流体/准饱和多孔介质中伪Scholte波的传播特性

研究流体/多孔介质界面Scholte波的传播特性对于水下勘探、地震工程等领域具有重要意义.本文基于Biot理论和等效流体模型,采用势函数方法,推导了描述有限厚度流体/准饱和多孔半空间远场界面波的特征方程和位移、孔压计算公式.在此基础上,分别以砂岩和松散沉积土为例,研究了流体/硬多孔介质和流体/软多孔介质两种情况下,可压缩流体层厚度和多孔介质饱和度对伪Scholte波传播特性的影响.结果表明：多孔介质软硬程度显著影响界面波的种类、相速度、位移和水压力分布;有限厚度流体/饱和多孔半空间界面处伪Scholte波相速度与界面波波长和流体厚度的比值有关;孔隙水中溶解的少量气体对剪切波的相速度的影响不大,对压缩波相速度、伪Scholte波相速度和孔隙水压力分布影响显著.     

流体-镀层基底界面波的传播特性

理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场,在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应.数值结果显示,对于流体-慢层快底结构,Scholte界面波呈现出正常频散特性;而对于流体-快层慢底结构,Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性.理论瞬态信号也显示了同样的特性.采用脉冲激光激励,用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量.实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性.此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.     

流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性

研究流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性,分析孔隙介质孔隙率等参数对频散曲线的影响。理论上建立了无限大流体包裹孔隙介质圆柱界面波的模型,利用孔隙介质弹性波动理论,通过数值模拟计算得到流体-孔隙介质圆柱的频散曲线及时域波形,并分析了孔隙介质为开孔和闭孔状态下孔隙介质圆柱半径、孔隙率及渗透率对频散曲线的影响。结果表明,时域上斯通利波可以被明显区分开,孔隙介质圆柱半径的变化改变了圆柱尺度,孔隙率的变化改变了孔隙介质的纵、横波波速,因此对于斯通利波频散曲线的影响较大。而渗透率的变化既不改变圆柱的尺度也不改变孔隙层的纵、横波速度,因此对斯通利波频散曲线影响较小。      

多尺度波致流非饱和孔隙介质波传播理论研究

弹性波在非饱和孔隙介质中传播时,孔隙流体会发生宏观Biot流、微观喷射流以及由于孔隙流体不同(气、液双相)导致的介(中)观流.将非饱和孔隙介质等效为含液相孔隙流体的背景介质中嵌入含气相孔隙流体的包裹体,在非饱和双重孔隙介质模型基础上,引入微观喷射流,建立了包含宏观、微观和介观三种尺度波至流的非饱和孔隙介质波传播方程.数值分析表明该模型可以更好地预测更宽频带内的波速频散和衰减.     

含内热源多孔介质–自由流通道内非达西强制对流

基于多孔介质局部非热平衡模型,对考虑内热源条件下的多孔介质–自由流耦合通道内非达西对流换热特性进行研究。多孔介质区内流体运动方程采用Darcy-Brinkman-Forchheimer模型,利用有限差分法获得通道内各区域流体运动速度、流固相温度分布及努塞尔数,并进一步分析了相关参数对流体流动传热的影响。结果表明：在文中研究参数下,惯性参数F_f对通道内各区域流体速度及温度分布的影响仅在达西数Da大于10^-3时需要考虑;增加F_f或降低固相内热源W_s绝对值会使流固两相温差减小,且改变固相内热源换热方向会使多孔介质区内流固相发生温度分岔现象;固相内热源对通道换热效果影响较大且更为复杂,不同惯性参数F_f下,考虑W_s时可能会使Nu出现奇异点。     

气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响

为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.     

α铁冲击相变的离散元方法

利用离散元方法结合基于无扩散相变的两相模型、热力学相容的自由能函数与有限速率相变动力学方程,模拟α铁的冲击相变过程.得到铁的相边界、冲击Hugoniot关系及自由面速度剖面,并对不同冲击压力下加卸载过程的波系传播和相互作用过程进行分析,获得了加卸载波速特征.     

多孔介质中卡森流体的分形分析

研究了非牛顿流体中的卡森流体在多孔介质中的流动特性.基于服从分形分布的弯曲毛细管束模型,运用分形几何理论推导出了该流体在多孔介质中流动的流量、流速、启动压力梯度和有效渗透率的分形解析解.模型中的每一个参数都有明确的物理意义,它将卡森流体在多孔介质中的流动特性与多孔介质的微结构参数有机联系起来.文中给出了卡森流体的流速、启动压力梯度和有效渗透率随着各影响因素的变化趋势,并进行了讨论.所得分形模型可以更深刻地理解卡森流体在多孔介质中流动的内在物理机理. 关键词： 多孔介质 卡森流体 分形     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

多孔介质体元内随机运动的核磁共振成像研究

多孔介质体元内随机运动的核磁共振成像是一种透视流体微观无规则运动的方法.在多孔介质中,存在两种无规则运动.一种是分于扩散.它是由于分子的布朗运动引起的;另一种是弥散,它是由多孔介质中毛管网络的复杂结构造成的.多孔介质中的液体弥散和分子扩散会在成像体无内产生相位分散.这种相位分散致使回波信号发生衰减.采用适当的梯度脉冲.可以从这种信号衰减中获得视扩散系数(ADC)的分布图像.本文作者在4.7T高场超导核磁共振成像系统上.采用特制的高梯度线圈获得了扩散和机扩散系数分布的图像.在水和丙酮模型中获得了扩散系教图像,其扩散系数值与标准值相符.在人体肾结石中获得了扩散系数分布图像,在不同流速下,获得了多孔介质中的视扩散系数分布图像.并分析了视扩散系数与速度的关系.在多孔介质中定量确定扩散系数和机扩散系数及其空间分布将会极大地提高核磁共振成像技术在渗流力学研究中的应用能力.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

基底上覆分层薄膜超声Scholte波特性与薄膜定征

分层薄膜-基底结构广泛应用于微电子器件等诸多领域,但薄膜材料参数超声测量尤其是横波速度的定征是一个困难的问题。本文对液固界面Scholte界面波的频散特性和脉冲激励的声压响应进行了理论分析。结果表明,液固界面Scholte波频散与分层膜-基底结构的速度分布密切相关。薄膜材料各层的厚度和横波速度对界面波频散特性有显著影响。基于Scholte界面波的频散特性,提出了一种多层膜的多参数反演定征方法。首先针对理论信号进行薄膜参数反演,验证了该方法的可行性。后续对不同类型的多层膜材料样品进行了液固界面波激发与采集实验,实验信号的薄膜参数反演结果进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

无限流体中孔隙介质圆柱周向导波的传播特性

为研究无限大流体约束的孔隙圆柱中周向导波的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,建立了无限流体中孔隙介质圆柱的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立了周向导波频散方程,通过数值模拟计算得到无限流体中孔隙介质圆柱的频散曲线,探讨了圆柱半径和孔隙参数对导波传播特性的影响,并对导波的衰减特性进行了分析;通过数值计算,得到了周向导波的时域波形,讨论了孔隙参数对波形的影响.结果表明,孔隙介质圆柱半径的改变影响圆柱尺度,孔隙度的改变影响孔隙介质中体声波的波速,都对周向导波频散曲线产生一定的影响,所得到的频散曲线特征及衰减曲线与时域波形吻合.研究结果对开展无限流体中孔隙介质圆柱的超声无损评价提供了一定的理论参考.     

Quasidislocation stoneley wave and Eshelby dislocation Scholte wave

A quasidislocation (a dislocationlike entity described here for the first time) moves at the speed of a Stoneley surface wave that travels at the interface between two different elastic solids. An Eshelby glide edge dislocation moves at the speed of a Scholte surface wave that travels at the interface between a solid and an ideal liquid. The quasidislocation and the glide edge dislocation (that moves at the Eshelby velocity) are the Green's functions of their waves. Scholte waves are planar distributions of transonic moving glide edge dislocations. They are not Stoneley waves, although often called by that name, because Stoneley waves are planar distributions of subsonic moving quasidislocations.     

Contour Dynamics of Incompressible 3-D Fluids in a Porous Medium with Different Densities

We consider the problem of the evolution of the interface given by two incompressible fluids through a porous medium, which is known as the Muskat problem and in two dimensions it is mathematically analogous to the two-phase Hele–Shaw cell. We focus on a fluid interface given by a jump of densities, being the equation of the evolution obtained using Darcy’s law. We prove local well-posedness when the smaller density is above (stable case) and in the unstable case we show ill-posedness.     

耦合界面力的两相流相场格子Boltzmann模型

提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数,使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题,并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明,所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程,并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题,包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟,发现本模型可以获得量级为10^-9极小的虚假速度,并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合,从而验证了模型的准确性和可行性.最后,利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题,并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形,在演化前期,流体界面出现一排“蘑菇”形状,而在演化后期,流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形,低雷诺数时流体界面变得相对光滑,在演化后期未观察到混沌拓扑结构.     

Acoustic wave propagation in two-phase heterogeneous porous media

The propagation of an acoustic wave through two-phase porous media with spatial variation in porosity is studied. The evolutionary wave equation is derived, and the propagation of an acoustic wave is numerically analyzed in application to marine sediments with various physical parameters.     

A Rayleigh-type wave at the plane interface of two homogeneous fluid half-spaces

It is shown that at the plane interface of two homogeneous fluid semi-infinite media, of which one is an ordinary fluid and the other a double negative—i.e., a fluid with negative density and negative compressibility—there can exist a Rayleigh-type wave propagating without attenuation, whose amplitude exponentially decreases with distance on both sides of the interface. In the parameter space of the media, the range of its existence is determined and the main properties are studied. A unique feature of this wave is the arbitrarily small propagation velocity, which does not depend on frequency, and the energy concentration in an arbitrarily thin layer close to the interface.     

Viscosity and Diffusion Effects at the Boundary Surface of Viscous Fluid and Thermoelastic Diffusive Solid Medium

This paper concentrates on the wave motion at the interface of viscous compressible fluid half-space and homogeneous isotropic, generalized thermoelastic diffusive half-space. The wave solutions in both the fluid and thermoelastic diffusive half-spaces have been investigated; and the complex dispersion equation of leaky Rayleigh wave motion have been derived. The phase velocity and attenuation coefficient of leaky Rayleigh waves have been computed from the complex dispersion equation by using the Muller's method. The amplitudes of displacements, temperature change and concentration have been obtained. The effects of viscosity and diffusion on phase velocity and attenuation coefficient of leaky Rayleigh waves motion for different theories of thermoelastic diffusion have been depicted graphically. The magnitude of heat and mass diffusion flux vectors for different theories of thermoelastic diffusion have also been computed and represented graphically.