一种评价核磁共振测井仪探测特性的方法

核磁共振测井仪敏感区域的形状、探测深度以及信号强度是评价其探测特性的主要指标,而这几个主要指标完全由探头磁场分布所决定. 为了在核磁共振测井仪探头设计的前期,实现对探头探测特性的客观评价,该文从核磁共振的基本条件出发,利用有限元数值模拟方法分析了MRIL-P型核磁共振测井仪探头的磁场分布,并对其磁场结构进行了优化匹配. 根据核磁共振信号原理,并基于数值模拟得到的磁场优化匹配结果,进一步模拟得到MRIL-P型核磁共振测井仪敏感区分布,并验证了核磁信号强度与工作频率之间的变化关系. 结果显示：在梯度磁场中,核磁信号强度主要受磁场强度的影响,并随工作频率的增大而增大,数值模拟的结果与预测结果相一致;该方法可以用来在核磁共振测井仪探头前期的设计阶段评价其探测特性,指导总体方案的设计.     

电缆核磁共振测井仪探测特性研究

磁场形状和分布对核磁共振测井仪探测特性有决定性的作用. 该文利用电磁场有限元方法,模拟分析了国际主流核磁共振测井仪MRIL-P、CMR、 MREx、以及MR Scanner等4种仪器的磁场分布,考察了探头结构参数对磁场分布的影响,并进一步分析了仪器探测特性及其影响因素,同时对探头磁场形状进行了优化匹配,确定了探头的结构设计,并对比分析了4种探头之间的优缺点. 结果表明,梯度磁场方案优于均匀磁场方案; 居中型探头结构相对简单,信号量大,但其测量信号受钻井液影响; 贴井壁型探头结构相对复杂,信号量较小,但其设计灵活,测量信号不受钻井液影响.     

随钻核磁共振测井仪探测特性研究

随钻核磁共振测井是继电缆核磁共振测井之后的重要进步,具有直接探测原状地层孔隙度、束缚水、渗透率和流体饱和度等特点,受到广泛关注. 随钻核磁共振测井需要在更加恶劣的环境下作业,对探头尤其是对磁体有更高的要求. 该文研究随钻核磁共振测井的探测特性. 基于测量环境和工作方式,分析了随钻核磁共振测井静磁场设计中的特殊问题;利用有限元方法,分别模拟了MRIL-WD（哈里伯顿）、proVISION（斯伦贝谢）和MagTrak（贝克休斯） 3种随钻核磁共振测井仪的静磁场分布;根据数值模拟结果,提出可以抑制仪器随钻具运动（轴向转动、纵向钻进和径向振动）对测量的影响的随钻核磁共振测井静磁场方案,为自主随钻核磁共振测井仪器的设计、实现和优化提供了思路和注意事项.     

手持/便携式激光拉曼测试装置中探头的设计与实验研究

从手持/便携式角度出发,采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头,并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真,得到入射光路的工作焦距为13.5mm,像方数值孔径为0.23;收集光路的像面焦距为13.46mm,数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计,TracePro软件进行探头整体光路模拟,通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50mm×33.5mm×17mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试,测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致,且在200～300cm~(-1)波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试,实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果,并具有良好的性能.     

20单元双压电片变形反射镜的影响函数有限元分析和实验测量

影响函数是分析双压电片变形反射镜像差校正能力的重要参量,通过建立有限元模型预测实际器件的影响函数,以有限元模型的不断优化替代实际器件的尝试性改进,可以减小构造的盲目性,从而节约研发成本,缩短双压电片变形镜的实用化进程.采用Veeco干涉仪测量了20单元双压电片变形反射镜的影响函数,同时建立有限元模型进行了相应计算,并将计算结果与实际器件的测量数据进行了对比分析.结果表明,相对于实测数据而言,有限元模型计算得出的影响函数在量值上略有偏小,但其形状和峰值位置与测量数据一致性好,两者对前35项泽尼克像差的拟合曲线也基本吻合,各项拟合误差系数之差皆小于0.1.这说明通过不断改进有限元模型实现对实际器件的优化设计是切实可行的.     

正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

强吸收-强反射型听音室声场的有限元优化

为获得听音室预期的平直混响时间和合适的房间形状,提出了一种结合强吸收-强反射概念和有限元优化技术的设计方法,并进行了实验验证。对按照优化设计结果所搭建的听音室的房间频率响应、混响时间进行了实际测量,实测数据显示了与解析计算、数值模拟结果有着较好的吻合。在整个设计频段内混响时间特性曲线平直,优化后房间低频段两个倍频程内频率响应的标准偏差可降低约6dB。1/3倍频程中心频率上实测混响时间的方均根值和设计值的偏差在63至4 kHz的6个倍频程内仅为0.02 s。      

杆式动能弹侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

 根据已有的实验数据和文献参数,确定了YB-AD90陶瓷材料的JH-2模型参数。采用Autodyn-2D程序,对杆式动能弹侵彻YB-AD90陶瓷复合靶的侵彻深度和动力学侵彻过程进行了数值模拟。研究结果表明,采用的数值模拟方法和陶瓷材料JH-2模型参数合适,模拟结果与实验结果基本吻合,并且能够模拟动态侵彻过程中弹丸头部的形状变化、材料破碎和通道塌陷等重要特征。     

CFD在换热器局部结构优化设计的应用

本文利用CFD模拟手段对电加热水箱换热器流动传热特性进行三维数值计算,通过对流场和温度场的分析,改进原设计中不利于热量传递的结构特征.在保证水箱基本结构尺寸不变的前提下,对箱体内两块折流板的位置及其几何形状进行多种结构模型的数值模拟和比较分析,实现了基于CFD数值模拟结果进行换热器局部结构优化设计的工程应用.     

单行载流子光电探测器中空间电荷屏蔽效应理论分析和实验研究

本文优化设计和外延生长了一种单行载流子(UTC)光电探测器有源区结构,并且采用微电子工艺制备了台面尺寸为30μm的UTC光电探测器.同时,采用了漂移-扩散模型对该有源区结构进行了理论模拟,从载流子浓度和空间电场角度重点分析研究了空间电荷屏蔽效应对UTC光电探测器直流饱和特性影响的物理机理.UTC光电探测器理论模拟结果与实测数据基本相符.     

基于时间反演技术的电磁器件端口场与内部场转换方法

随着电磁器件的集成化,器件搭载的模块、实现的功能愈发多样.各模块间的耦合难以忽略,设计难度陡然增加,传统设计方法逐渐力不从心,迫切需要寻找一种新的电磁综合设计方法.本文利用时间反演电磁波的时空同步聚焦特性,探索了将时间反演技术应用于器件设计的可能性.首先,基于通用的器件逆设计流程,利用时间反演技术、并矢格林函数及电磁学的基本原理,提出了将器件端口场分布转换为内部场分布的方法,并证明由端口期望场的时间反演场在空间某一位置获得的连续等效源的共轭分布可在端口处产生与期望场接近的场分布.且在单点频逆设计过程中,只需知道端口电场或磁场的切向分量即可完成端口场与内部场的转换.同时,借助格林函数的互易性对本文所提理论做适当变换后,进行数值仿真验证,分析讨论了不同初始信息条件下该方法的适用性.仿真结果与理论相符,证明了理论的正确性,为将时间反演技术应用于电磁器件的逆设计提供了可能.     

In situ fluid typing and quantification with 1D and 2D NMR logging

In situ nuclear magnetic resonance (NMR) fluid typing has recently gained momentum due to data acquisition and inversion algorithm enhancement of NMR logging tools. T(2) distributions derived from NMR logging contain information on bulk fluids and pore size distributions. However, the accuracy of fluid typing is greatly overshadowed by the overlap between T(2) peaks arising from different fluids with similar apparent T(2) relaxation times. Nevertheless, the shapes of T(2) distributions from different fluid components are often different and can be predetermined. Inversion with predetermined T(2) distributions allows us to perform fluid component decomposition to yield individual fluid volume ratios. Another effective method for in situ fluid typing is two-dimensional (2D) NMR logging, which results in proton population distribution as a function of T(2) relaxation time and fluid diffusion coefficient (or T(1) relaxation time). Since diffusion coefficients (or T(1) relaxation time) for different fluid components can be very different, it is relatively easy to separate oil (especially heavy oil) from water signal in a 2D NMR map and to perform accurate fluid typing. Combining NMR logging with resistivity and/or neutron/density logs provides a third method for in situ fluid typing. We shall describe these techniques with field examples.     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

三维电磁扩散场数值模拟及磁化效应的影响

采用矢量有限元法实现了三维电磁扩散场数值模拟,并成功将其应用在大地电磁的正演研究中.为灵活精确地拟合起伏地形和地下不规则构造,采用由不规则四面体单元组成的非结构化网格,可根据模型设计的需要调整网格的大小.引入了基于二次场理论,将解析的一次场从总场中扣除,直接计算二次场,使得误差仅局限于相对较小的二次场,以提高总场计算精度.常规的节点有限元法不满足电性分界面上法向电场不连续和无源区单元内电流密度无散,违反麦克斯韦方程组.为克服节点有限元法的弊端,使用矢量有限元法求解基于二次电场的偏微分方程.另外,在算法设计中,考虑了磁导率参数的变化,可以模拟磁导率不均匀的模型.通过与COMMEMI模型已发表的结果对比,证明了本文算法的正确性和精确性.为突显非结构网格优势,计算了椭球异常体模型和任意地形模型的MT响应,并详细讨论了地形和磁化效应对三维数值模拟结果的影响.     

探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度,提出一种新颖的相对湿度误差修正方法—–基于流体动力学的数值分析法.在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿度传感器的外部热环境情况,施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型.结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式,进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型,并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响.分析数值仿真结果表明:随着海拨的升高,其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系;太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著,当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小;虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差,但是在低气压高空条件下,太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显,需加以修正.与实验结果对比表明,基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.     

井孔中多极源在分层介质的声场模拟方法*

水平分层地层是常见的地质模型,为了获得地下水平分层介质中声波测井的响应并了解声波在其中的传播规律,需要对该模型进行声场数值模拟,通常采用基于时域有限差分的数值模拟方法。然而对于地下数百米井段的声场模拟,如何最大化地减小数值模拟的计算区域,提高计算速度和节省内存,是必须考虑的策略问题。本文中,我们提出了动态计算区域的仿真策略,给出了计算区域选取的优化方案,并通过算例验证策略的有效性。假设发射器分布在阵列接收器下方,模拟结果表明,当声源距离下方最近的分层边界超过2米时,位于仪器下方的所有分层介质可以在计算中忽略不计。对于位于阵列接收器上方的分层边界,在选取计算区域时,也同样采用类似的策略。利用这样的策略,我们连续快速模拟了多层介质中单极子和偶极子声波测井响应,其中纵波和横波速度提取结果与输入的连续分层介质参数吻合。应用这种策略,可开发出数百米甚至数千米的井孔声场连续快速仿真的数值模拟软件。     

二维多流体域耦合声场的光滑有限元解法

针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将光滑有限元法引入到多流体域耦合声场的数值分析中,提出了二维多流体域耦合声场的光滑有限元解法。该方法在Helmholtz控制方程与多流体域耦合界面的声压/质点法向速度连续条件的基础上,得到二维多流体耦合声场的离散控制方程,并采用光滑有限元的分区光滑技术将声学梯度矩阵形函数导数的域内积分转换形函数的域边界积分,避免了雅克比矩阵的计算。以管道二维多流体域耦合内声场为数值分析算例,研究结果表明,与标准有限元相比,对单元尺寸较大或扭曲严重的四边形网格模型,光滑有限元的计算精度更高。因此光滑有限元能很好地应用于大尺寸单元或扭曲严重的网格模型下二维多流体域耦合声场的预测,具有良好的工程应用前景。