利用重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型

近年来,Rubinstein和Barton利用Yakhot和Orszag湍流重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型,但是他们分析计算过程中存在着一些不自洽的地方.文中利用重正化群方法,对Reynolds应力的数学表达式作二阶微扰展开,从理论上推导得到非线性Reynolds应力模型,其数学形式与从量纲分析和数学物理性质的合理性讨论得到的通用模型形式完全相同,另外从理论上计算了各待定湍流常数.

基于三轴不排水有效应力路径的结构性剑桥模型的修正研究

室内外试验和工程实践都表明天然沉积黏土具有一定的结构性,因此建立结构性本构模型对准确预测天然黏土的力学响应和解决实际岩土工程问题具有重要意义。首先,基于结构性黏土的三轴固结不排水试验的有效应力路径对结构性剑桥(SCC)模型进行了两点改进:(1)对附加孔隙比Δe的计算公式进行了修正,可以准确模拟结构性黏土超过临界状态线后的有效应力路径;(2)考虑了屈服面内的塑性即亚屈服特性,可以较好地模拟屈服面内的有效应力路径然后,利用修正结构性剑桥(MSCC)模型对结构性黏土的侧限压缩试验、三轴固结不排水和三轴固结排水试验进行了模拟计算,并与试验结果和SCC模型的计算结果进行了对比分析,结果表明MSCC模型可以更好地模拟结构性黏土的三轴不排水有效应力路径以及侧限压缩和三轴固结排水试验的应力应变曲线。最后,对MSCC模型中的参数β(屈服面内塑性变形参数)、p'_(yi)(初始结构屈服应力)、Δe_(i)(初始附加孔隙比)、b(结构破损速率)、γ(剪切引起结构破损的参数)和ω(反映结构性对塑性流动准则的影响)进行了参数敏感性分析,结果表明参数β影响结构性黏土屈服面内的有效应力路径,参数p'_(yi)影响峰值强度,参数Δe_(i)影响残余强度,参数b和γ影响峰值后的强度衰减速率,参数ω影响强度开始衰减时的偏应变大小。

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。

近壁区Reynolds应力输运方程的理论模型

在湍流边界层的近壁区 ,采用对称共振三波的理论模型描述相干结构 ,根据理论模型对Reynolds应力输运方程逐项进行计算和分析 ,结果与直接数值模拟符合很好 .这不仅在理论上有益于对湍流物理机制的了解 ,而且展现了一种可能性 ,即根据相干结构的理论知识来改造湍流模型 ,使之具有更清晰的物理内涵以提高近壁区的预估精度 .

基于邓肯-张模型的土工膜心墙堆石坝应力应变分析

研究利用FLAC3D软件提供的二次开发平台,在VC++环境下开发了邓肯-张本构模型,并通过数值模拟三轴压缩试验验证了开发模型的准确性。在此基础上建立了某土工膜心墙堆石坝(最大坝高78 m)的三维数值计算模型,并分析了竣工期和蓄水期两种工况下的应力应变规律。研究结果表明,心墙底部与混凝土基座连接处存在应力集中现象,心墙中应力分布出现明显的拱效应,采用有效应力法判断心墙尚未达到水力劈裂发生的条件,表明心墙堆石坝在目前的工况下是稳定的。

Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程:Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。

基于低Reynolds数k-ε模型的超临界流体对流换热的快速计算模型

基于边界层理论,针对管内变物性湍流流动,建立了一种简单的数值模型,对超临界压力下水在直管内的湍流强制对流换热进行了数值研究。计算结果与实验数据比较表明,该数值模型不仅能正确地反映超临界工况下压力、质量流速和壁面热通量等参数对传热系数的影响,而且整个计算过程简洁而高效;计算中分别应用了两种均由Jones和Launder提出的低Reynolds数k-ε湍流模型(JL模型),发现JL1模型(c_1=1.55)适用于常物性管流,但在模拟超临界工况时计算值比实验值偏低很多;JL2模型(c_1=1.45)明显高估了常物性管流的传热系数,但在模拟超临界工况时在大部分参数范围内有着良好的预测精度。

堆石料本构模型对混凝土面板坝应力变形计算结果的影响研究

堆石料本构模型选择是影响混凝土面板坝应力变形计算结果的主要因素。以某典型面板坝为例,采用邓肯E-B非线性弹性模型和“南水”双屈服面弹塑性模型,对坝体填筑过程和蓄水过程进行了三维有限元模拟;研究了两种模型计算的坝体和面板的位移和应力分布差异;分析了两种模型计算结果呈现差异的原因。两种模型计算结果最显著的差异体现在两个方面:(1)“南水”模型计算的坝体沉降、面板挠度等位移指标小于E-B模型,其原因是“南水”模型计算的坝体小主应力和变形模量更高。(2)E-B模型计算结果显示蓄水后面板底部顺坡向受拉;而“南水”模型计算的面板顺坡向应力为全断面受压。前者是由E-B模型的各向同性弹性本质决定的,垫层料因水压力作用顺坡向膨胀,产生沿坡面向上的位移;后者是其F1屈服面持续扩张产生塑性体积收缩导致的,塑性体缩抵消了顺坡向弹性膨胀,使垫层料产生沿坡面向下的位移。

基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力假设的基础上,提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念,推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力,并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算,建立了改进的CSM模型;通过与公开的滚刀载荷实验数据对比,计算得到的三向力误差均在5%以内,弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足.基于改进的CSM模型,通过分析滚刀载荷三向力的差值关系,建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系,得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型,使用ABAQUS的实体耦合功能,加载上各滚刀的载荷,分析整个刀盘的载荷分布,进一步获得刀盘危险点的位置.由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法.通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比,验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性.该研究对经典的CSM模型进行了改进,所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据,并指导刀盘服役阶段的操控参数设置.

Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建

针对涡轮发动机涡轮叶片复杂应力状态下的时效变形问题,以涡轮叶片材料Waspaloy镍基合金为研究对象,开展Waspaloy镍基合金时效处理,完成时效态Waspaloy镍基合金600、700和750℃准静态高温力学拉伸试验。利用Ludwik和Hollomon经验公式预测Waspaloy镍基合金高温塑性段流变应力,引入平均误差(the mean error,E_(r))和均方根误差(root mean square error,RMSE)评价流变应力的预测准确度。结果表明,时效处理后合金的硬度得到有效提升,而其塑性性能有所降低。Waspaloy镍基合金的抗拉强度和延伸率在600~750℃区间范围内与加载温度呈负相关关系。Ludwik模型较Hollomon模型有更高的流变应力预测精度,而在高温高应变区域Ludwik模型预测流变应力仍存在较大误差。在Ludwik模型的基础上引入指数项,修正后的Ludwik模型能更好地预测Waspaloy镍基合金高温塑性段的流变应力。

基于缩尺模型的高铁桥梁预应力损失试验研究

【目的】为更好的评估在役预应力混凝土桥梁结构预应力损失状况。【方法】选用国内高铁中应用最广的32 m预应力混凝土箱梁作为研究对象,按照1:16的缩尺比例将箱梁转化为T形截面制作了26根C50混凝土试验模型梁。通过对试验梁预应力钢绞线应变、伸长量的瞬时和长期监测得到预应力损失的实际值,并将此实际值与目前国内外常用预应力损失规范计算所得值进行对比分析。【结果】预应力损失主要发生在前期即瞬时损失,约占总损失的70%;84.6%的试验梁锚固损失占瞬时损失总和的70%以上,最高达80.57%;试验梁的长期损失在锚固后的前10 d内变化较快,后期逐渐趋于稳定;将5种规范的计算结果与试验实测值进行对比,对于长期损失,数据显示实测数据与《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)计算结果最为吻合。【结论】研究结果可为实际工程中预应力梁的预应力损失计算提供参考。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

人工冻土分数阶导数应力-应变指数模型参数确定及验证

人工冻土可看成是理想固体和理想流体以某种比例进行的勾兑,其力学特性既不符合胡克定律,也不遵守牛顿黏性定律,而是遵守介于它们之间的某种关系,分数阶导数能够很好地描述这种勾兑效应。对合肥膨胀土在不同冻结温度下进行单轴压缩试验,得到冻结温度对应力-应变的影响规律。将分数阶导数引入指数模型,将它改进为人工冻土单轴压缩下应力-应变分数阶指数模型。通过对建立的模型两边取自然对数,得到不同温度下应力-应变线性方程组,求解建立方程组确定出分数阶导数模型参数。为进一步验证所建立模型的适用性,引用一组南京冻结粉质黏土三轴剪切试验,在分数阶系数中考虑围压的影响,将它改进为能考虑围压影响的应力-应变分数阶指数模型。将改进的人工冻土应力-应变分数阶指数模型的计算结果与试验结果进行比较,结果表明:计算结果与试验结果吻合度较高,能准确地预测单轴压缩、三轴压缩剪切应力-应变曲线的变化趋势。改进后的分数阶导数模型参数较少且有明确的物理意义,便于工程应用。当前的模型仅仅适用于应变硬化型,为了能进一步描述应变软化型的力学特性,下一步将在模型中考虑损伤进而建立应变软化型分数阶指数模型。同时,如何在模型中反映冻土的结构性与各向异性对应力-应变的影响也将是下一步的研究内容。

基于物理约束的分布式神经网络三维地应力预测模型

地应力是油气藏全生命周期中井壁稳定分析、水力压裂设计、地层出砂预防、套损预测防治和油气开采措施制定的重要基础参数.针对缺乏三维地震资料情况下的三维地应力场预测问题,以工区已钻井地应力测井解释结果为基础,建立了一种基于物理约束的分布式神经网络三维地应力预测模型.首先,采用测井解释方法获得工区已钻井地应力单井剖面,并通过Kriging插值构建三维地质模型;其次,将测井数据和三维地质模型的三维空间坐标喂入3个并行的全连接神经网络,引入地应力物理约束条件,提出了数据和物理双约束的条件,进而通过三维空间坐标实现三维地应力场的预测;再次,优选了数据和物理双约束的权重参数,与人工神经网络、支持向量回归、随机森林等三种机器学习模型以及克里金插值模型进行了对比;最后,评价了不同机器学习模型预测地应力的效果.研究结果表明:(1)研究区域的地应力满足潜在正断层应力状态,即垂向地应力>最大水平地应力>最小水平地应力;(2)数据和物理双约束权重参数取值对预测结果有显著影响,当权重参数λ=0.2时,三维地应力预测效果最优;(3)与人工神经网络、支持向量回归、随机森林、克里金插值等模型相比,本文模型预测得到的地层三维地应力和孔隙压力更准确,在工区内测试集预测得到的垂向地应力、最大水平地应力、最小水平地应力和地层孔隙压力的最大相对误差分别为0.63%、7.59%、7.16%、3.21%,而且,本文模型能够更加准确捕捉地应力梯度的三维变化特征,水平井段地应力和地层孔隙压力参数的正态分布特征明显.结论认为,物理约束的分布式神经网络模型能有效融合地形构造与地应力之间的联系,提高三维地应力预测的准确性和可解释性,为油田三维地应力场的预测提供了一种新的思路.

非饱和黏性土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型

将非饱和土广义有效应力原理与三剪强度准则相结合,提出了非饱和土广义有效应力三剪强度准则。将所提准则作为破坏准则,分别采用等量代换法和坐标平移法推导出新的破坏应力比,并将其与非饱和土修正剑桥模型相结合得到了新的屈服函数。相比于原来修正剑桥模型中的破坏应力比为定值,新的屈服函数可以更好地反应土体全应力状态、中间主应力效应和拉压不等效应。在弹塑性理论的框架下,建立了非饱和土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型。以江西正常固结非饱和重塑红黏土作为试验研究对象,进行室内土工试验、土水特征曲线试验、压缩回弹试验、非饱和土常规三轴固结排水试验。将该本构模型计算结果与非饱和土三轴固结排水试验结果进行对比验证。结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了该本构模型的正确性。在轴向应变较小时,等量代换法和坐标平移法模拟结果比较接近,随着轴向应变增大直至偏应力达到平稳状态的过程中,等量代换法计算结果要大于坐标平移法计算结果,且更接近于试验值。真三轴计算预测结果表明:在固结排水条件下,初始压实度、净围压、基质吸力相同,中间主应力影响系数越大,则剪应力和体应变越大。b值相同的情况下,轴向应变较小时,等量代换法计算结果和坐标平移法计算结果比较接近,随着轴向应变的增大,二者之间的差值也越来越大。

中等Reynolds数线性剪切泡状流的液相雷诺应力

Analytical investigation of liquid Reynolds stress in shear bubbly flow with intermediate Reynolds numbers is absent.In this paper, the velocity field around a sphere bubble in linear shear liquid is assumed to be the linear superposition of the velocity field of uniform liquid passing a sphere bubble and the linear shear velocity field.The formula of shear liquid Reynolds stress was derived by averaging the velocity field in the cell-ensemble averaging method, and the formula was corrected under conditions of intermediate Reynolds number.The formula was compared with that of Sato, and the predicted results of local liquid velocity of the fully developed upward bubbly flow in pipes were compared with the experimental data.The results show that the formula is valid and accurate in prediction.

热应力模型下的电路板陶瓷组件绿色拆解与再资源化研究

本文旨在研究基于热应力模型的电路板与陶瓷组件的绿色拆解与协同再资源化技术。通过深入分析电路板与陶瓷组件的材料特性及热应力响应,构建了一种高效且环保的热应力拆解模型。该模型通过精确控制加热温度与速率,实现了电路板与陶瓷组件的高效分离,有效避免了传统拆解方法中的环境污染和资源浪费。同时,研究还探索了拆解产物的协同再资源化途径,通过优化再资源化流程,提高了资源的回收利用率。本研究不仅为电路板与陶瓷组件的绿色拆解提供了理论依据和技术支持,也为电子废弃物处理领域的可持续发展做出了积极贡献。

考虑应力罗德角的修正剑桥模型在ABAQUS中的数值实现及其在海堤工程中的应用

基于有限元软件ABAUQS提供的UMAT用户材料子程序接口,考虑应力罗德角对黏土力学特性的影响,改进了修正剑桥模型中的临界状态线。采用相关联流动法则,通过引入剪胀比推导了弹塑性矩阵,从而开发了考虑应力罗德角影响的修正剑桥模型UMAT子程序。运用该子程序模拟了正常固结土的静三轴和真三轴试验,并分析了应力罗德角改变引起的海堤最终沉降量的变化。模拟结果表明,考虑应力罗德角的修正剑桥模型能够较好模拟土体的应力-应变特性;应力罗德角变化对海堤最终沉降量的影响随地基深度增加而降低,对海堤-地基交界处的最终沉降量影响最为显著。

预应力UHPC-RC无腹筋组合梁足尺模型抗弯试验及极限弯矩计算研究

为了解预应力UHPC-RC无腹筋组合梁(简称组合梁)的抗弯性能,以2座组合梁桥实际工程为背景,分别制作25 m长工字形组合梁及30 m长箱形组合梁足尺模型进行抗弯试验,研究组合梁在弯曲荷载下的裂缝发展形态、荷载~挠度曲线及不同截面高度应变等。结果表明:2种组合梁最终受弯破坏时,1条主裂缝快速发展为贯穿弯曲裂缝,组合梁裂缝细密;荷载~挠度曲线较为饱满,刚度折减较普通预应力混凝土梁明显推迟,结构性能更为优良;开裂前组合梁截面受力发展满足平截面假定,出现主裂缝后逐渐不满足平截面假定。为考虑组合梁截面在极限状态不满足平截面假定的情形,基于UHPC材料本构关系,提出采用体外预应力筋极限理论推导组合梁极限弯矩计算方法,并将该方法与平截面假定理论计算结果及试验结果进行对比。结果表明:提出的组合梁极限弯矩计算方法较平截面假定理论计算方法能更好地反映结构受力。

考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。