饱和-非饱和土壤中污染物运移过程的数值模拟

本文提出了一个模拟饱和 非饱和土壤中溶和污染物运移过程的数值模型．模拟的控制污染物运移的物理 化学现象包括：对流，机械逸散，分子弥散，吸附，蜕变，不动水效应．发展了一个修正的特征线Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法以离散污染物运移过程的控制方程并导出了一个用于有限元方程求解的显式算法．数值例题结果表明所提出模型和算法的功能     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

裸露地表土壤风蚀及其电场数值模拟

土壤风蚀及电场机理研究是认识其灾害本质,进而实现有效防治的基础。采用颗粒流体动力学方法,建立裸露地表土壤风蚀的气-固耦合模型,并基于水的电离理论,建立了运动土壤颗粒碰撞带电模型。数值计算结果不仅从理论上再现了裸露地表土壤风蚀的发生、发展及达到动态稳定的过程,而且定量分析了土壤风蚀过程颗粒的带电特性及其产生的风蚀电场。在风-颗粒相互耦合作用下,裸露地表土壤颗粒的风蚀过程最终达到动态稳定,土壤风蚀量随高度呈指数规律递减,且贴近地表层风蚀量较大。土壤颗粒在运动中的碰撞使得颗粒发生带电现象,粒径较大颗粒带正电,粒径较小颗粒带负电;由带电土壤颗粒产生的风蚀电场强度随高度减小,且在风蚀过程中逐渐增强,在风蚀达到动态平衡时风蚀电场趋于稳定。本文综合考虑了风-土壤-电场的土壤风蚀过程,这将为建立更加符合实际、较为全面的土壤风蚀模型提供理论基础。     

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

岩石碎屑流运移堆积过程数值模拟

岩石高速远程崩滑是一种特殊的、危害性很大的地质灾害,崩滑后期形成的高速岩石碎屑流具有很高的运移能力,破坏力极强。以岩石碎屑流为研究对象,重点模拟岩石碎屑流形成后,碎屑流的运移堆积过程和最大运移堆积距离。利用二维颗粒离散元数值模拟方法,建立碎屑流二维运动堆积模型,分析了岩石碎屑流初始高度、体积、加速斜面坡度、堆积底面摩擦系数以及堆积底面地表起伏程度对于岩石碎屑流最大运移堆积距离的影响。实验结果显示:岩石碎屑流运移堆积过程体现出了碎屑流物质的离散性和流动性; 碎屑流最大堆积距离随高度、体积、斜面坡度增大而增大; 随堆积底面摩擦系数、堆积底面地表起伏程度增大而减小。     

垂向动载下饱和砂土液化发展的数值模拟

针对一维应变情况,建立了垂向荷载作用时饱和砂土的一维应变动力学模型,然后进行了分析。得到了在垂向荷载作用下,饱和砂土液化发展过程的特性。结果表明,渗透系数越小,骨架强度越低,扰动强度越大,液化发展越快。     

爆炸作用数值模拟

采用简单的炸药化学反应率方程，利用二维流体弹塑性流动程序，对一个变直径铜壳中装药的爆炸作用做了数值模拟。     

用同伦方法反演非饱和土中溶质迁移参数

非饱和土中溶质迁移参数反演问题可以归结为非线性算子方程的求解问题. 将同伦方法 引入该问题的求解，通过构造线性同伦将原问题转化为求解同伦函数最小值的无约束优化问 题. 同时在分析了同伦参数正则化效应的基础上，提出一种两段同伦参数修正方法. 即在求 解的初始阶段，根据拟Sigmoid函数调整同伦参数，以追踪同伦路径，保证计算稳定地进行； 在迭代的后期，采用与残差相关的同伦参数修正方法，以抵抗观测噪声对求解的影响. 数值 算例为求解带有平衡及非平衡吸附效应的一维非饱和土中溶质迁移模型参数反演问题，计算 结果表明了该方法的大范围收敛性及较强的抵抗观测噪声的能力.     

在蒸发条件下土壤水盐运动的数值模拟

本研究对土壤中水盐运动对流扩散方程进行了数值计算。利用省时的一阶精度的特征-分步法及使对流项作保留迎风特性的二阶精度的差分法,对在蒸发条件下土壤盐分向上运动积盐过程进行模拟,两个方法的计算结果与实验结果总体上都重合较好。     

条形装药土中爆炸冲击波及空腔的数值模拟

本文用拉格朗日坐标有限差分法对条形装药土中爆炸的冲击波和空腔参数进行了一维轴对称数值模拟。计算中取爆破介质为弹-理想塑性体。计算得到的冲击波,爆炸空腔的参数与X光摄影数据的比较,结果表明计算与实测结果基本一致。     

固体、流体多相孔隙介质中的波动理论及其数值模拟的进展

简要回顾了两相或三相多孔介质中波动理论和数值模拟的研究历史和现状，着重介绍了用有限元方法对饱水土层中波动进行数值模拟的研究进展，并讨论了有待进一步研究的问题．     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序,分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果,与前人的计算及实测结果相符合,规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量,并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

复杂化学流体在多孔介质中的传质

化学驱油技术已从单一化学剂驱油发展到了复杂化学流体复合体系驱油。化学驱油过程中存在扩散、弥散、吸附、滞留、化学反应等一系列物理化学作用，影响化学剂在多孔介质中的传质过程。碱水驱油实验证明了单一化学剂在多孔介质中存在运移滞后；文中分析了上述物理化学作用，研究了复合体系各种化学剂的运移滞后及滞后差，指出综合吸附作用引起化学剂运移滞后，不同化学剂的运移滞后差导致色谱分离现象。在上述研究的基础上，提出 了吸附对流扩散方程，得到了解析解。并用该解析解处理实验资料，求出了方程中化学剂运移滞后系数和综合扩散系数等相应的参数，可描述和预测复杂化学流体在多孔介质中的传质过程。     

水平井砾石充填数值模拟研究进展

综述了水平井数值模拟研究的最新进展,内容包括：水平井砾石充填机理及技术难题、充填过程中平衡砂床高度、临界流速的计算模型,描述了筛管/井筒环空砂浆流动、冲管/筛管环空纯携砂液流动以及它们之间流体的交换和向地层的滤失过程. 重点介绍了$\alpha$波充填过程中流动数学模型的研究现状及影响水平井砾石充填的各个因素和存在的问题.