多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上简化为化学-力学耦合理论,利用相应的控制方程和本构关系, 给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性. 基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

GAS-WATER TWO-PHASE DIFFUSION MODEL FOR UNSATURATED LAYERED COVER SYSTEMS

为了研究垃圾填埋场内部生物降解产生的气体(以甲烷为主) 和氧气等在非饱和覆盖层中的运移规律,建立了气体在成层非饱和覆盖层中的一维扩散模型. 该模型考虑了覆盖层含水量瞬态变化和气体扩散的耦合作用. 采用有限元多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.3进行求解. 其计算结果与前人实验结果能符合得很好. 研究结果表明,对典型垃圾填埋场中厚度为1m的非饱和黏土覆盖层,含水量变化对覆盖层中气体污染物的扩散运移有显著影响. 与含水量稳态变化情况相比,20 d到100 d的运移时间内同一覆盖层深度处耦合含水量作用下,气体相对浓度可以相差接近8倍. 含水量是气体在非饱和覆盖层中不稳定运移的重要影响因素.     

高温高压气体在低含水率介质中迁移的数值模拟

针对气液两相非等温渗流模型高度非线性的特点,发展了适宜的数值离散方法。根据相态转换准则和控制方程的性质,采用最低饱和度法简化算法。空间离散方面,使用有限体积法;时间离散方面,设计了一套包含合理求解顺序的Picard迭代法,解决了方程组强耦合的问题。利用上述数值方法对高温高压气体的迁移行为进行数值模拟,证明了气体在低含水率介质和等效孔隙度的干燥介质内的运动基本一致,并分析了空腔内的气液相态转变过程。在此基础上,研究了多孔介质孔隙度和渗透率对气体压强演化和示踪气体迁移的影响。研究表明,孔隙度越小（相同渗透率）、渗透率越高（相同孔隙度）,示踪气体的迁移距离越远,并给出了估算不同孔隙度和渗透率下迁移距离的半经验公式。     

可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

无网格Galerkin法与非协调元方法的耦合

无网格Galerkin法(EFGM)处理不可压缩问题时不存在自锁现象，有限元方法(FEM)也常被用来与其耦合以方便地施加边界条件和提高计算效率。在有限元方法中使用等参元，EFGM与FEM的耦合方法在处理不可压缩问题时仍然存在自锁现象。本文在有限元方法中，采用非协调元，将无网格kGalerkin法与非协调元耦合，保留了耦合方法的优点，且避免了求解不可压缩问题时的自锁现象。算例显示本文方法在分析平面应变不可压缩问题时能得到合理的结果。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

固体热-化-力耦合连续介质理论的研究现状与展望

考虑化学作用的固体多场耦合问题涉及开放系统中多组分物质的复杂动力学过程.这些过程不仅具有不同时空尺度下的多重热力学作用机制,还会引起材料性质的不断变化.深入认识热、化学、力学相互作用下物质与能量的传递和转化方式,合理描述化学反应与固体力学行为的相互影响并建立严密的耦合理论体系,不论是对新型智能材料的功能优化设计,还是对传统材料和结构在耦合场中的性能评估与预测都至关重要,也是当代固体力学发展的一个重要方向.本文针对各领域中广泛存在的固体传热、传质、化学反应和力学行为相互耦合的问题,按照传质-变形耦合问题、反应-变形耦合问题及热-化-力完全耦合问题几种主要类型,介绍了相关连续介质理论建模和求解等方面的研究进展,重点对耦合理论建模中常涉及的几类关键问题进行了深入分析和讨论,并对今后固体热-化-力耦合问题的研究进行了展望.     

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从城市垃圾填埋场沉降的 机理出发,以经典力学中应力-应变之间的关系为基础,建立起城市垃圾填埋场在载荷、蠕变 和生物降解耦合作用下沉降的力学模型,并分别确定在载荷、蠕变和生物降解作用下屈服表 面应力增量的表达式. 通过填埋场沉降的实例计算,该模型得到了较为满意的预测结果.     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

SLIPPAGE SOLUTION OF GAS PRESSURE DISTRIBUTION IN PROCESS OF LANDFILL GAS SEEPAGE

A mathematical model of landfill gas migration was established under presumption of the effect of gas slippage. The slippage solutions to the nonlinear mathematical model were accomplished by the perturbation and integral transformation method. The distribution law of gas pressure in landfill site was presented under the conditions of considering and neglecting slippage effect. Sensitivity of the model input parameters was analyzed. The model solutions were compared to observation values. Results show that gas slippage effect has a large impact on gas pressure distribution. Landfill gas pressure and pressure gradient considering slippage effect is lower than that neglecting slippage effect, with reasonable agreement between model solution and measured data. It makes clear that the difference between considering and neglecting slippage effect is obvious and the effects of coupling cannot be ignored. The theoretical basis is provided for engineering design of security control and decision making of gas exploitation in landfill site. The solutions give scientific foundation to analyzing well test data in the process of low-permeability oil gas reservoir exploitation.     

煤层气在非饱和水流阶段的非定常渗流摄动解

煤层甲烷由煤层的割理裂隙系统流入生产井一般经历：单相水流、非饱和流和气、水两相饱和流三个阶段，在非饱和流阶段，储层压力降至临界解吸压力之后，储存在煤基质中的吸附气体少量被解吸出来形成互不连续的气泡并阻止水的流动，含气量尚未达到饱和程度。同时煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程。本文考虑渗流过程中水-气两相不溶混流体与固体耦合作用，建立了非饱和水流阶段非定常渗流问题的流固耦合数学模型，对该强非线性一维数学模型采用摄动法和积分变换法进行解析求解，并讨论了其压力动态特性，分析了压力随饱和度S及时间t变化的规律和气相及耦合作用的影响，这些研究对煤层气、石油和天然气的开采等地下工程领域具有一定的指导意义。     

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气。页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域。尽管北美页岩气革命取得了成功,但目前仍仅有预期产量5~15%的油气采收率,问题出在什么地方？水力压裂被认为是提高采收率的关键一环,但水力压裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理尚不清楚,这给力学家提出了巨大的挑战和机遇。结合本课题组近期研究成果,本文从理论、计算和实验三个方面对页岩水力压裂中的关键基础力学问题进行介绍和总结。主要内容包括发展页岩人工裂缝扩展的大型物理模型实验,建立页岩本构模型和断裂力学理论,发展耦合断裂力学和流体力学的裂缝网扩展数值模拟方法。页岩水力压裂研究对发展断裂力学的实验技术、理论模型和数值模拟方法起到推动作用,对提高我国页岩气高效开采技术具有重要意义。     

Asymptotic Analysis of an Elasticity Equation for a Finger-Like Hydraulic Fracture

We derive a novel integral equation relating the fluid pressure in a finger-like hydraulic fracture to the fracture width. By means of an asymptotic analysis in the small height to length ratio limit we are able to establish the action of the integral operator for receiving points that lie within three distinct regions: (1) an outer expansion region in which the dimensionless pressure is shown to be equal to the dimensionless width plus a small correction term that involves the second derivative of the width, which accounts for the nonlocal effects of the integral operator. The leading order term in this expansion is the classic local elasticity equation in the PKN model that is widely used in the oil and gas industry; (2) an inner expansion region close to the fracture tip within which the action of the elastic integral operator is shown to be the same as that of a finite Hilbert transform associated with a state of plane strain. This result will enable pressure singularities and stress intensity factors to be incorporated into analytic models of these finger-like fractures in order to model the effect of material toughness; (3) an intermediate region within which the action of the Fredholm integral operator of the first kind is reduced to a second kind operator in which the integral term appears as a small perturbation which is associated with a convergent Neumann series. These results are important for deriving analytic models of finger-like hydraulic fractures that are consistent with linear elastic fracture mechanics. Submitted to Journal of Elasticity on February 5, 2007. Re-submitted with revisions on May 30, 2007.     

弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟

基于流固耦合力学理论,建立了弹性变形油藏中多相渗流的数学模型,该模型考虑了渗流与变形的耦合作用,以及注采交变载荷作下油藏多孔介质的弹性变形特征,给出了耦合数值模拟方法和算例。     

Modeling wave-induced pore pressure and effective stress in a granular seabed

The response of a sandy seabed under wave loading is investigated on the basis of numerical modeling using a multi-scale approach. To that aim, the discrete element method is coupled to a finite volume method specially enhanced to describe compressible fluid flow. Both solid and fluid phase mechanics are upscaled from considerations established at the pore level. Model’s predictions are validated against poroelasticity theory and discussed in comparison with experiments where a sediment analog is subjected to wave action in a flume. Special emphasis is put on the mechanisms leading the seabed to liquefy under wave-induced pressure variation on its surface. Liquefaction is observed in both dilative and compactive regimes. It is shown that the instability can be triggered for a well-identified range of hydraulic conditions. Particularly, the results confirm that the gas content, together with the permeability of the medium are key parameters affecting the transmission of pressure inside the soil.     

Fluid-solid coupling mathematical model of contaminant transport in unsaturated zone and its asymptotical solution

IntroductionThetransportofcontaminantsinunsaturatedzonehascausedmuchattention .Inearly1960s,contaminationproblemsofsoilandgroundwaterhadbeenstudiedathomeandabroad[1].Andinrecentyears ,thetransformationandtransportationofcontaminantshavebeendeeplystudiedinthefieldsofhydrogeology ,petroleumengineering ,environmentalengineeringandsoon[2 ,3].Somecontaminanttransportmodelshavebeenpresentedsofar.Forexample ,Paker[4 ]etal.presentedaconstitutivemodelgoverningparametersofwater,gasandcontaminantswhenth…     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。