含水合物的油包水体系流动数值模拟

在充分考虑油包水体系水合物生成特点的基础上，基于传热学、多相流、水合物动力学相关理论，建立了描述含水合物油包水体系流动规律的理论模型，并给出了模型的定解条件和求解方法。数值计算表明：产液量、含水率、液滴粒径均会影响水合物的生成，进而影响体系流动；当水合物的生成速率受体系提供的游离气量控制时，其值基本不变；进入水合物生成域，液滴转化为水合物颗粒并发生聚并，其量纲为一的聚并粒径在整个生成域保持恒定，且产液量越少、含水率越低、液滴粒径越小，量纲为一的聚并粒径越大；进入水合物分解区，水合物颗粒簇解体后又重新聚并，量纲为一的聚并粒径较生成域的小；水合物生成会导致体系的黏度增加，黏度增幅随水合物颗粒体积分数和量纲为一的聚并粒径的增大而增大。     

几何修形对低速圆柱滚子轴承混合润滑性能的影响研究

针对圆柱滚子轴承直母线滚子在接触出现的边缘应力集中现象，采用对滚子进行几何修形的方法，运用拟动力学分析方法开展轴承滚子受力和相对运动关系分析. 在此基础上，综合考虑轴承接触工况、滚子修形参数和真实表面粗糙度等因素，建立圆柱滚子轴承混合润滑数学模型，分析滚子修形参数和转速对轴承润滑性能的影响. 结果表明:从润滑角度判断，滚子母线凸度量δ和滚子端头圆角半径r均存在一个优化区间，使得最大受载滚子接触表面最大油膜压力和次表层最大von Mises应力σ显著减小，边缘效应弱化；δ和r对中心膜厚h_c和摩擦系数f的影响较小；转速的增大会使h_c变厚，f_c和σ减小，且混合润滑状态下转速对修形滚子的σ变化显著，修形后的滚子较未修形的滚子润滑性能要好.      

乙烯储罐气体泄漏诱发蒸气云爆炸的数值模拟

储罐会因腐蚀或人为误操作等原因引发泄漏，造成泄漏气体扩散或气云爆炸事故。为了揭示此种事故的发展过程及影响规律，应用计算流体力学软件FLACS，研究了泄漏和环境风两个主要影响因素对乙烯气体扩散及爆炸的影响。结果表明:气云扩散距离和体积随泄漏速率增加而增大；当泄漏速率低于6 kg/s时，不同泄漏方向上的气云扩散距离及体积相近；当泄漏速率高于6 kg/s时，气体泄漏扩散和气云形成过程因受到障碍物影响，随阻塞率增大，气云扩散距离减小，气云体积增加。当泄漏方向垂直于储罐组中轴线，泄漏速率为18 kg/s时，气云扩散距离最大为81.5 m；当泄漏方向平行于储罐组中轴线，泄漏速率为24 kg/s时，气云体积最大达到9 604 m3。爆炸波的冲击压力随泄漏速率升高而升高；环境风会加快可燃气体稀释，有效降低气云爆炸发生的概率，降低爆炸强度，达到爆炸压力峰值的时间更早，可使高温在更短的时间内下降。泄漏速率为24 kg/s时，与泄漏储罐紧邻的储罐表面上被冲击到的爆炸超压仅为6.88 kPa，但温度高达2 384 K，因此，为避免事故发生时的二次灾害，救援中对储罐组的冷却降温尤为重要。     

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变, 同时降低沉积物的胶结程度, 使地层的抗剪强度和承载能力降低, 从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题. 为此, 在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内, 基于扩展的三维Biot固结理论, 考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用, 建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型, 并开发有限元程序对其进行数值求解. 以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象, 构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型, 预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律, 揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势. 结果表明: 储层降压导致地层有效应力增大, 进而引起井周地层发生沉降, 且地层的沉降主要发生在降压开采前期, 最大沉降位置位于井壁周围, 向储层内部延伸地层沉降量快速减小; 水合物分解导致井周地层力学强度降低, 加剧了储层的沉降; 井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显, 从而造成井壁破坏的潜在风险, 这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.      

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变,同时降低沉积物的胶结程度,使地层的抗剪强度和承载能力降低,从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题.为此,在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内,基于扩展的三维Biot固结理论,考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用,建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型,并开发有限元程序对其进行数值求解.以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象,构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型,预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律,揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势.结果表明:储层降压导致地层有效应力增大,进而引起井周地层发生沉降,且地层的沉降主要发生在降压开采前期,最大沉降位置位于井壁周围,向储层内部延伸地层沉降量快速减小;水合物分解导致井周地层力学强度降低,加剧了储层的沉降;井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显,从而造成井壁破坏的潜在风险,这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.     

横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响

人体在行走过程中足底与地面之间产生的间歇性摩擦现象称为步进摩擦，地板表面形貌作为步进摩擦的重要影响因素之一而受到广泛关注. 现有研究成果多是基于水平路面，对坡度道路，特别是横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响研究较少. 本文作者以普通碳钢作为地板材料，机械加工出不同的表面形貌，利用止滑试验机研究了水平状态下地板表面形貌与其能够提供的最大临界摩擦系数的关系，利用步进摩擦试验平台研究了横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响. 结果表明:水平状态下，随着表面粗糙度的增大和表面纹理间距的减小，临界摩擦系数与人体行走实际所产生的有效摩擦系数均增加，防滑性能提高；横倾状态下，随着路面横倾角度的增大，有效摩擦系数及其侧向分量增大，侧滑风险提高；地板表面纹理排列方向对有效摩擦系数的影响明显，横向分布的防滑性能优于纵向.      

自泵送流体动静压型机械密封自清洁性分析

流体楔入式非接触机械密封在流体动压的形成过程中，为防止流体中固体颗粒对密封端面的损伤，需增设辅助系统以提供洁净的阻塞流体，这增加了密封初期建设和维护周期成本. 针对一种新型的泵出式自泵送流体动压型机械密封，应用Fluent中Laminar模型和DPM模型仿真研究了其在不同颗粒直径、转速、压差、液膜厚度和颗粒体积浓度下的自清洁特性. 结果表明:排屑率整体上随着颗粒体积浓度增大而减小；当颗粒体积浓度足够低时，排屑率均会达到60%以上；随着颗粒直径增大，排屑率先增大后减小，在直径0.7 μm时排屑最高达79.35%.；随着转速增大，排屑率先下降后显著上升，在计算的0~6 000 r/min范围内排屑率达到94%；排屑率受液膜厚度和压差影响较小.      

织造中碳纤维束间的摩擦磨损试验模拟

织造过程中碳纤维束的摩擦磨损会导致成型后复合材料制件的机械性能下降. 采用自制的试验装置模拟织造过程中经纬纱线间的相互作用，研究了法向负载、预加张力和摩擦速率对碳纤维束摩擦磨损行为的影响. 结果表明:碳纤维束的摩擦系数随着法向负载的增加而减小，其磨损程度随着法向负载的增加而增大，相对应的碳纤维束拉伸断裂强力也逐渐下降；碳纤维束的摩擦力和摩擦系数因实际摩擦接触面积的变化随预加张力的增加而增大；摩擦速率的增加几乎不影响碳纤维束的摩擦力和摩擦系数，但延长了其测试值达到稳定所需的周期数.      

一种速率积分半球谐振陀螺自校准方法

速率积分模式下半球谐振陀螺具备大测量范围、高带宽及极佳的标度因数等优良特性，但阻尼不均匀及其随温度、老化等的变化导致的驻波周向漂移及其不稳定性限制了速率积分半球谐振陀螺的工程应用。为减小这种驻波周向漂移的影响，基于半球谐振陀螺的二维振动模型和控制模型，通过驻波角周期性自进动与频率调制结合的自校准方法实现了模型参数的实时辨识、周向漂移的实时补偿及载体转速的实时解算。自校准速率积分半球谐振陀螺实测20小时的数据表明，启动2小时后，从0时刻开始的平均零偏为0.06°/h,10小时后稳定在0.018°/h以内，零偏不受周向漂移影响，陀螺的长时工作精度得到了大幅提高。     

模拟盾构掘进过程中的刀盘受力研究

为了探索盾构掘进机刀盘的掘进机理和刀具受力特点,依据实际土压平衡盾构机的基本结构,按比例缩小设计了模拟盾构刀盘掘进实验装置,并在不变刀具外形的前提下,研制了刀具与传感一体化的刀具传感器.该装置既可测量刀盘轴向推力、扭矩也可测量刀具切削阻力.实验证明了所研制的刀具传感器的有效性,具有挖掘和监测挖掘时的切削阻力双重功能,且解决了切刀中多个力耦合问题,能够分别测量切刀的切削力和轴向阻力.实验结果显示刀具的切削阻力和轴向阻力随所在位置半径增大而增大,且两者基本成线性关系.     

Dynamics of a powered disk in clay soil

Experiments were conducted with a single powered disk in a laboratory soil bin containing Bangkok clay soil with an average moisture content of 18% (db) and 1100 kPa cone index. The disk was 510 cm in diameter and 560 mm in radius of concavity. During the tests the disk angle was varied from 20° to 35°, ground speed from 1 to 3 km/h and rotational speed from 60 to 140 rpm. The working depth was kept constant at 12 cm. The vertical, horizontal and lateral reactions of the soil were measured by force transducers. The forward and rotational speeds were recorded. It was observed that disk angle, rotational speed and ground speed had significant effects on soil reactive forces and power requirement. With a small disk angle, low ground speed, and high rotational speed, the soil longitudinal reactive force was a pushing force and became a resistive one at larger disk angles and ground speeds. The soil transverse reactive force increased with an increase of rotational and ground speed but decreased with the increase of disk angle, whereas the vertical relative force increased only with the increase of ground speed but decreased with the increase of rotational speed and disk angle. It was found that the powered disk required the least power at a disk angle of 30° and rotational speed between 80 and 100 rpm. Increase in ground speed from 1 to 3 km/h increased the total power requirement by 31.8%. Upon driving the disk forward, the draft reduced considerably compared to that of the free-rolling disk. By driving the disk in the reverse direction, the draft reduced slightly. At a disk angle of 30°, rotational speed of 100 rpm, and ground speed of 3 km/h, the total power requirement of the forward-driven disk was 65% higher than that of the free-rolling disk. The predicted engine power of the forward-driven disk, however, was only 21% higher than that of the free-rolling one owing to the more efficient power transmission through the PTO, as opposed to the drawbar. The effects of reverse driving and free rolling of the disk were also studied.     

基于坐标变换的斜角切削力学研究

在直角切削模型的基础上,首先将在法平面坐标系中得到的切削力通过坐标变换得到主剖面坐标系中的切削力;再把主剖面坐标系中的切削力利用坐标变换得到切深-进给平面中的切削力理论公式。通过坐标变换得到的切削力理论公式更简洁,物理意义清晰,并能反映出切削偏角对切削力的影响。通过对数值计算与数值仿真两种方法模拟得到的切削力进行比较,得出两者的误差率在8.3%~15.7%,说明两者具有良好的一致性,从而证明了模型的正确性。斜角切削力的理论公式为实际切削加工中切削力的解析预测奠定了基础。     

降压开采模拟试验的水合物分解阵面演化过程

水合物分解阵面演化过程与开采安全性和产气效率密切相关,是开采原位监测的重要组成部分。在玻璃砂样品中进行了甲烷水合物降压开采模拟试验,探讨了水合物饱和度对渗流阵面和水合物分解阵面演化过程的影响,结合已有理论模型,分析了水合物分解阵面传播速度的关键影响因素。结果表明:渗流阵面和水合物分解阵面的传播距离均与时间平方根呈近似线性关系,传播速度均随水合物饱和度的增加而减小;水合物分解阵面的传播速度随多孔介质的有效渗透率和降压幅度的增加而变快,随孔隙率的增加而变慢,粗砂质地层更有利于水合物降压分解阵面的传播。     

含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.      

一种新的海洋浅层水合物开采法——机械-热联合法

天然气水合物是国家的战略能源之一.天然气水合物分解相变使其开采难度高于常规化石能源.国际天然气水合物试验性开采表明通过降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求,尤其在水合物位于浅层、软土情况下,持续稳定且高效率的热量供给是其瓶颈.天然气水合物机械-热联合开采是一种新概念模式,即通过粉碎水合物沉积物通过管道输运并在内部分解,这样既增加了传热的表面积,又利用海水热量和对流传热提高了能量供给效率.分析表明:利用该方法开采时水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流,温度过低又导致水合物二次生成或结冰;水流流速既要能使被粉碎的水合物沉积物颗粒悬浮和流动,又不能导致流动失稳.为了实现高效安全的机械-热水合物开采,经过初步分析提出原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1~1.0 cm之间,控制水流速度为0.22~0.67m/s,温差保证在5K以上,混合物中水的体积分数大于0.85.      

聚能线型切割器最佳张开角的理论分析

本文按不可压缩流体模型,研究滑移爆轰作用下,聚能线型切割器在三维碰撞下形成射流的理论。讨论了射流速度,穿甲流体模型的条件,射流分散对切割效果的影响,并推出了能量取极大值时的最佳金属罩张开角。     

Rock deformation equations and application to the study on slantingly installed disc cutter

At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine （TBM） on-site data. This is not in line with the actual rock-breaking movement of the disc cutter and impedes to some extent the research on the rock-breaking mechanism, wear mechanism and design theory. Therefore, our study focuses on the interaction between the slantingly installed disc cutter and rock, developing a model in accordance with the actual rock-breaking movement. Displacement equations are established through an analysis of the velocity vector at the rock-breaking point of the disc cutter blade; the func- tional relationship between the displacement parameters at the rock-breaking point and its rectangular coordinates is established through an analysis of micro-displacement vectors at the rock-breaking point, thus leading to the geometric equations of rock deformation caused by the slantingly installed disc cutter. Considering the basically linear relationship between the cutting force of disc cutters and the rock deformation before and after the leap break of rock, we express the constitutive relations of rock deformation as generalized Hooke＇s law and analyze the effect of the slanting installa- tion angle of disc cutters on the rock-breaking force. This will, as we hope, make groundbreaking contributions to the development of the design theory and installation practice of TBM.     

离心惯性力效应对超临界二氧化碳干气密封流场与密封特性影响分析

为揭示离心惯性力效应对S-CO₂干气密封流场与密封特性的影响规律，以螺旋槽干气密封为研究对象，引用考虑离心惯性力效应的Reynolds方程，在考虑气膜真实气体效应、黏度随压力与温度双重变化的同时，基于N-S方程与能量守恒定律，建立了绝热状态下考虑离心惯性力效应作用的能量控制方程. 然后，采用有限差分法对压力控制方程与能量控制方程进行耦合求解，并对考虑离心惯性力效应与没有考虑离心惯性力效应下的压力分布、温度分布以及密封特性进行了分析讨论. 研究表明:离心惯性力效应具有削弱流场内压力与温度的作用；从避免凝结流动角度考虑，离心惯性力效应引起的温降将不利于S-CO₂干气密封；考虑离心惯性力效应作用时，气膜开启力在不同槽深与转速下存在最佳工况点，泄漏率随着转速的增加显著减小，而离心惯性力效应与膜厚之间没有强交互作用；考虑离心惯性力效应作用的气膜开启力、泄漏率、出口温度均比不考虑离心惯性力效应作用的小，且这种差异随着转速的增大而增加，而随着膜厚的变化没有改变. 这些结果为进一步研究S-CO₂干气密封奠定了一定的理论基础.