件现场调查数据,采用3D激光扫描技术和三维数值建模方法,对本次爆管管道进行了建模分析,研究了供水管道在存在初期裂缝情况下,裂缝末端应力集中与管内水压力和裂缝长度发展变化影响关系,采用动力分析方法模拟了管道从裂缝发展到管体破坏形成爆管的物理全过程。结果表明:在供水管网管道早期裂缝末端,由于应力集中管体裂缝继续发展,且随管道水压增大而增大,其增速与裂缝长度密切相关;管道发生开裂后其临界破坏水压随早期裂缝长度的增加而降低,结合本次爆管事件周边获得的3个测点实测水压分析可知,爆管管道早期裂缝断面圆心角应大于26°;管道爆管破坏过程模拟显示,管道残片随裂缝开展向管顶转动,直至形成贯通裂缝完全脱离管道,脱落管片在内水压及外部荷载作用下会发生剧烈的转动和向外弹射,从而形成爆管并产生极大的瞬间破坏作用。

基于精细网格模型的邮轮人员疏散模拟及实验验证

[目的]人员撤离分析是邮轮设计和安全评估中的重要内容,为相对精确地模拟邮轮上的人员疏散行为和规律,提出一种基于精细网格的邮轮人员疏散仿真模型。[方法]首先,为刻画邮轮的内部空间结构,将甲板内部区域划分为0.1 m×0.1 m的基本二维网格点,并定义目标区域和功能处所区域这2类特殊区域;然后,引入行人期望运动方向和运动趋向性参数,建立自由选择最短路径和指定最短路径这2种人员运动规则;最后,以欧盟Safeguard项目的邮轮疏散实验为案例进行仿真分析。[结果]对比结果表明:所建立的人员疏散模型满足ERD,EPC,SC,TAT%等4项模型验证指标的衡准要求;与实验数据对比,全船总撤离时间、各集合站撤离时间的模拟结果与实验结果基本一致,其中全船撤离时间的相对误差为4.9%;与商用软件EXODUS的模拟结果相比,所建立模型的计算结果更契合实验数据。[结论]该人员疏散模型满足邮轮人员撤离分析要求,可为邮轮脱险通道的设计布置以及人员撤离方案的制定和优化提供支持。

高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响:精细化模拟

为研究高温效应对钢筋⁃混凝土动态黏结性能的影响,建立了考虑带肋钢筋表面特征和混凝土材料非均质性的三维细观模型,与试验的破坏模式和黏结应力⁃滑移曲线进行对比,验证了细观模型的合理性。在此基础上,分析了高温下和冷却后钢筋⁃混凝土动态黏结应力⁃滑移行为的变化规律。结合数值模拟结果,建立了考虑高温效应的动态黏结强度预测公式。结果表明:细观模型能够反映变形钢筋与混凝土界面的开裂过程和黏结破坏机理;随着应变率的增加,高温下或冷却后的混凝土损伤区域逐渐减小;应变率相同时,高温下混凝土的损伤区域明显大于冷却后;随着温度的升高,高温下或冷却后试件的极限黏结强度均线性下降;相同温度环境下,应变率增加使得极限黏结强度非线性提高;预测结果与试验结果的良好吻合,说明本文提出的经验公式可以合理反映钢筋⁃混凝土动态极限黏结强度的高温效应。

地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究

随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多,地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发,易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害,严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续结构分析,忽视了管片间接头的影响。通过构建管片间接头受力模型,建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型,研究了地表突发堆载作用下地铁盾构隧道的受力变形机制。结果表明:地铁盾构隧道整体在纵向上出现高斯分布的不均匀沉降,管片环在横向上被压扁成“横鸭蛋”形;管片环内接头张开和错台均集中于堆载宽度范围内,管片环间接头张开和错台分别集中于堆载中心和堆载宽度边缘;地铁盾构隧道沿纵向的沉降大部分由管片环间错台累积贡献,最大累加错台量占最大沉降量的73%;管片环在横向上呈现非协同变形,拱顶沉降量是拱底沉降量的1.5倍,管片环间接头的剪切力由拱顶向拱底逐渐递减;管片环收敛率在堆载中心正下方最大达4.1‰,收敛变形导致拱顶处和拱腰处管片环内接头分别向管片环内部、外部张开,以及拱顶处、拱腰处管片应力集中;堆载中心正下方管片环间截面上的应力分布以29°的中性轴为界,中性轴以上管片受压,中性轴以下管片与螺栓同时受拉。本文所提出的地铁盾构隧道结构变形三维精细化数值模拟方法能够高效、准确地模拟地铁盾构隧道结构和管片间接头部位的受力和变形特点,具有一定的工程应用价值。

虚拟电厂短时长精细化生产模拟方法与系统

分布式电源、电动汽车、温控负荷等需求侧可控异构分散资源渗透率逐步增加,迫切需要对其有效整合后参与电网调控。虚拟电厂(virtualpowerplant,VPP)是聚合和管控海量分布式能源(distributed energy resources,DERs)的有效形式,而运行仿真工具是发挥其作用的重要支撑。鉴于此,该文给出覆盖DER设备建模、异构DERs聚合和集群协同控制等全环节的VPP短时长精细化生产模拟方法,并设计面向VPP参与电网互动的开放式仿真系统。在分析VPP短时长精细化生产模拟需求的基础上,归纳精细化仿真关键技术;基于DERs物理特性分析及管控架构构建,提出包含设备层和管控层的VPP精细化建模方法;以通用开放为原则,设计仿真系统实现方案,通过模块化建模和通用化架构及互动接口设计,实现对多种电网仿真引擎和多类DERs模型兼容。以包含异构DERs的单个VPP为例,介绍典型日VPP生产模拟结果,并以包含多VPP的区域电网为例,给出DERs集群功率调节响应过程及其参与频率紧急控制和功角稳定紧急控制的效果,仿真结果验证了所述方法和系统的有效性。

城市立交桥洞内涝过程的精细化模拟研究

为科学地指导城市立交桥区的排水防涝改造,降低内涝风险,以深圳市某立交桥为研究对象,构建高分辨率城市内涝模型,采用地表积水实测资料进行模型率定及验证,模拟立交桥洞在雨水口防堵、下凹式绿地以及两者的组合措施改造前后不同降雨情景下的积水情况。结果表明,1)高分辨率城市内涝模型可以实现城市立交积水动态变化过程的准确模拟;2)5年、20年和100年重现期降雨情景下,立交桥洞内涝严重,积水时空变化速率快,当降雨重现期为100年时,最大积水深度和面积分别高达1.52 m和1833 m^(2),积水深度随时间和空间的最大增长速率分别高达0.04 m/min和0.23 m/10 m;3)组合措施的内涝削减效果优于不同改造措施单独使用时的削减效果,100年重现期降雨情景下,单独采用雨水口防堵和绿地下凹措施,仍然存在0.6 m以上深度的积水,而组合措施可使内涝积水深度小于0.5 m,内涝持续时间缩短至30 min内,可有效地缓解桥洞内涝。

基于肋尺度精细化建模的机械锚固钢筋拉拔性能模拟

为了揭示钢筋的机械锚固与黏结锚固共同工作的机理,减小锚具大小和锚固长度,基于变形钢筋的黏结力主要来自机械咬合作用,提出一种肋尺度精细化建模方法.采用DIANA 10.4有限元(FE)软件分别对机械锚固、黏结锚固以及两者共同工作的3种钢筋拔出试验进行数值仿真分析.结果表明:弯钩基本属于黏结锚固机制,钢筋肋间混凝土齿键的剪切破坏导致黏结失效;机械锚固为局部承压机制,锚固板下混凝土处于三轴受压状态,局部压应力超过单轴抗压强度3倍以上.当机械锚固和黏结段共存时,由于钢筋和锚头的位置关系,锚固区将发生加载初期以黏结锚固为主到加载后期两者共同工作的应力重分布,荷载分担比例主要取决于黏结段长度和荷载水平.在无须假定黏结滑移关系的情况下,肋尺度模型能够较好地反映锚固钢筋的宏观力学响应和细观工作机理.

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分(水泥土与EPS颗粒)、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多,而对细观力学响应规律研究甚少。为此,分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内,基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结,发展了二者的简单实用本构模型;基于水泥土和EPS材料界面剪切试验,总结了界面剪切硬化/软化规律;对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟,再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现,EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果,EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布,EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度,两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。

装配式冰场冰面受力性能的精细化模拟

为了探究装配式冰场冰面内置冰排架和冰排管时的真实受力性能,根据实际冰面构造和实测的材料特性,建立了冰面的有限元精细化分析模型,分析了冰排架和冰排管及冰排管内压对冰层承载力、刚度及应力场的影响规律。结果发现,冰层中内置冰排架及冰排管时,冰面承载能力和整体刚度仅会有1%~2%的小幅提高,并未像配筋一样起到显著加强承载力的作用。内置冰排架和冰排管不会显著影响冰层内水平应力场分布的均匀程度,但对Z向应力场产生影响较大,使冰排架边角处的冰层出现应力集中的现象。冰排管内压在0~0.2MPa的范围内变化对冰面的承载能力及刚度几乎没有影响,冰面制作时不用考虑冰排管内压影响。

精细化洪水过程及土壤水动态模拟

结合中国科学院地理科学和资源研究所云平台提供的1 km分辨率土壤质地、数字高程模型和遥感影像等数据,估计自由水蓄水容量等参数,提取河道宽度的空间分布。利用分布式降雨径流模型—栅格新安江模型对五强溪区间流域2016年~2020年间11场洪水过程进行精细化模拟,以2016050703号洪水为例,逐小时输出土壤自由水含量时空动态变化。栅格新安江模型计算的径流深、洪峰流量和峰现时间误差均低于新安江模型,能够对五强溪区间流域的洪水过程进行较合理的模拟;相较新安江模型,栅格新安江模型可以进一步精细化输出土壤水时空动态变化过程,为洪水风险预警预报、土壤墒情模拟和抗旱减灾等工作提供依据。

湿式连接装配式混凝土梁柱子结构连续倒塌的精细数值分析

为研究湿式连接预制装配式混凝土梁柱子结构的抗连续倒塌性能,采用LS-DYNA有限元软件对前期工作中的三个试件建立了精细化有限元模型。混凝土采用实体单元和CSCM材料模型模拟,钢筋采用梁单元和分段线性塑性材料模型模拟。在梁柱节点区1.5倍梁高范围内考虑钢筋和混凝土的粘结滑移,利用LS-DYNA提供的单元失效功能模拟钢筋断裂和混凝土开裂。机械套筒连接模拟时考虑钢筋尺寸缩减,锚固板模拟按等面积法在梁柱节点建模内并利用关键字*CBIS定义接触防止穿透。数值模拟所得的承载力与试验之间的误差不超过15%,各试件的受力行为和破坏模式与试验一致。

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明:下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。

软土狭长深基坑施工三维精细化模拟及二维等效分析方法

针对上海软土地区典型狭长深基坑建立三维精细化模型计算分析,采用修正剑桥本构并考虑结构-地层相互作用,分析结果表明,精细化数值模拟可以较好地反映基坑工程的力学性态;通过建立相应的二维等效分析方法,并结合三维精细化模拟得出的狭长基坑空间效应PSR分布规律,通过二维等效分析即可推断整个三维模型的分析结果,从而大幅提高分析效率。新方法解决了传统有限元分析时,过于简化的模拟无法反映基坑复杂特性,过于精细化的模拟则建模代价过高、分析效率较低,难以满足设计方案变更、施工风险预测的时效性要求的问题,为有限元分析提供了一种新的思路。

在山西小流域洪水精细化模拟条件下基于分布式水文水动力模型的洪水预报研究

山西省降水在年内分布极不均匀,汛期暴雨高度集中暴雨强度大,洪涝灾害严重且容易发生溃坝及滑坡、泥石流等次生灾害,致灾性强,对人民群众生命财产安全造成巨大威胁。如何提高洪涝灾害预报能力,提升灾害防治水平,对于最大限度地减少灾害损失具有重要意义。针对山西省对准确高效的洪水预报的紧迫需求,研究在小流域范围内基于物理机制的分布式水文水动力模型,在此基础上,开展基于多模型的洪水集合预报技术和模型参数优化方法研究,并以山西省峪口河流域为例,进行流域洪水预报的应用示范。

修正惯用法与精细化数值模拟对盾构隧道内力的差异性分析

基于修正惯用法和精细化数值模拟2种计算方法,分析了盾构隧道管片力学性能的差异性,以及在不同地层下管片内力的变化规律。结果表明:在均匀地层中采用修正惯用法计算的弯矩值和剪力值均大于精细化数值模拟的计算值,但轴力值小于精细化数值模拟的计算值,修正惯用法趋于最不利情况计算,具有充足、安全的储备空间;在上下不均匀地层中的上方地层与均匀地层相同,两者的弯矩与剪力分布情况相同,下方的微风化灰岩层影响了管片内力的分布,弯矩与剪力在交界面处有突变现象,轴力远大于均匀地层,采用修正惯用法计算的弯矩值和剪力值均大于精细化数值模拟的计算值,但轴力值小于精细化数值模拟的计算值;在左右不均匀地层中管片内力分布也受到了影响,但影响程度小于上下不均匀地层,修正惯用法与精细化数值模拟的差异性与上下不均匀地层相似。

FLUENT在复杂地形风场精细模拟中的应用研究

尝试将计算流体力学软件FLUENT用于复杂地形风场的精细模拟研究,进行的一系列数值模拟试验表明:由于采用了中尺度模式较少采用的计算机辅助建模、非结构化网格和有限体积法等技术,FLUENT可以实现复杂地形乃至极度陡峭地形上的风场模拟,完成普通中尺度模式难以完成的任务。相比于普通中尺度模式,FLUENT可以更为精确地描述下垫面的复杂地形特征,因而能够在小尺度范围内得到分辨率更高、且更为准确的复杂地形上的近地层风场模拟结果。