不同储层渗透率下稠油油藏火驱开发特征

储层渗透率直接影响火驱过程中的驱替压差、油墙的形成与聚集速度,明确渗透率对稠油火驱开发的影响规律十分必要。采用自主开发的燃烧管装置和多孔介质热效应监测装置,开展了火驱实验,分析不同渗透率下辽河稠油油藏火驱特征。结果表明:储层渗透率为650×10^(-3)μm^(2)时,火驱过程中各热电偶峰值温度达到550℃,燃烧前缘推进中温度没有下降,说明该渗透率下燃烧过程放热效率高,能够解除燃烧初期的油墙封堵;热效应监测装置能够高效快速地监测由于原油氧化燃烧反应所导致的温度变化,储层渗透率为480×10^(-3)μm^(2)时庙5区稠油燃烧峰值温度比储层渗透率为300×10^(-3)μm^(2)时高107℃,说明渗透率的提高增强了燃烧初期的放热,从而缓解了油墙的封堵效应。研究结果对不同渗透率稠油油藏火驱开发具有理论指导意义。

循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验,分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力-应变问题转化为时间-应力-应变问题,同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论,提出了一个考虑了热-力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程,通过试验数据验证了其有效性。结果表明:煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势,而煤体泊松比减速上升,在峰值应力处达到极值,然后降低,表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高,煤体峰值强度非线性减小,损伤累积变缓,对应的应变逐渐增大,表明升温能增强煤体延性变形能力,加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象,说明高温加剧了煤体内部的损伤,降低了煤体强度,使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

平滑铝护套电缆蛇形敷设下热机械效应的有限元分析

近些年我国对平滑铝护套电缆的关注度持续提高,但目前相关敷设方面的研究尚有不足。针对电缆敷设过程中由于导体发热引起的热机械应力可能造成的安全问题,本文建立了平滑铝护套电缆在垂直蛇形敷设下的有限元模型,计算分析了垂直蛇形敷设情况下电缆的热机械效应。结果表明:垂直蛇形敷设电缆通过产生蛇形弧的侧向滑移,使其由于热效应引起的轴向力远小于直线敷设电缆,满足电缆长期安全运行条件;随着温度的升高,垂直蛇形敷设的侧向滑移量逐渐增大且增加趋势和理论计算结果相符,轴向力先从拉伸力转变为压缩力后逐渐增大;通过适当增大垂直蛇形敷设电缆的弧幅和半蛇形节距,可降低电缆产生的轴向力。

热−力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λT和热弹性压缩指数κT的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热−力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λT和κT随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热−力耦合作用下垃圾土的体积变形特性。

基于硅基微环谐振器的Fano共振线型产生和调谐研究进展

Fano共振的线型具有明显不对称特征,在光学通信、调制和传感等领域中极具应用潜力。首先对微环谐振器的各种线型进行了介绍,强调了Fano共振线型的独特优势,其次依据结构分类梳理了国内外基于硅基微环谐振器产生Fano共振的研究现状,然后介绍了基于热光效应的Fano共振调谐的研究进展,最后展望了硅基微环谐振器的Fano共振的发展及应用。

湿热力作用下粉砂质泥岩开裂特性研究

为探究湿热力作用下粉砂质泥岩的开裂特性,开展裂隙演化试验,得到湿热力单因素及多因素耦合循环作用下粉砂质泥岩的裂隙演化规律,同时利用X射线衍射、扫描电镜研究其微观结构变化特征,分析宏观和微观试验结果关联性,揭示湿热力作用下粉砂质泥岩裂隙扩展机制.研究结果表明:粉砂质泥岩裂隙发育表现为增长-平缓趋势;在单因素循环作用中,湿度循环(浸水~烘干)最易造成粉砂质泥岩开裂,温度循环(5~60℃)次之,荷载循环(0~50 kPa)最弱;在多因素耦合循环作用中,裂隙发育程度排序为:湿热力>湿热>湿力>热力,验证了湿度循环致裂性最强的结论.湿热力耦合循环作用15次后裂隙率达0.92%,裂隙条数增至30条,平均长度延伸至60.58 mm,而平均宽度稳定在0.47 mm左右.孔隙率与裂隙率的灰关联度最大,为0.813,即微观结构变化中孔隙发育与裂隙扩展的关联程度最大.湿热力耦合循环作用中,湿度循环引起黏土矿物晶层间距变化,导致颗粒破碎、孔隙扩张形成微裂隙,温度循环使试样产生差异性热应力、水分分布,促使微裂隙发育贯通,荷载作用增加尖端应力,最终导致裂隙网络形成.

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞,揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响.结果表明,孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时,有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数,孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场,而对整体的热-力响应影响较小.进一步地,基于应力对数客观率,在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型,并完成了模型的有限元移植.通过与实验结果的对比发现,提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响,从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

SiC复合包壳在辐照后LOCA工况下的热力耦合行为及其影响机制研究

碳化硅(SiC)复合包壳的热-力学性能和抗辐照性能较强,是一种优异的轻水堆事故容错燃料包壳,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要.本文综合考虑各层材料的辐照效应,开展了SiC复合包壳在轻水反应堆稳态运行1146天后发生失水事故(Loss of Coolant Accident,LOCA)期间的热-力耦合行为数值模拟,获得了CVD-SiC单质层的第一主应力分布和演化规律,并对应力演化的影响机制开展了分析.结果表明:LOCA期间内部CVD-SiC单质层的最大拉应力先迅速增加,后缓慢增加,存在开裂的风险;包壳外压降低是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子快速增加的重要原因;内压随着温度的升高而增大,是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子继续增加到峰值的原因;复合包壳管在稳态运行阶段存在较大的径向温差,由于LOCA初期温差的降低引起的热应力对内部CVD-SiC单质层的最大拉应力也产生了显著的影响,有望通过提高碳化硅纤维增强复合材料的热导率来降低复合包壳管的失效风险.

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

催化剂和环境温度对稠油燃烧的影响

针对部分稠油油藏火驱过程中低温氧化诱导期长和燃烧效率低问题,设计开发了一套多孔介质热效应监测装置,系统评价了催化剂种类、催化剂质量分数、复配催化剂和环境温度对稠油燃烧的影响。结果表明,该热效应监测装置能够高效快速地评价催化剂对原油燃烧表现的影响,从而筛选出合适的催化剂体系。复配体系[环烷酸钴(0.5%Co)+环烷酸锰(0.5%Mn)]能够将新疆油田A油藏稠油的燃烧起始温度降低60℃,在催化该稠油燃烧具有良好的应用前景。环境温度的升高能够明显促进燃烧的发生,但环境温度对燃烧强度的影响有限。

光学电压传感器温度响应特性分析与实验研究

光学电压传感器面临温度稳定性问题。本文以BGO晶体的Pockels效应模型为基础,结合热光效应等推导出光学电压传感器在多物理场作用下的温度响应模型,并对输出信号进行频谱分析,得到温度对传感器输出的影响规律,即由温度引起的输出漂移属于低频分量。在卡尔曼滤波降噪的基础上,提出了一种基于频谱分析的高通滤波温度补偿方法,通过滤除低频分量提高温度稳定性,并进行标定实验和温度响应特性实验。实验结果表明,传感器在[0℃,50℃]温度范围内输出电压测量精度优于±1.79%,与同平台下BP神经网络温度补偿方法进行对比,该方法易于实现且有效地抑制了温度漂移的影响。

考虑径向-止推润滑耦合效应的柴油机翻边轴承热弹流润滑特性研究

柴油机翻边轴承包含径向和止推两部分,其支撑曲轴以及阻止曲轴轴向窜动的功用主要通过这两部分的润滑承载来实现.为进一步研究翻边轴承润滑特性,改善其服役性能,本文中考虑翻边轴承径向与止推部分在公共边界上的耦合润滑效应,提出了耦合润滑过程中需满足的热连续性条件,构建了翻边轴承热弹流润滑分析模型,并据此探究了径向部分偏心率和止推部分几何油膜间隙对轴承润滑承载力与表面温度的影响规律.研究结果表明,翻边轴承热弹流润滑分析中,在考虑径向-止推两部分公共边界耦合润滑效应时有必要引入热连续性条件;随着径向部分偏心率增大,各部分的承载能力增加,轴承表面温度升高;随着止推部分几何油膜间隙减小,径向部分承载力有所降低,止推部分承载力显著升高,各部分表面温度均升高.

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应,即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性,基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法,编写了基于Abaqus的用户子程序,并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现,非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应,自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响,与不考虑自热效应相比,循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著,表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明,考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为,滞回圈的形状与实验结果更为吻合,斜率误差在10%以内。

双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关,其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程,而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论,考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用,建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上,分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明:温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略;冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢;土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处,且外界气温越低,内外温差越大,则土体水分发生聚集的位置越深,水分迁移量相对也越大,冻结过程中土体水分随深度呈S型分布;-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处,含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。

高压电缆热机械效应分析与弧幅滑移量计算研究

针对现有方法无法准确计算热机械效应下高压电缆应变和弧幅滑移量,首先分析热机械效应机理,提出高压电缆应变计算方法和基于悬链线方程的弧幅滑移量计算方法。其次以高压单芯交流XLPE电缆为研究对象,通过有限元仿真分析热机械效应下高压电缆的温度场、应力和应变、弧幅滑移量。最后进行现场应变试验与弧幅滑移量测量试验。应变试验结果表明:应变片测量结果分别为1.84、1.19、1.12、2.16 mm,高压电缆最大应变理论计算值达到2.33 mm,根据测量和计算可判断高压电缆最大应变位置。弧幅滑移量测量试验结果表明:弧幅滑移量计算结果符合试验测量值和有限元仿真值,比现行标准计算值的相对误差减小了18.65%。上述试验结果验证了应变计算方法、弧幅滑移量计算方法符合高压电缆实际工况且便捷准确,为高压电缆蛇形敷设参数提供了有效的工程计算方法。

基于热力耦合的桥隧过渡段无砟轨道温度效应分析

为研究高温环境下高速铁路桥隧过渡段无砟轨道的温度分布和受力与变形特征,基于赣深高速铁路桥隧过渡段无砟轨道温度测试,提出无砟轨道纵向温度分布荷载模式,建立桥隧过渡段无砟轨道热力耦合模型,通过实测数据验证了模型有效性。在此基础上,分析过渡段无砟轨道的温度场分布及其内部力与位移传递规律。结果表明:高温环境下,从隧道外到隧道内,无砟轨道温度变化幅值不断减小,在距隧道口超过44 m后,温度基本稳定;实测无砟轨道表面温度沿纵向变化幅值为27.12℃,在14:00达到纵向最大温度变化率5.17℃/m;采用分段函数对桥隧过渡段纵向温度分布进行拟合,在无砟轨道纵向温度变化率最大区段,轨道板纵向应力达到1.41 MPa,轨道最大垂向位移1.50 mm。

封闭空腔受潮的一种机理:热湿效应

为探索隐藏的电气装备封闭空腔受潮机理,对受潮原因未得到有效解释的案例剖析后,提出热湿效应的猜测命题;对该命题进行基于热扩散理论的演绎证明和基于观察事实的归纳证明,同时类比建立命题的数学模型,对模型进行了实验确证。结果表明:如果空气中存在温度梯度,则一定存在因热湿效应导致的与温度梯度方向一致的水蒸气浓度梯度;如果封闭空腔内外存在温度差,则一定存在因热湿效应导致的与此温度差方向一致的水蒸气浓度差。讨论得到:热湿效应是基础物理现象,是水蒸气传递的普遍规律;它是导致电气装备封闭空腔受潮的独立重要原因,可供各行业相关领域参考。

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料,其有千变万化的微结构和高孔隙率,通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力,提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上,实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测,利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解,利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系,并进行了预测误差验证,证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上,建立了以等效材料填充的结构优化模型,考虑了热力载荷作用,以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型,提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果,结构热刚度在一定体积约束下显著提高,证明了所提方法的有效性。

基于珐珀的全光纤式温度传感器研究

温度是核电厂安全运行的重要参数。对全光纤式的光纤珐珀温度传感器开展了研究。在单模光纤端面熔接一段带有空气腔的多模光纤。多模光纤部分构成珐珀干涉腔,利用多模光纤形成的珐珀腔感温。在热光效应和热膨胀效应下,温度的变化引起珐珀腔中光程差的改变。试验结果表明,50℃下腔长为592.0μm的光纤珐珀温度传感器,在50~200℃温度范围下的温度灵敏度为0.01811μm/℃、线性度为0.99365。通过分析讨论,提出了两种进一步提高光纤珐珀温度灵敏度的方法。这种全光纤式的光纤温度传感器相对毛细管式光纤珐珀温度传感器具有体积更小、结构更简单的优势,在恶劣及空间狭小的环境有广阔的应用前景。

新型小体积电阻型超导故障限流器的研究

针对电力系统发展过程中短路故障电流水平持续上升的问题,提出利用基于MgB2的小体积电阻型超导故障限流器限制短路故障电流,并测试其限流性能。结合改进的J-A磁滞模型和绝热一维热传递模型建立了电阻型超导故障限流器的热磁耦合模型和电路方程,动态模拟限流器在发生故障时的工作特性。试验结果显示,该超导故障限流器具有良好的限流作用,其限流率超过49%,失超恢复时间在1.5 s左右,可采用交替联接的方法达到重合闸的要求。结合试验结果充分验证了热磁耦合模型的合理性和精确性,提出在设计上限制超导故障限流器高度以提高MgB2绕组的利用率,为今后电网中MgB2超导故障限流器的研究提供了理论模型基础。