基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

基于连接元法的多尺度裂缝性油藏数值模拟

针对油藏不同尺度复杂几何特征描述和动态连通性识别等难题,近年来发展了一种基于非欧物理连通网络具有无网格特征的油藏数值模拟连接元方法.文章将连接元法推广到裂缝性油藏,从流体流动的角度,利用连接单元将油藏离散为物理连通网络.根据节点物性参数、影响域半径和加权最小二乘法给出了压力扩散项的广义差分近似.结合物质守恒方程计算节点控制体积、基质节点间传导率、裂缝节点间传导率以及基质节点与裂缝节点间传导率,从而构建渗流控制方程组的全隐式离散格式,求解压力、饱和度以及含水率等生产动态参数.引入图论深度优先搜索算法,基于每个时间步求解的节点间压力梯度,计算各时间步注入井的劈分系数,定量表征井节点间的流动关系和连通性.算例验证表明,相较基于网格体系的传统方法,该方法能够自由灵活地刻画包括裂缝复杂分布、不规则油藏边界在内的复杂油藏几何,在粗化模型情况下能够保留更丰富的流动拓扑结构,实现计算精度和计算效率的更优平衡,能更好满足实际大规模裂缝性油藏的生产动态模拟预测需求,同时为具有多尺度几何特征的裂缝性油藏及复杂边界油藏的数值模拟提供了新思路.     

棱柱绕流流动的数值模拟

利用数值方法对长宽比为1／3, 1和3的棱柱绕流在雷诺数为100的非稳态流动特性进行了分析和研究。采用有限体积法对棱柱绕流的二维流动N-S方程进行离散求解,分析和研究了非稳态的棱柱绕流流场,升力系数,阻力系数和涡动特性,数值模拟的结果与相关文献的数据比较吻合。通过上述研究能够为了解棱柱绕流的非稳态流动特性提供有力的帮助。而对棱柱三维流动的模拟分析和对雷诺数的变化对棱柱流动特性的影响进行研究,将为掌握棱柱绕流的工程特性打下基础。     

离散元数值模拟中查找邻居元关系的改进算法

离散元方法是近年发展起来的有前途的新概念数值模拟方法,然而查找邻居元关系耗费大量机时和内存。本文引入一种改进算法-“区域法”,并对其原理、算法、运行时间和空间进行了分析。和原算法中的“窗口法”的比较结果表明,新算法在运行时间和空间方面均明显优于原算法。     

一种改进格林元方法及在渗流问题中的应用

采用格林公式和基本解推导出直接边界积分方程来求解渗流问题.边界积分方程数值离散基于格林元方法(Green element methond),改进了原方法中压力和压力导数的求解方法,命名为混合边界元方法(Mixed boundary element method).相较于格林元类方法,该方法显式考虑了求解节点的外法向流量值和压力值,并使求得的数值解在求解区域上能够连续,符合实际的物理过程,在不增加额外未知数的情况下提高了计算精度.分析了不同网格类型对模拟计算结果的影响,并对稳定渗流问题、非稳定(瞬态)渗流问题和非稳态问题进行了实例计算,结果显示改进方法提高了计算精度,并对各类渗流问题有较好的适应性.     

基于离散元的杆件断裂全过程数值模拟

杆件的断裂会涉及到大变形、非线性以及不连续等问题,通常的数值计算方法模拟这种复杂力学行为具有局限性。本文基于颗粒离散元法DEM,将接触粘结处的分布式弹簧用梁纤维进行等效,提出了一种适于结构弹塑性分析的DEM纤维梁模型,然后在此基础上构建了构件断裂模拟算法以及纤维破环准则。将该模型应用于悬臂梁结构,模拟了悬臂梁从弹性到弹塑性阶段,再到断裂破坏的全过程,数值模拟得到的结构响应和截面开裂破坏形态均较合理。最后将该方法应用于单层网壳倒塌破坏模拟,并与网壳振动台倒塌试验进行对比,结果表明,数值模拟得到的杆件断裂过程及结构倒塌模式与试验现象一致,验证了该模型的正确性和适用性。     

利用改进的ADI方法实现单机千万节点的油水两相渗流数值模拟

针对实际油藏的非均质分布特征及其复杂的边界条件,本文通过引入迭代参数的压缩因子和放大因子,对现有的交替方向迭代法(ADI)进行改进,提出一种适用于大规模油藏数值模拟的新算法．改进的ADI 方法计算精度可靠,且与现有的算法相比计算效率有所提高．更为关键的是,ADI 算法将求解三维压力方程的七对角矩阵分解为三个方向的三对角矩阵依次迭代求解,所需的运算存储量大幅减少,最大的计算规模有了大幅的提升．使用改进的ADI 方法,在单机上成功实现了千万节点的油水两相渗流数值模拟．计算实例表明,在同等单机硬件条件下,改进ADI 算法的最大计算规模是现有算法的1.7 倍以上．     

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土－结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题，本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法，探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响，提出了侧向人工边界合理位置的具体建议；然后利用层土动力Green函数建立边界元模型，通过对埋入式条形基础的动力反应分析，探讨了底部水平人工边界的合理位置，提出了相应的建议。     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为,从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形,道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性,基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元,采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选,建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果,验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上,开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究,分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用,并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°）,道砟的剪切强度被明显削弱;随着振幅及频率的增大,道砟颗粒的剪切强度也会显著降低。该研究表明在实际碎石道床性能评估中,需要更多地关注铁路道砟的动态抗剪性能。

     

基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池

极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.      

离散颗粒流动堆积行为离散元模拟及实验研究

工程应用中存在许多颗粒流动堆积问题.首先设计了一系列测量方法,通过大量的实验和统计分析,得到了颗粒的多种物理参数.并以工程中高炉炉顶称量料罐为背景,采用离散元方法模拟不同物理条件下离散颗粒的流动堆积行为,得出料罐内颗粒系统中颗粒之间力的分布不均匀,而且强力链分布主要与料罐的左下壁方向平行.同时,设计并制作了具有多参数调节的离散颗粒料罐实验模型,进行了相应的物理实验,实测结果与数值模拟吻合良好.     

基于单元分解的结构断裂扩展有限元法

研究并提出了一种基于单元分解的扩展有限元方法,并将其用于求解结构断裂问题。首先,将不含加强节点的四边形单元剖分为四个三角形子域,通过加权平均获得单元中心处局部应变值;其次,基于三角形子域局部应变进一步构造单元刚度矩阵稳定项。最后,将该单元分解法应用到扩展有限元法的分析中。与传统扩展有限元方法相比,该方法可有效减少积分点数量、避免复杂等参变换且能保证裂纹尖端应力强度因子的求解精度。

     

两方程湍流模型混合隐式迭代/解析算法研究

采用通量修正二阶TVD格式和混合隐式时间推进/解析算法求解k-ε湍流模型的输运方程以克服其计算刚性. 通过过膨胀状态下轴对称喷管内流场、带圆转方型面二元喷管内外流场两个算例, 验证了其配合改进的多重网格算法对计算效率的提高. 计算结果与试验数据进行了对比.      

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

基于近场动力学的单晶冰弹性各向异性数值模拟方法

天然冰材料在变形与破坏行为上的各向异性特征是冰与结构相互作用中产生复杂载荷过程的关键诱因, 而天然冰各向异性的根源则在于单晶冰的各向异性. 目前, 学术界针对单晶冰各向异性的数值模拟方法研究仍较为缺乏. 为了准确再现天然冰材料的特殊力学性质, 本文基于近场动力学理论, 提出了一种单晶冰弹性各向异性的数值模拟方法. 该方法的核心思想是将单晶冰杨氏模量沿不同加载方向的变化规律引入到近场动力学力密度向量的影响函数中. 以前人实验测试得到的杨氏模量值为参考, 通过开展与C轴呈0°, 45°和90°三个加载方向的单晶冰单轴压缩数值模拟实验, 提出了针对该影响函数的修正和辅助参数标定方法, 最终在15°, 30°, 60°和75°等其他四个加载方向进行了验证. 结果表明: 本文提出的针对影响函数的修正与参数标定方法, 能够较为便捷地找到数值模型杨氏模量与参考杨氏模量相一致的影响函数最优解, 即本文提出的基于影响函数的近场动力学数值模拟方法, 能够合理、准确地模拟单晶冰的弹性各向异性行为. 本文研究成果可为后续多晶冰各向异性数值模拟方法的建立提供基础性参考.      

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定.论文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析.计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力.论文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性.