考虑惯性效应的渗流方程及相关阻力标度律

本文基于体积平均法推导得到了多孔介质中考虑惯性效应时的局部线化宏观流动方程,由此可以递推得到较大雷诺数Re 时Navier-Stokes 方程的解,从而避免了直接求解Navier-Stokes 方程所带来的计算成本高和计算稳定性差的问题．针对正方形周期排列模型的算例表明,平均速度方向与宏观压力梯度方向并不总是一致,一般情况下,随着Re 增大,二者差异也会增大．当固定平均速度方向v ? 时,压差阻力在较大的Re 范围内存在标度律,标度指数约为3．该标度指数与弱惯性区域标度指数一致,但弱惯性区域Re 范围仅为0相似文献   

多孔介质自发渗吸研究进展

自发渗吸是发生在多孔介质里的一种常见自然现象, 存在于众多工程应用和自然科学领域, 多孔介质 中自发渗吸的基本静力学和动力学问题已成为当前国际研究的热点课题之一. 本文综述了传统理论研究中的 Lucas{Washburn(LW) 模型, Terzaghi 模型, Handy 模型, Mattax 和Kyte 无因次时间标度模型, Aronofsky 归 一化采收率标度模型以及近十年最新研究进展, 分析了渗吸机理判别参数研究, 简述了数值模拟研究及渗吸率 影响机理的实验研究现状, 总结了基于分形理论研究多孔介质自发渗吸的最新进展, 并展望了多孔介质以及裂 缝性双重多孔介质中牛顿流体和非牛顿流体自发渗吸研究的方向和课题.      

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

论岩体的渗透特性

从岩体结构的控渗作用出发, 可将岩体的渗流介质划分为多孔介质、准多孔介质、面状流不连续介质及脉状流不连续介质四类；论述了岩体复杂的渗透特性, 包括渗流的不均匀性、各向异性、非饱和性及渗流与变形的耦合等问题。文中还对岩体渗流分析的技术思路进行了讨论。     

关于渗流中流线不封闭的特性和条件

本文对于流体在多孔介质中流动的特性进行理论研究和数值计算，提出两个关于渗流中流线不封闭的特性和条件，得到了在一般工程实际情况中的多孔介质区域内部不存在封闭流线的结论。本文以突变截面圆管中不可压缩渗流为算例，利用半人工瞬变方法进行数值计算，得到流体在充满多孔介质的突扩截面圆管和突缩截面圆管中流动时关于速度分布和压力分布的结果。由此表明，在突变截面附近的渗流区域中不存在回流和分离流，也不存在封闭的流线。渗流的这些流动特性不同于在无多孔介质的空间区域中的流动特性。     

基于渗透率连续变化的低渗透多孔介质非线性渗流模型

基于低渗透多孔介质渗透率的渐变理论,确定了能精确描述低渗透多孔介质渗流特征的非线性运动方程,并通过实验数据拟合．验证了非线性运动方程的有效性。非线性渗流速度关于压力梯度具有连续-阶导数,方便于工程计算;由此建立了低渗透多孔介质的单相非线性径向渗流数学模型,并巧妙采用高效的Douglas-Jones预估一校正有限差分方法求得了其数值解。数值结果分析表明：非线性渗流模型为介于拟线性渗流模型和达西渗流模型之间的一种中间模型或理想模型,非线性渗流模型和拟线性渗流模型均存在动边界;拟线性渗流高估了启动压力梯度的影响,使得动边界的移动速度比实际情况慢得多;非线性越强,地层压力下降的范围越小,地层压力梯度越陡峭,影响地层压力的敏感性减弱,而影响地层压力梯度的敏感性增强。     

应变局部化分析中两类不同材料模型的讨论

特定情况下单相固体材料率相关模型与多孔介质中的渗流作用均对问题的动力应变局部化分析产生内尺度律效应，对两类问题基本解之间的关系进行讨论，给出了两类不同材料模型解之间的若干联系．     

饱和多孔介质中的混合有限元法和有限应变下应变局部化分析

对基于Biot理论的饱和多孔介质中动力-渗流耦合分析提出了一个耦合场混合元．固相位移、应变和有效应力以及流相压力、压力梯度和Darcy速度在单元内均处理为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的饱和多孔介质动力-渗流耦合问题控制方程的单元弱形式，导出了单元公式．进一步导出了考虑压力相关非关联塑性的非线性单元公式和发展了相应的一致性算法．对几何非线性分析，采用了共旋公式途径．数值结果例题显示所发展耦合场混合元模拟大应变下由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象的性能．     

非均匀介质中流动和传热问题的有限分析法

数值求解非均匀介质中的输运问题广泛应用于科学计算和工程领域．介质的强非均匀性给相关问题的准确求解带来极大的困难．近年来，本课题组将有限分析法拓展到该领域，建立了非均匀介质中输运问题的有限分析法．该算法基于网格奇点邻域内类拉普拉斯方程局部解析解构建，算法具有很高的精度，且不依赖于介质的非均匀性强度．不管相邻网格传导率差异如何，仅需对原始网格进行很少地细分就可以获得非常准确的计算结果，因此与其他传统数值算法相比，可以大幅提高计算精度和效率．该算法可广泛应用于求解非均匀多孔介质中的渗流、复合材料中的热传导及电场分布等问题．     

饱和多孔介质分析解的唯一性与应变局部化分岔

基于不连续性分岔基本理论导出了静态非渗流状态下弹塑性饱和多孔介质应变局部化发生时的临界硬/软化模量,利用二阶功正定性原理研究了两相问题分析解的唯一性问题,并给出了基于主轴空间下解的显式表达式。研究工作表明,在静态非渗流状态下,弹塑性饱和多孔介质分析的唯一性与应变局部化发生的临界条件除了在量值上与单相介质有着明显的不同外两者之间还有许多一致的特性,这些一致的特性对问题的分析是十分重要的。     

Coriolis Effects on Filtration Law in Rotating Porous Media

We investigate the filtration law of incompressible viscous Newtonian fluids in rigid non-inertial porous media, for example, rotating porous media. The filtration law is obtained by upscaling the flow at the pore scale. We use the method of multiple scale expansions which gives rigorously the macroscopic behaviour without any prerequisite on the form of the macroscopic equations. For finite Ekman numbers the filtration law is shown to resemble a Darcy's law, but with a non-symmetric permeability tensor which depends on the angular velocity of the porous matrix. We obtain the filtration analog of the Hall effect. For large Ekman numbers the filtration law is a small correction to the classical Darcy's law. The corrector is antisymmetric. In this case we recover a structure of law which is similar to phenomenological laws introduced in the literature, but with a dissimilar effective coefficient.     

湍流能量耗散率标度律实验研究

应用粒子图像测速(PIV)系统对平板湍流边界层内流向和法向的瞬时速度进行了测量。湍流的能量耗散率由轴对称假设得到,同时在研究湍流动能耗散率标度律的过程中采用传统的统计学方法。实验结果显示,对于不同尺度上和不同法向位置湍流耗散率标度律来说,湍流耗散主要发生在小尺度上,也就是说湍动能耗散率标度律在小尺度上具有普适性。另外,根据层次结构理论假设,通过PIV实验数据对最高激发态的标度指数进行了研究,结果发现,最高激发态存在绝对标度指数,并且绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的。     

EXPERIMENTAL STUDY OF MEASUREMENT FOR DISSIPATION RATE SCALING EXPONENT IN HEATED WALL TURBULENCE

Experimental investigations have been devoted to the study of scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function for velocity and temperature fluctuation of non-isotropic and inhomogeneous turbulent flows at moderate Reynolds number. Much attention has been paid to the case of turbulent boundary layer, which is typically the non-istropic and inhomogeneous trubulence because of the dynamically important existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . Longitudinal velocity and temperature have been measured at different vertical positions in turbulent boundary layer over a heated and unheated flat plate in a wind tunnel using hot wire anemometer. The influence of non-isotropy and inhomogeneity and heating the wall on the scaling law of the dissipation rate structure function is studied because of the existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . The scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function is foun     

多孔介质非线性渗流问题的摄动解

考虑变形多孔介质渗透参数(渗透率和孔隙度)与孔隙压力呈负指数变化的特点，建立了多孔介质渗流问题的数学模型，采用积分变换方法求出了一维非线性渗流问题的摄动解，并对常数渗透参数和指数渗透参数的渗流问题进行对比分析，计算结果表明：两者之间的差别较大，且渗透参数的变化对于流体渗流中后期过程有着重要的影响，但对渗流早期影响不大，这对于定量研究工程中非线性渗流问题模型参数的相对重要性提供了可靠的理论依据。     

Upscaling Forchheimer law

We investigate the high velocity flow in heterogeneous porous media. The model is obtained by upscaling the flow at the heterogeneity scale where the Forchheimer law is assumed to be valid. We use the method of multiple scale expansions, which gives rigorously the macroscopic behaviour without any prerequisite on the form of the macroscopic equations. We show that Forchheimer law does not generally survive upscaling. The macroscopic flow law is strongly non-linear and anisotropic. A 2-point Padé approximation of the flow law in the form of a Forchheimer law is given. However, this approximation is generally poor. These results are illustrated in two particular cases: a layered composite porous media and a composite constituted by a square array of circular porous inclusions embedded in a porous matrix. We show that non-linearities are sources of anisotropy.     

孔隙渗流对环面复层含油轴承润滑性能的影响

含油轴承基体中油液的渗流特性对轴承油膜润滑性能影响显著. 以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象，利用达西定律建立复层含油轴承基体中流体渗流的控制方程，在极坐标下建立环面复层含油轴承系统渗流润滑模型，研究复层环面副系统中油膜压力分布规律，分析轴承结构参数及孔隙渗流行为对油膜润滑性能的影响. 结果表明:复层含油轴承的流体动压力主要发生在环形摩擦面间，从摩擦界面到轴承底面，流体压力逐渐由外缘向圆心部位传导，流体动压力作用面积逐渐增大，压力峰值逐渐降低；随着倾角增大，摩擦界面间的油膜动压效应增强，油膜润滑性能变好；随着表层渗透率或厚度减小，摩擦界面间的油膜的渗流效应减弱，油膜润滑性能提高；与普通单层含油轴承相比，含致密表层的复层含油轴承能降低整体孔隙率，防止过多轴承间隙油液渗入多孔介质，提高轴承润滑性能. 研究工作为明晰环面复层含油轴承渗流行为及润滑机理提供一定理论依据.      

Time frequency spectrum of atmospheric turbulence and sweeping hypothesis

The present study is focused on the structure of time frequency spectrum. A scaling law for Eulerian time frequency spectrum and the corresponding temporal structure function are calculated from the sweeping hypothesis and Kolmogorov's similarity law regarding spatial structure function. An experiment is designed to study this scaling law in the atmospheric turbulent boundary layer. The results well support the conclusion derived from relevant theoretical analysis.     

壁湍流扩展的自相似标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了湍流边界层不同法向位置速度结构函数的扩展的自相似标度律。     

Extended self-similar scaling law of multi-scale eddy structure in wall turbulence

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＭｕｃｈｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｏｔｅｄｉｎｔｈｅｌａｓｔｆｅｗｄｅｃａｄｅｓｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓ.Ｔｈｅｓｏ＿ｃａｌｌｅｄ“ｖｅｌｏｃｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｏｒｄｅｒｎ”ｆｏｒｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓｉｓｄｅｆｉｎｅｄａｓ〈ΔＶ(ｒ) ｎ〉 ,ｗｈｅｒｅΔＶ(ｒ) =Ｖ(ｘ ｒ) -Ｖ(ｘ)ｉｓｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐ…     

纳子峡纤维素纤维混凝土面板坝服役期渗流特性分析

为掌握纳子峡纤维混凝土面板砂砾石坝在服役期间的抗渗情况,在纳子峡水利枢纽布置了较全面的渗流监测设备,根据纳子峡面板砂砾石坝在2016年至2018年间的渗流监测结果,对大坝坝基、坝体、周边缝、绕坝渗流及大坝渗漏量的渗流变化规律及分布特征进行了分析和评价。分析结果表明:坝基、坝体、周边缝等重点部位防渗系统工作正常,渗流量趋于稳定;绕坝渗流及大坝渗漏量符合实际渗流规律,纳子峡水利枢纽工程大坝渗流监测设计合理,能充分反映大坝不同部位的渗流情况。大坝在地震时期的渗流形态稳定,地震对面板损坏程度影响较小,面板裂缝在控制范围之内,纤维素纤维混凝土服役性能稳定,在面板混凝土中添加纤维素纤维有利于面板防渗。