水厂臭氧-生物活性炭工艺对短链PFCs及DOM去除特性的中试

全氟化合物(PFCs)在水环境中广泛分布并存在潜在毒性,活性炭吸附是目前被认为从饮用水中去除PFCs的有效技术之一。然而,关于臭氧-生物活性炭(O3-BAC)在实际水体中对短链PFCs去除特性的研究较少,因此在目前地表水环境中短链PFCs的污染水平不断升高的背景下,亟需评估该工艺的应用效果。文中以水厂砂滤产水为水源,研究了3种短链PFCs(PFBA、PFPeA、PFHxA)和溶解性有机物(DOM)在连续运行90 d的O3-BAC中试装置中的去除效果,同时探讨了关停臭氧和臭氧的投加量对短链PFCs和DOM去除效果的影响。结果表明,随着运行时间的延长,3种短链PFCs在O3-BAC中试中的去除率显著下降并且出现了PFCs穿透和解吸附现象,去除率下降程度为:PFBA>PFPeA>PFHxA,而DOM相关的DOC、UV_(254)和Φ_((T,n))指标的去除率下降程度则相对缓慢。臭氧的投加能够氧化DOM从而改善短链PFCs在炭滤中的吸附去除,关停臭氧后流入炭滤的DOM会抢占已吸附短链PFCs的吸附位点,使PFCs解吸附提前发生。过高的臭氧投加量又会使更具竞争性的低分子量有机物增多,从而削弱炭滤对短链PFCs的去除能力。

温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤

为探究港口码头不同环境因素对码头桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力,通过颗粒流分析程序(particle flow code 3D,PFC3D)建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型开展研究。对温度-应力模型进行建立,选取热学参数,构建了温度热管模型,通过分级加热,得到了钢筋混凝土桩的横向拉伸应变、纵向压缩应变以及微裂缝生长数量随温度变化曲线;调整模型混凝土粗骨料占比与强度等级,研究其对钢筋混凝土桩受热损伤的影响;通过施加温度场的模型进行水平加荷载后,得到的应力应变曲线;基于模型微裂隙数量的损伤变量,并构建了损伤变量-轴向应变曲线,进一步分析了温度-荷载共同作用的损伤规律。结果表明:混凝土轴向压缩应变和横向拉伸应变会随温度的增加而逐渐升高,细观微裂隙数量会随温度的升高而增长;粗骨料占比升高会使受热初始损伤增加;温度的升高,材料的宏观力学性能出现了不同程度的降低。

基于力链变化的直剪试验数值分析

构造宏观力学与细观力学的联结,一直是岩土力学领域研究课题的热点。从宏、细观两个角度出发,利用颗粒流软件PFC 2D模拟直剪试验,对直剪试验各阶段进行分析,利用风玫瑰图描述力链的方向,综合试验、离散元颗粒流模拟和细观理论对直剪试验的力链分布变化及演化规律进行研究。结果表明,室内试验、数值模拟试验二者结果基本一致;剪切应力达到峰值前内部力链结构有规律地重构,强力链逐渐靠向角平分线;剪切应力达到峰值与水平方向呈接近45°夹角,在卸荷失稳阶段,弱力链重新分布,部分强力链转化而消散,绝大多数保留在剪切带周边。该研究可以更好地理解土体的细观力学机理,为相关数值模拟试验提供参考依据。

含二维和三维预制裂隙的脆性岩石试样的破坏特征数值验证

为模拟岩体中原生裂隙的真实破坏行为,基于含二维和三维预制裂隙的类岩石试样的单轴压缩试验开展了相应的离散元模拟研究。试验和模拟结果表明:内部次生破坏率先出现在内置二维裂隙下部和三维裂隙周围,且次生拉裂纹与预制裂隙在走向方向上完全平行呈条带状分布。裂隙倾角的增大对岩样的破坏有不同程度的影响,随着裂隙倾角逐渐减小,次生拉裂纹越来越明显,翼裂纹的曲率越来越大,内置三维裂隙附近的拉裂纹簇分布范围越来越大。同时,次生剪裂纹的产生也随着裂隙倾角的减小而发育越来越明显,连通性增强,试样越容易发生破坏,说明随着预制裂隙倾角在一定范围内减小,试样强度呈现递减趋势。

一类三电平伪图腾柱无桥PFC变换器

针对传统二极管钳位型三电平整流器在单相电源前级功率校正(power factor correction,PFC)电路应用场景下全控开关器件数量多的问题,该文基于3种传统无桥PFC电路进行三电平电路拓扑设计,提出一类三电平伪图腾柱PFC电路(single-phase three-level pseudo totem-pole PFC circuit,STPT-PFC),该类三电平PFC具有双电感支路桥臂,两者相互配合工作为输入电流提供路径,在正负半周两电感支路桥臂工作于不同模态可有效降低分别流过两电感的电流;基于该类PFC的一个代表性电路,从工作电流路径过程、关键波形和调制脉冲分配等方面对其进行工作原理分析,并对其它电路进行电路特性总结,推导桥臂对地电压电平特性与开关脉冲分配的数学关系式。另外,该类STPT-PFC共有5种结构,结合该类STPT-PFC结构特点,提出统一区间判断条件的双层载波调制技术,该类STPT-PFC具有相同开关器件不同拓扑结构可采用同一调制方案的特点,便于该类调制技术移植。最后,基于STPT-PFC-I电路设计1台额定功率1 kW、直流输出电压400 V的实验样机,从稳态及动态两方面进行实验分析,实验结果验证所提出一类三电平伪图腾柱PFC电路的可行性和三电平统一双层调制方法的有效性。

复杂运动路径下滑坡转向变形机理研究

滑坡受地表地形地貌和滑面形态的影响,在运动过程中常表现出转向、分叉、聚合等复杂行为,研究复杂运动路径下滑坡转向变形机理对滑坡的防灾减灾工作有重要意义。以三维地质建模技术为基础,构建庞家湾滑坡的三维颗粒流模型。通过PFC模拟滑坡的运动过程,得到如下结论:庞家湾滑坡发生了转向和聚合行为,滑坡中后部土体的滑动方向发生偏转并在坡脚与东北区域滑体聚合;滑坡中部发生转向运动的颗粒以较快的速度首先开始滑动,且速度由滑坡中部向周围呈辐射状减小;滑坡前缘在整个运动过程中,始终保持较快的运动速度,而后缘运动速度较慢,此外滑体表面速度大于滑体内部和底面速度,而滑坡各部分运动速度不同则是造成滑坡转向变形的重要原因。揭示了复杂路径滑坡的运动规律和转向变形机理,为评估滑坡风险,采取更为合理的防治方案提供理论依据。

基于PFC模拟的饱和粉砂强度折减范围研究

为验证基于颗粒流程序(particle flow code,PFC)模拟的饱和粉砂土体变形和破坏状态下土力学参数与孔隙度的关系,以呼和浩特市地铁2号线公主府站至呼和浩特站盾构区间前期钻探土样为研究基础,对饱和粉砂进行一系列密度梯度的三轴不固结不排水室内试验,根据换算公式将密度指标转化为孔隙度指标,对孔隙度与内摩擦角之间的关系式以及孔隙度、围压与变形模量之间的定量关系式进行拟合。通过离散元法进行三轴数值模拟试验,监测试件在压剪过程中孔隙度随试件变形的变化规律,从而确定饱和粉砂在弹塑性变形阶段和破坏阶段土体孔隙度与变形模量及内摩擦角之间的关系。结果表明,土体强度随密度的增加而增加,基本呈现线性增加的规律。将孔隙度随土体应变变化的曲线对应到内摩擦角随孔隙度变化的拟合曲线中,可以得到饱和粉砂不同阶段土力学参数的取值范围,明确土体强度折减范围。通过PFC模拟曲线确定不同阶段对应的区段,为完善饱和粉砂强度折减规律分析提供了新的方法。

无电流传感复合前馈控制无桥功率因数校正变换器

有源功率因数校正(APFC)是AC-DC变换器的重要组成部分,其目的是改善输入侧电能质量,提高系统功率因数。传统的有源电流控制功率因数校正(PFC)变换器需要准确地提取升压电感电流,而双二极管式无桥PFC变换器升压电感位于整流部分之前,电感电流不再是单一方向流动,这使得其电流采样电路相比更复杂。为此该文提出一种基于观测器的无电流传感方案。方案中针对占空比误差的不确定影响修正了无桥PFC电流观测器算法,实现了占空比误差自适应的电流观测器,进一步基于所提观测器实现对负载信息的观测,设计出无电流传感的复合前馈控制方案,运用负载观测信息改进电流内环参考形式,同时利用输出电压纹波观测值进行2次谐波前馈补偿,最终实现无电流传感控制条件下变换器高动态响应设计。该文搭建了225 W单相双二极管式无桥PFC的实验样机,实验结果表明,在开关频率100 kHz时电流观测精度达到96.75%,所提控制方案输入电流的总谐波畸变率(THD)含量约为5%,功率因数(PF)约为99.85%,半载动态响应时间10 ms,相比于传统PI控制无桥PFC变换器提高了约90%。

基于地质分区的伊犁河谷黄土滑坡滑移特征研究

滑坡给人类生命、财产和基础设施带来了极高风险。在阿拉尔村附近发现了一处潜在不稳定滑坡。本文通过ArcGIS软件对潜在滑坡进行高程、坡度和坡向3方面分析,依据这3个地质因子对边坡进行了地质分区;再运用颗粒流软件PFC^(2D)建立潜在滑坡数值模型,模拟潜在不稳定滑坡位移过程,分析其颗粒应变规律,通过双轴试验模型对滑坡土体的细观参数进行标定,使其和实际相符;最后将数值模型的位移结果与地质分区相结合,得到该潜在滑坡的位移分析结果。结果表明:该潜在滑坡的位移主要集中在高高程、中等坡度区域,而该滑坡在此区域面积占比最大,研究为后续边坡治理提供了一定理论依据。

基于细观结构演化的冻结砂岩热融软化规律研究

冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确标定的基础上,利用颗粒流软件(PFC^(2D))模拟了冻结岩石的压缩破坏过程。基于微裂纹起裂规律和微裂纹扩展规律分析,探讨了孔隙冰对冻结砂岩热融软化规律的控制作用。研究结果表明:(1)冻结岩石的强度、弹性模量等参数均随着温度的升高呈两阶段变化趋势,在-4℃至-2℃之间存在某一温度,使得试样的强度及变形参数发生骤降。(2)当温度低于-15℃时,微裂纹的起裂扩展主要由矿物颗粒之间的接触强度控制;当温度在-2℃和-15℃之间时,主要由冰颗粒之间和冰-矿物之间的接触强度控制;而当温度大于-2℃时,则主要由冰颗粒之间的接触强度控制。(3)通过分析孔隙冰在冻结岩石受荷破坏过程中所起的“支撑作用”和“黏结作用”,发现在-6℃至-4℃之间,冰颗粒之间黏结强度和冰-矿物黏结强度均迅速衰减,导致冰的支撑和黏结作用弱化,是该温度区间力学性质快速弱化的本质原因。

基于PFC3D的粉质黏土三轴压缩破坏过程分析

为从细观角度探究粉质黏土在三轴试验加载过程中变形破坏演变过程,文中通过PFC(Particle Flow Code)3D软件模拟三轴剪切试验过程,从颗粒位移场、强接触组构变化、强接触力分布规律、配位数、黏结断裂等方面对粉质黏土变形破坏的细观演变过程进行分析研究。研究结果表明,试样剪切带随轴向应变增大而变窄,10%轴向应变时试样中部颗粒位移值最大;试验后期配位数相较于前期逐渐均匀化;黏结断裂随轴向应变的增大而呈线性增大,不完美黏结也随之增大,且试验初期没有发生黏结断裂;强接触力分布函数在试验中期显著增大而后期逐渐减小,且服从对数正态分布。研究成果以期为土体研究提供方法与参考。

双波导辐射对岩石裂纹扩展机理的影响

通过微波辐射能够使岩石迅速升温并产生扩展裂纹,从而大幅降低岩石强度,有助于解决全断面隧道掘进机(TBM)在破碎高强度硬岩地层时面临滚刀磨损严重、破岩效率低下、工程成本剧增等问题。为此,本文采用离散元软件PFC2D建立玄武岩的三相矿物(斜长石、橄榄石、辉石)模型,并进行双波导辐射模拟,探究波导间距(60、70、80、90及100 mm)、辐射时间(0、0.04、0.06、0.08及0.10 s)和围岩压力(5、10、15及20 MPa)对岩石损伤裂纹扩展的影响规律。结果表明:采用微波功率密度1×1010W/m3对玄武岩进行辐射加热时,为达到辅助破岩的效果,辐射时间不宜低于起裂时间(0.04 s)。微波辐射导致强吸波矿物(辉石)和弱吸波矿物(斜长石)间形成较大的温度梯度和热应力且最易产生损伤裂纹,所以裂纹产生的位置主要与岩石矿物的位置分布具有重要关系。在微波辐射岩石过程中,裂纹首先在辐射区域产生,继而在热膨胀和热应力作用下扩展延伸并在波导间的岩石区域形成裂纹贯通;随着波导间距的增加,波导间岩石裂纹贯通时所需要的微波辐射时间逐渐增加。围岩压力对裂纹的产生和扩展具有抑制和约束作用,其变化对岩样损伤裂纹的生成位置和扩展路径无明显影响,通过延长微波辐射的时间可以弥补因围压增加而减少的裂纹。

基于PFC电路直流纹波抑制的二阶自适应滑模控制器设计

文中提出一种背靠背型中性点钳位式(back-to-back neutral point clamped,BT-NPC)功率因数校正(power factor correction,PFC)电路,并设计二阶自适应滑模控制方法用于提高电路鲁棒性与降低电流谐波含量。首先,分析所提三电平PFC电路工作特性,推导该电路的等效模型及其模态扰动,并分析模态扰动量对其工作特性的影响;然后,结合高阶滑模理论与自适应控制两者的优点,设计二阶自适应滑模控制器,既使电路具有变结构控制的良好鲁棒性,又能最大限度的减小控制震颤。同时,基于电流带宽分析,设计比例谐振控制器补偿交流电流与工频相位,并设计基于扩张状态观测器的直流电压采样滤波方法,用于消除二倍频纹波造成的电流谐波影响。最后,基于BT-NPC电路,搭建220 V/50 Hz、1 kW/400 V的实验样机,实验结果验证所提变换器的可行性和控制方法的有效性。

滑坡诱发农村山区砖混结构变形及演化规律研究

作为西南山区最为频发的地质灾害之一,滑坡对山区中大量存在的砖混房屋造成严重影响,尤其农村山区中受灾最为严重,给人民群众生产生活造成巨大安全隐患.研究滑坡引起的上部砖混结构变形特征,对科学指导房屋设计防护及灾后监测点布置具有重要现实意义.本文以酉阳高园子滑坡为例,通过现场调查和裂缝参数拟合研究了滑坡区砖混结构变形破坏特征.同时基于PFC3D,构建了有限体积-离散元(Finite Volume Method-Discrete Element Method,FVM-DEM)滑坡-房屋单向耦合模型,模拟并分析了在不同工况下滑坡动态发育过程,进一步揭示了房屋裂缝产生及演化过程.结果表明:相比于普通无柱砖混结构,底框结构抵抗滑坡诱发变形破坏的能力更强,并且处于前后缘段的房屋相对中段房屋更易出现损伤破坏;房屋的长宽比不宜过小,布置房屋长边走向平行斜坡走向有利于减少滑坡对房屋造成的破坏.本文总结了在滑坡作用下,上部砖混结构的变形特征和裂缝开展规律,可为农村山区砖混结构设计和布置提供参考.

码头钢筋混凝土桩的细观损伤模型参数标定及模型验证

桩被用于码头中时,由于各种因素对桩身材料特性的劣化而降低桩身承载能力已成为高桩码头安全健康使用的重要影响因素。为更加准确地预测钢筋混凝土桩在内河码头复杂水工环境下(船舶荷载、波浪荷载等)的损伤情况和变形特性,设计出一种易于制作与操作的水平加载装置,对钢筋混凝土桩进行水平分级加载试验,得到桩底受拉荷载-应变曲线,通过PFC3D软件建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型,对细观参数进行标定,并结合物理试验结果验证模型力学性能的合理性。

不良级配粉细砂路基碾压数值模拟

我国滨海地区存在大量粉细砂,其级配较差,为减少客土使用,可将其用做路基填料。依托海南某旅游公路粉细砂填筑路基项目,建立不良级配粉细砂路基压实过程的PFC2D模型,研究压实作用力、静动碾压和压实遍数的压实效果,建立压实度K和孔隙率n关系。结果发现,不同压实力作用下粉细砂孔隙率沿深度变化不明显,动碾相对于静碾压实效果更好且作用深度更深,随碾压遍数增加,粉细砂孔隙率减小,路基压实度增大,但碾压超过一定遍数后,对压实效果提升不明显。数值模拟与现场试验结果较为一致。

循环荷载下双裂隙砂岩弹性模量及裂纹动态演化

为研究不同岩桥倾角砂岩在循环荷载作用下的弹性模量变化和裂纹动态演化规律,对裂隙倾角固定为45°,岩桥倾角分别为15°,45°,75°,90°,105°的砂岩试件开展了单轴循环加、卸载试验和PFC^(2D)模拟.结果表明,不同裂隙砂岩的弹性模量随循环荷载作用得到了明显的强化;在循环荷载作用下,应力-应变曲线与离散元模拟得到的试件瞬时微裂纹演化曲线存在对应关系;岩桥倾角对砂岩的破坏模式有影响,PFC^(2D)模拟的裂纹动态演化可以合理地反映岩石中裂纹的萌生位置、扩展方向.基于微裂纹数目所定义的损伤与破坏模式很好地对应,岩桥倾角为45°时原始损伤是最大的.

正交-响应面法在PBM细观参数标定中的应用

数值模拟作为研究岩石力学特性、再现细观裂纹演化的主要途径,已受到大量关注。现有的数值模拟参数标定方法主要为试错法及正交试验法,但二者都未能充分考虑细观参数交互作用的影响,模拟精度欠佳且宏观破坏形态与室内试验存在较大差异。因此,采用正交-响应面法相结合的数值分析方法,首先通过正交试验筛选出具有显著影响的平行黏结模型(PBM)细观参数,其次应用响应面法(RSM)研究其交互作用对模型试样宏观参量的影响规律,最后结合岩石宏观破坏形态提出一套PBM参数标定流程。结果表明:有效模量E*与刚度比k n/k s对弹性模量E影响显著;k n/k s、接触摩擦系数μ、最小颗粒半径R_(min)对泊松比ν影响显著;黏聚力c与法向黏结强度σc及其交互作用对单轴抗压强度UCS影响显著,应用响应面法计算分析得出的细观参数的模拟值与试验值误差绝对值小于7%,且二者应力应变曲线力学特征相似,宏观破坏形态相同,证明所提出的PBM细观参数标定流程具备科学性和可靠性。

基于PFC的微波辅助PDC齿破岩数值模拟

微波辅助机械破岩是近年来提出的一种破岩新方法,为探索该方法辅助PDC钻头破碎难钻地层的可行性,本文基于离散元软件PFC的黏结颗粒模型(BPM),建立了微波加热下PDC齿与岩石互作用模型,研究了不同微波照射条件对PDC齿切削破岩的影响。结果表明:在相同微波照射时间下,照射功率较低时,切削破岩模式以PDC齿的挤压刮切作用为主,随着功率的提升,岩石内部热裂纹逐渐增多,破坏模式转变为微波诱导热裂纹所主导的脆性块状破坏为主;微波损耗功率达到3.51 kW、照射90 s后,平均切削力和破岩比功分别较常规切削时降低56.77%和73.9%,微波损耗功率越大,照射时间越长,破岩效率越高;微波照射可减小切削力的波动幅度,使切削力的变化更平缓,有助于提高PDC齿的工作寿命。

应用HYDRUS-1D模型模拟分析PFCs在土壤中的迁移特征

为探明全氟化合物(PFCs)在土壤中的迁移转化规律,为PFCs地下水污染防治提供依据,以全氟丁酸(PFBA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)和全氟辛基磺酸(PFOS)等6种PFCs作为研究对象,在室内设置一维土柱实验模拟PFCs在土壤中的迁移过程,采用Hydrus-1D模型建立土壤水流和溶质运移数值模型,对PFCs在土柱中的迁移过程进行模拟,将模拟结果同实验结果进行比较,模型模拟值与实验实测值吻合得较好。采用单因素局部扰动分析方法,分别对HYDRUS-1D模型中入渗水量、土壤容重、纵向弥散度和PFCs在土壤介质中的吸附系数等参数进行扰动,并与参数原值结果进行比较,计算敏感系数,结果表明入渗水量、土壤容重和吸附系数是影响PFCs在土壤中迁移的主要因素。