激波驱动的气固两相流的动态压力测量

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究.利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统,对激波与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析.试验中测得了激波在管中的传播速度,波后气流的压力,反射激波、透射激波的压力和速度等.分别考察颗粒、装载比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响.试验结果表明:激波与颗粒群相互作用时,会产生反射激波和透射激波,其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关;激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小.研究指出,在颗粒群被激波加速的初始阶段,颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.     

激波与可运动颗粒群相互作用反射与透射机理实验研究

对水平圆柱形激波管内可压缩性气体与颗粒群的相互作用进行了实验研究与理论分析。利用由压力传感器、信号放大器、示波器和计算机组成的压力测量系统对激波与颗粒群作用时的动态压力进行了测量。发现激波管内发生的是一个复杂的过程,包括激波与颗粒群作用时伴随了激波和膨胀波的反射与透射现象、激波和膨胀波与接触面的干涉、以及激波从激波管端壁的反射等现象。当颗粒装载比α=1时,透射激波被直径为6mm的颗粒群衍射并且有膨胀波紧随其后,因此由透射激波引起的第一个压力峰急剧下降。颗粒装载比和颗粒直径影响透射激波的衍射和衰减。     

用激波管研究超音速气固两相流

在激波管里进行了可压缩性气固两相流的实验研究。测量了激波通过颗粒群时的压力的衰减过程。用纹影仪拍摄了激波与颗粒群相互干涉的照片。试验了颗粒群的不同构造对压力衰减的影响。指出了激波反射、聚焦等非线性气动因素是可压缩性气固两相流的关键问题。     

激波驱动下固体颗粒抛撒的实验研究

本文使用阴影照相技术、高速摄像技术及压力测试手段,实验记录和研究了激波与固体颗粒群的作用及激波作用后固体颗粒群的抛撒和云团的形成过程.结果表明:在激波与固体颗粒群作用过程中,存在着清晰的激波透射、反射及绕射现象,同时激波强度在作用后有明显的下降趋势；在固体颗粒抛撒及云团形成过程中,实验发现对同一粒径的颗粒抛撒来说,抛撒的颗粒群质量越大,云团形成的均匀性及稳定性越好,而对不同粒径的颗粒群来说,粒径越大,形成的云.团集中性越强.     

激波管双爆轰驱动段性能的数值模拟研究

采用频散可控的耗散格式(DCD)，求解Euler方程和一种改进的二阶段化学反应模型， 对氢氧反向-正向双爆轰驱动段激波管进行了数值模拟. 计算结果表明：当辅驱动段与主驱动 段初始压力比小于临界值时，Taylor波仍会出现，但波扇夹角较单一前向爆轰驱动段小，入 射激波马赫数衰减率变小；当初始压力比等于临界值时，主驱动段中的Taylor波完全被消除， 入射激波马赫数不再衰减. 当初始压力比大于临界值时，在主驱动段中能产生过驱动爆轰波， 不仅Taylor波被完全消除，而且驱动能力较单一前向爆轰驱动段强.     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

针对目前大部分固体颗粒冲蚀试验系统存在反弹颗粒干扰、颗粒质量计算误差大等问题,采用激波驱动气固两相流的方式,并结合动态压力传感器、高速摄影仪对激波及颗粒测速的方法,设计了1种新型冲蚀磨损试验系统,具有结构简单、操作方便、颗粒质量计算准确等优点.该装置最大激波马赫数可达2.3,能将颗粒加速到200 m/s以上,适用不同颗粒、材料及表面处理试件进行15～90°冲击角下的磨损特性试验.通过SiO2颗粒对低碳钢的冲蚀试验,证实了该装置测得数据与经典试验数据规律一致.因此,本试验系统有望作为1种新的冲蚀磨损试验方法,应用于耐固粒冲蚀的优化设计和寿命预测等领域.     

探索发展激波风洞爆轰驱动技术

发现了燃烧驱动激波管中入射激波马赫数异常升高的起因. 实验显示爆轰驱动能力强于燃烧驱动, 从而推动爆轰驱动技术的发展. 采用卸爆管消除爆轰波反射高压以及双爆轰驱动段全部消除爆轰波后的Taylor稀疏波, 使反向和前向爆轰驱动模式具有实用价值. 反向爆轰驱动技术还成功用来延长激波风洞试验时间.     

沉积粉尘的激波点火

采用瞬态阴影技术及红外光电传感器技术实验研究了沉积玉米粉的激波点火过程，并对此进行了理论分析。实验与理论分析结果表明，激波掠射沉积粉尘床后，粉尘颗粒先上扬到一定高度后才点火，颗粒的点火延迟时间与激波波前马赫数、气相氧气含量等因素有关。另外，沉积粉尘的激波点火延迟时间比相同条件下的悬浮粉尘激波点火延迟时间长。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

INSTABILITY OF SHAFT EXCAVATION AND MECHANISM OF ROCKBURST

基于稳定性理论和弹塑性厚壁筒的解析解,研究了竖井开挖过程的平衡路径,并将屈服后的井壁压力--位移平衡路径曲线应用到围岩的稳定性分析.研究表明,竖井围岩的不稳定及其岩爆的发生不仅取决于岩石材料应力应变全过程曲线的峰后特性,还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型.平衡路径曲线能够描述围岩结构加载屈服后的力学行为.平衡路径的曲线形状只可能有两种类型,一种曲线上的点都处于稳定的平衡状态,虽有塑性变形的累积,但不会失稳崩落;另一种曲线则发生极值点型井壁失稳并伴有位移突跳.竖井开挖过程的平衡路径曲线是判定围岩岩爆发生的关键因素.极值点型失稳和位移突跳是均质围岩中岩爆可能发生的一种力学机制.     

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利用ADINA软件针对某工程实例隧道建立了有限元模型，然后对其开挖过程 中地表沉降进行了预测并分析了隧道及冻结壁的应力与位移场，其结果与工程实测值相符； 在此模型基础上，对隧道水平局部冻结法施工引起地表变形的相关因素进行了模拟分析，结 果表明:冻结法施工时，增加冻结壁厚度对地表沉降影响并不大，而采用扩大冻结壁的范围或 减小隧道半径及埋深的方法可有效地控制地表沉降，这对今后的冻结法施工设计有借鉴意义.     

大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

以取自山东巨野矿区埋深近 4 30～ 6 0 0m的深部粘土样为例 ,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化 ,在三轴伺服仪上 ,进行三向等压分别达 11MPa、12MPa、14MPa下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验 ,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点 ,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究 ,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数     

小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义

小湾水电站进水口高边坡地质条件及开挖坡型复杂，断层、节理裂隙发育并相互切割，坝顶平台至进水口底板平台平均开挖坡度88°，最大高差106m，其中垂直开挖段81m，最大水平退坡深度170余米。伴随边坡开挖过程中，边坡上部岩体产生了一系列的变形破裂现象，主要表现为沿混凝土坡面分布的张开宽度和延伸长度不一的裂缝及起壳现象。本文结合边坡的实际工程地质条件和监测结果数据，对变形破裂现象的形成机制进行了系统的分析。结果表明，裂缝产生的原因主要是由于地处高地应力区岩体在边坡开挖过程中产生的卸荷回弹表现，是正常的卸荷松弛变形。在此基础上，对边坡的稳定性分析表明，该边坡稳定性良好。     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析，从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状，劈裂面与地应力最大主应力方向平行，岩石断口属拉张断裂，劈裂纹的产生主要是脆性断裂；岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂，裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交，不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶，表面不平整，属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大，结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害 如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维 护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境 上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓``三高'即高地应力、高地温和高孔隙 水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采 现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了 深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特 性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深 部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.     

水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

水平互层围岩因其显著的层理构造, 导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别. 目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式, 未考虑破坏形式的多样性. 为探究水平互层围岩的破坏范围, 首先按其层理面划分为单层围岩进行分析, 将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式, 分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析, 提出了相应的破坏准则, 并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究, 将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中, 与既有方法进行比较, 验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性, 同时代入离层破坏算例中验证其实用性. 并以此为基础, 结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型, 将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例. 结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好. 研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.      

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明:在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。     

井工开采对露天矿高边坡稳定性影响的研究

以山西平朔安太堡矿露井联合开采为例,通过数值模拟及现场位移监测资料对比分析,探讨了露天矿高边坡在顺坡、逆坡及侧向切坡开采3种情况下的复合应力场和位移场的分布特征及规律。研究表明,边坡内井工开采不利于边坡稳定性,但由于工作面推进方向不同,边坡受采动影响部位的顺序不同,因而对边坡稳定性的影响存在一定的差异。逆坡开采时,随着工作面向坡内推进,边坡前、后期表现出两种完全不同类型的变形位移,前期以倾倒型崩塌破坏为主,后期稳定性有所增强； 顺坡开采时,边坡保安煤柱宽度不断减小,在侧向偏压作用下,边坡将产生沿软弱结构面的推动式剪切滑动； 边坡下切坡开采时,边坡除发生沿软弱结构面的推动式剪切滑动外,还可能发生后缘沿采空裂隙、下部沿软弱层面的张拉滑动变形。
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