磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响

为了弄清煤矿井下巷道中变电站、大型机电设备等产生较强的磁场对瓦斯爆炸的影响机理和影响程度,实验研究了外加磁场对瓦斯爆炸过程中爆炸应力波和火焰传播速度的影响,并从磁场影响瓦斯爆炸及其传播的传质、传热、反应过程等进行了理论分析.研究结果表明:外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值,...     

热冲击下物性与温度相关性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析。借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果。结果表明：当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响。     

水流损失和热补偿共同作用对增强型地热系统(EGS)产能影响的研究

基于青海共和盆地-3705m地热田实测数据,结合流固耦合传热理论并运用Comsol软件,建立了离散型裂隙岩体流体传热模型。考虑水流损失和热补偿共同作用,模拟得到了开采过程中上、下岩层(盖层和垫层)为绝热不渗透、传热不渗透、渗透传热时,储层(上、下岩层和压裂层)温度场的变化特征,分析了产出流量、水流损失、产出温度、产热速率的变化规律。研究结果表明:采热过程中产出流量始终小于注入流量;产出流量增幅速率先增大后减小,最后趋于稳定,前3a产出流量增幅超过总增幅量的3/4;忽略水流损失,将高估产热速率,采热初期甚至达到考虑水流损失时产热速率的3倍以上;考虑水流损失,产热速率呈先快速上升再趋于稳定后逐渐下降的趋势,最优开采时间为3a^11a;研究上、下岩层对产出温度的影响,仅考虑传热,采热寿命延长5.43%,同时考虑渗流传热时,采热寿命延长2.71%;采热前9a,水流损失占主导作用,即流入上、下岩层水流损失对产热速率的影响高于热补偿效应,开采10a后,热补偿效应占主导作用;同时考虑水流损失和热补偿效应得到的产热速率变化规律与实际工程更为符合,建议选择低渗透能力的上、下岩层延长增强型地热系统(EGS)运行时间。     

热冲击下温度相关物性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析.借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果.结果表明:当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响.     

矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征分析

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出:矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

前进式U形通风采空区风流与自燃的数值模拟

基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元; 基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元; 基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元;基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型通风采空区自然发火模型.通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-O2-CO浓度和温度分布状态及其变化来描述自燃过程.在计算中,采空区非均质性按自然冒落考虑,兼顾瓦斯涌出对自燃的耦合作用;模拟得到,在前进式开采特有的3面漏风边界条件下,采空区自燃位置(最高温点)在开切眼冒落区进风一侧,自燃产生的有害气体和瓦斯随漏风流从回风边界渗出.在前进开采U型通风形式下,通风量在到达工作面时衰减很大,因此,前进开采布置一次推进距离不易过大;解决好沿空留巷的封堵材料和正确的堵漏措施,是保证前进式开采顺利进行的技术关键.     

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

控压钻井中三相流体压力波速传播特性

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m3/h 增至3.6m3/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.      

ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性

基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型,对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究.获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解,并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响.结果表明:达西数较小时,通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度,此达西速度会随裂隙层数的增加而增大,但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响.增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响,会使通道内流体压降升高,但升高程度会逐渐降低.增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布,而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致.此外,当热导率之比较小时,多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况,当热导率之比较大时,存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同,且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.     

RESEARCH ON PRESSURE WAVE PROPAGATION CHARACTERISTICS IN THREE-PHASE FLOW DURING MANAGED PRESSURE DRILLING

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m³/h 增至3.6m³/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.     

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激光直接成形中,几何参数、材料属性和工艺参数等众多参量均会对残余应力造成影响,需 要进行系统分析. 采用量纲分析的方法,分别提取表征几何、传热和变形的3类关键无 量纲参数,并结合三维瞬态有限元分析模型来研究这些无量纲参数对热致残余应力的影响规 律. 研究表明,选用热膨胀系数、屈服应力较小的材料,残余应力会较小;工艺控制中,可 通过降低热散失、增大激光功率和提升预热温度来减小残余应力,其中预热的效果最好.     

环形浅池内硅熔体中的热流体波

为了了解工业Czochralski炉内硅熔体表面轮型的基本特征,对环形浅池内硅熔体的热毛细-浮力对流进行了三维数值模拟,硅熔池内径为15 mm,外径为50 mm,深度为3 mm,熔池外壁被加热,内壁被冷却,底部固壁和顶部自由表面均绝热或者允许一个垂直方向的传热。模拟结果表明,当径向温差较小时,熔池内会产生稳定的单胞热毛细-浮力流动,随着温差的增大,流动将转变为三维振荡流动,在熔体自由表面会出现沿周向运动的轮型,小的垂直方向的热流密度(3W/cm2)对这种振荡流动没有大的影响。同时,讨论了流动和温度波动的特征,并确定了振荡流动的临界条件。     

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

基于CFD-DEM的高炉风口回旋区形状和传热特性数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合方法,对高炉风口回旋区进行了数值模拟研究。首先通过与实验结果对比,验证了CFD-DEM模型的正确性;然后考察了不同气速对风口回旋区形状和传热特性及颗粒接触的影响。数值模拟结果表明:风口回旋区的大小和形状均受气速影响较大,在较大进气速度下,颗粒受到的曳力大于颗粒间的摩擦阻力并破坏颗粒间的桥力,形成较大尺寸的回旋区;且颗粒之间接触力较小,形成较大的空隙结构,更有利于热气体向周围扩散以强化传热。目前考察的三种气速结果表明:当气速为11m/s时,热量向下方传递速度最快;当气速为13m/s时,热量向上方传递速度最快;而当气速为15m/s时,热量向右方传递速度最快;此外,气速越大流态化越明显,颗粒间接触越少,接触力也越小。     

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．      

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．     

超短激光脉冲加热薄板的广义热弹扩散问题

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势,近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域.本文基于L-S型广义热弹扩散理论,建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论,它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应.推导了所建理论的控制方程,并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解.作为算例,利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题,得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律.结果表明:传热对传质影响显著,传质对传热影响甚微;非局部参数对位移、应力影响显著,对温度、化学势和浓度几乎没有影响.该理论及求解方法的建立,旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.     

A GENERALIZED THERMOELASTIC DIFFUSION PROBLEM OF THIN PLATE HEATED BY THE ULTRASHORT LASER PULSES 1)

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.     

不同壁面条件下液滴撞击铺展特性的模拟研究

液滴撞击不同润湿性壁面的传热流动问题在自然界和工业生产中广泛存在。研究采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,并考虑液滴物性参数随温度的变化,建立液滴撞壁模型,模拟研究液滴撞击流动行为,通过与实验对比验证,确定模型有效性。在此基础上,对传热作用下考虑壁面润湿性的液滴撞击问题展开研究,探讨壁面传热作用对液滴撞击铺展特性的影响。研究表明,在撞击过程中,液滴先铺展后逐渐收缩,与静态接触角模型相比,采用动态接触角模型所得的液滴流动特性与实验结果更加吻合;随着接触角增大,液滴在撞壁初期不易铺展,随后则易于收缩;虽然固液传热作用会影响液滴铺展直径,但不改变液滴的运动趋势。