多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

多孔介质有效应力原理研究

提出了基于多孔介质的一种新的有效应力原理,据此,当饱和土加载后,孔隙度的变化与孔孙水压力之间的关系是非线性的,它们之间的变化关系同样取决于初始孔隙度以及初始孔隙水压力。     

饱和黏弹性多孔介质中的平面波及能量耗散

研究了流体饱和不可压黏弹性多孔介质中的非均匀平面波及其能量流和能量耗散规律. 在流 相和固相物质微观不可压、固相骨架宏观服从积分型本构关系和小变形的假定下，利用 Helmholtz分解，得到了饱和黏弹性多孔介质中非均匀平面波的一般解以及纵波、横波相速 度和衰减率等的解析表达式，分析了平面波传播矢量和衰减矢量之间的关系. 数值结果表明 孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架的黏性对波的相速度、衰减率等有着显著的 影响. 同时，得到了饱和黏弹性多孔介质的能量方程，给出了能量流矢量和能量耗散率. 对 非均匀平面纵波和横波，推导了平均能量流矢量和平均能量耗散率的解析表达式.     

基于西原模型的非线性黏弹塑性流变模型

在西原模型的基础上,引入能反映加速蠕变起始点的非线性黏塑性元件和瞬时塑性变形的塑性元件,建立了一个能完整反映蠕变全过程的非线性黏弹塑性流变模型. 在其一维流变模型结构的基础上建立三维的流变模型,推导三维流变方程,接着探讨了在三轴压缩试验中确定三维蠕变参数的方法,并对参数进行了敏感性分析. 用三轴压缩试验结果验证模型的有效性,结果表明模型能很好地模拟蠕变的三阶段,并且在多级偏应力水平下可以采用同一组蠕变参数.     

幂律流体在多孔介质中径向渗流的分形模型

基于分形理论及毛细管模型,本文研究了非牛顿幂律流体在各向同性多孔介质中径向流动问题,推导了幂律流体径向有效渗透率的分形解析表达式．研究结果表明,幂律流体径向有效无量纲渗透率模型和Chang and Yortsos’s模型吻合很好;同时还得出幂律流体径向有效渗透率随孔隙率、幂指数的增加而增加,随迂曲度分形维数的增加而减少．     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程,分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球 面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式. 在应力表达形式上,固相 介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成,它们分别与质点的位移和速度成正比, 因此,可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧------黏滞阻尼器,用来模拟人工边 界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用,从而形成了流体饱和多 孔介质的黏弹性动力人工边界. 流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通 用软件结合,用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题. 算例表明流体饱和多 孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性.     

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．     

黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的频域响应

研究了无限黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞(有衬砌)表面受轴对称简谐荷载和流体压力 作用下的频域响应问题. 引入Carcione提出的本构模型来描述介质的流变和松弛性质. 考 虑衬砌和介质的相对渗透性，孔洞处于半封闭状态，边界半透水. 引入两个势函数，在频域 中得到了应力、位移和超孔隙水压力响应解答. 并进行了算例分析，讨论了反映介质黏弹 性性质的最小质量因子，反映孔洞边界半透水性质的渗透性参数及衬砌和介质的相对刚度对 问题的影响. 分析结果表明：以上参数对圆柱孔洞的频域响应有很大影响.     

基于多孔介质模型的养殖网箱周围流场特性研究

为探讨鱼类养殖网箱对周围海域流场的影响,基于雷诺时均方程和Realizable k-ε湍流模型,耦合多孔介质模型,建立了研究鱼类养殖网箱周围流场的三维水动力模型.根据典型养殖场的实际数据,分别对仅网衣作用、仅鱼类作用及网衣和鱼类共同作用下网箱周围流场进行数值模拟.结果表明综合考虑网衣和鱼类的作用时,网箱下游流速衰减最大...     

对饱和多孔介质波动问题中本构关系的探讨

依据连续介质力学的混合物理论，讨论了饱和多孔介质的波动一般方程。其中考虑了质量耦合、初始压力及其浮力效应等。对于澄清这一研究课题中的某些基本概念，以及完善其理论体系具有重要意义。）其中ｖ￣（２）为速度涨落，于是单位体积内流相的动能为：因此将流相动能的涨落Ｋ￣（２）归于自由能更自然些。又因为当：ｖ￣（２＊）≡ｖ￣１时，即Δｖ＝ｖ￣１－ｖ￣２＝０时ｖ￣（２）＝０，此时Ｋ￣（２）＝０而且显然Ｋ￣（２）随着Δｖ·Δｖ的增大而增大，一个简单的近似是令Ｋ￣（２）＝ρ·Δｖ＿ｋ·Δｖ＿ｋ并且是常数。由此可导出表现质量力。由自由能的非负性质知，所以有．由（４．１３ａ）很容易推出质量密度矩阵的对称性和正定性。参考文献     

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多孔介质的变形表现为黏弹塑性,其中,弹性变形体现为本体变形;黏性变 形体现为结构变形;塑性变形体现为损伤变形. 在原有有效应力理论的基础上结合损伤力学 的基本原理,研究多孔介质有效应力的性质. 在原假设多孔介质颗粒可压缩的前提下,假定 部分颗粒可发生局部破坏,并且在颗粒破坏后,有效应力将有所增加,相应的骨架承载能力 将有微小程度增强. 采用损伤有效应力参与计算将能更加准确地描述多孔介质复杂的变形性 质.     

一种孔隙介质力学模型及在水泥基材料的应用

基于细观力学和断裂力学的基本理论提出一个新的分析模型, 对孔隙介质的力学性能进行了分析. 依据孔隙介质内部孔隙的几何描述和状态参数,如孔隙率、形状、尺度及分布等,通过等效夹杂理论获得孔隙介质的等效本构方程,其最终变量为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据断裂理论中材料承受载荷作用下破坏增长过程中的能量守恒,对孔隙介质变形过程中机械能、弹性应变能和载荷提供的势能进行分析, 根据能量守恒定律建立能量守恒方程,其最终变量也为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据等效本构方程和能量守恒方程,获得孔隙介质承受载荷作用下的应力应变关系. 最后将该力学模型应用于水泥基材料,计算水泥基材料的力学性能并与文献中的结果进行对比分析,结果显示模型的计算结果准确有效.      

谈谈渗流

渗流是流体在多孔介质中的流动,渗流现象广泛地存在于自然界、工程材料、动物、植物中。多孔介质种类繁多,包括岩石(含各类矿藏)、土壤、生物材料和人工多孔介质材料等。渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础。本文从渗流的基本概念、渗流的分类、渗流的影响因素、渗流的特征以及渗流的研究意义等方面进行了阐述。     

ON FLOW IN POROUS MEDIA

渗流是流体在多孔介质中的流动,渗流现象广泛地存在于自然界、工程材料、动物、植物中。多孔介质种类繁多,包括岩石(含各类矿藏)、土壤、生物材料和人工多孔介质材料等。渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础。本文从渗流的基本概念、渗流的分类、渗流的影响因素、渗流的特征以及渗流的研究意义等方面进行了阐述。     

多孔介质中对流的研究

介绍多孔介质中对流研究的重要意义及半个世纪以来的研究进展，特别是近１０年来在对流振荡、分岔等方面的研究和对混饨的探讨．着重讨论多孔介质中的自然对流．     

ACOUSTOELASTIC THEORY FOR FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the finite deformation theory of the continuum and poroelastic theory, the aeoustoelastic theory for fluid-saturated porous media （FSPM） in natural and initial coordi- nates is developed to investigate the influence of effective stresses and fluid pore pressure on wave velocities. Firstly, the assumption of a small dynamic motion superimposed on a largely static pre- deformation of the FSPM yields natural, initial, and final configurations, whose displacements, strains, and stresses of the solid-skeleton and the fluid in an FSPM particle could be described in natural and initial coordinates, respectively. Secondly, the subtraction of initial-state equations of equilibrium from the final-state equations of motion and the introduction of non-linear constitu- rive relations of the FSPM lead to equations of motion for the small dynamic motion. Thirdly, the consideration of homogeneous pre-deformation and the plane harmonic form of the small dynamic motion gives an acoustoelastic equation, which provides analytical formulations for the relation of the fast longitudinal wave, the fast shear wave, the slow shear wave, and the slow longitudinal wave with solid-skeleton stresses and fluid pore-pressure. Lastly, an isotropic FSPM under the close-pore jacketed condition, open-pore jacketed condition, traditional unjacketed condition, and triaxial condition is taken as an example to discuss the velocities of the fast and slow shear waves propagating along the direction of one of the initial principal solid-skeleton strains. The detailed discussion shows that the wave velocities of the FSPM are usually influenced by the effective stresses and the fluid pore pressure. The fluid pore-pressure has little effect on the wave velocities of the FSPM only when the components of the applied initial principal solid-skeleton stresses or strains are equal, which is consistent with the previous experimental results.     

多孔介质中的非达西自然对流的分岔研究

利用分岔理论研究了多孔介质底部加热所引起的非达西自然对流。用有限差分方法计算了对流的分岔；确定了Beta数与临界瑞利数的关系。结果表明：随着Be从0增大到1，出现分岔的单胞对流的临界瑞利数Rac从39．35单调地增大到41．15。双胞对流亦有类似的趋势。这说明惯性－湍流效应有使对流稳定性增强的趋势。     

基于多孔介质理论的混凝土徐变力学行为的有限元分析

水分是影响混凝土徐变的最重要因素之一,但通常为了计算的简便往往忽略了水分的影响,造成计算结果有很大的误差.文章根据混合物理论结合罚参数法、Galerkin加权残值法以及徐变应力分析的隐式解法,推导得到了混凝土徐变两相多孔介质模型.建立了有限元计算模型,给出了求解算法并编制了有限元程序.计算和试验比较分析表明,该理论和计算方法得到的结果遵循徐变相关性质,说明了该理论和计算模型的合理性.最后,指出了模型中存在的不足以及进一步的研究方向.