利用流-固交界面上的伪瑞利波幅度进行液位检测的实验测量

基于流-固交界面上的伪瑞利波衰减依赖半空间流体性质这一特点,提出了一种利用伪瑞利波幅度测量液位的声学方法,并设计实验对其可行性进行了探讨。首先简要介绍了该方法的理论基础,回顾了前一篇文章的数值模拟工作所得到的重要结论;而后在水槽内进行实验,使用两个源距固定的横波换能器分别激发和接收铝制柱体表面的伪瑞利波,测量了不同液面高度下的脉冲伪瑞利波幅度及其主频偏移,并与数值模拟结果进行了比较。实验结果表明,测量所得的伪瑞利波幅度变化范围略小于数值模拟所得到的结果,但二者在反映变化规律上具有较好的一致性,即:随着液面高度的升高,脉冲伪瑞利波幅度近似呈指数下降,与此同时主频向低频偏移,偏移量近似呈线性规律增大。本文的研究结果从实验上验证了这一检测方法的可行性和有效性。      

利用流-固交界面上的伪瑞利波幅度进行液位检测的实验测量

基于流-固交界面上的伪瑞利波衰减依赖半空间流体性质这一特点,提出了一种利用伪瑞利波幅度测量液位的声学方法,并设计实验对其可行性进行了探讨。首先简要介绍了该方法的理论基础,回顾了前一篇文章的数值模拟工作所得到的重要结论;而后在水槽内进行实验,使用两个源距固定的横波换能器分别激发和接收铝制柱体表面的伪瑞利波,测量了不同液面高度下的脉冲伪瑞利波幅度及其主频偏移,并与数值模拟结果进行了比较。实验结果表明,测量所得的伪瑞利波幅度变化范围略小于数值模拟所得到的结果,但二者在反映变化规律上具有较好的一致性,即:随着液面高度的升高,脉冲伪瑞利波幅度近似呈指数下降,与此同时主频向低频偏移,偏移量近似呈线性规律增大。本文的研究结果从实验上验证了这一检测方法的可行性和有效性。     

水泥密度和套管尺寸对油井套管波的影响

通过数值模拟结合实验测量,研究了第一、第二界面胶结良好情况下套管井内的声场,考察了水泥密度、套管直径及其壁厚对套管波幅度的影响,并将部分数值模拟结果与实验结果进行了对比.结果表明,套管波幅度随固井水泥密度增大而减小,低密度水泥和常规密度水泥固井时所得到的套管波幅度相差较大;因此,进行固井质量评价时对不同密度的水泥应采用不同的评价标准.当套管直径不变而壁厚增大时,套管波到时不变而幅度增大;当套管壁厚不变而直径增大时,套管波到时延后而其绝对幅度减小.对油田中常用的三种套管,在大型号套管中所得到的套管波的相对幅度也较大.另外,数值结果中套管波相对幅度随水泥密度的变化规律与实验测量结果基本一致.     

高负荷对转压气机尾迹涡对叶顶泄漏流的影响

采用三维非定常数值模拟方法,针对高负荷对转压气机低压转子尾迹脱落涡对高压转子叶顶泄漏流的影响开展研究。研究发现:低压转子尾迹涡以"对涡"的形式在高压转子通道中输运,顺时针与逆时针旋向尾迹涡间隔分布,对叶顶泄漏流与主流交界面法向动量产生不同影响,进而使叶顶泄漏流与主流交界面形状呈现波浪形。设计工况下,尾迹涡会使叶顶泄漏流与主流交界面的位置偏向吸力面以及后移结尾激波位置进而后移二次泄漏流产生的位置,减小压力面与吸力面结尾激波入射点之间弦长区域叶顶泄漏流与轴向的夹角,提高相应弦长区域叶顶泄漏流的轴向速度,减小高压转子叶尖区的堵塞,降低二次泄漏流产生的损失,进而提升高压转子叶尖区的等熵效率。     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

有限声波束在Rayleigh角附近从平面液-固界面上散射的新的统一理论

分析有限声波束从平面液-固界面上散射的困难主要发生在平面波反射系数的处理上。本文应用奇异点展开法将反射系数在Rayleigh极点附近展开成一个解析函数(其值为1)和Laurent展开式之和。散射场的计算用波数和界面两个变量的双重积分来进行,常数1产生刚性界面的几何散射波,Rayleigh极点展开项导致Rayleigh泄漏波。本文特别证明,对于大多数液-固界面,极点的留数近似地正比于极点的虚部。因此,根据复极点的值可以确定Rayleigh泄漏波的整个特性,包括激发和再辐射效率。对于反向散射场,既然负Rayleigh极点起作用,自然地出现反向Rayleigh泄漏波。     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明:在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究

针对随钻声波测井中钻铤波干扰以及刻槽后散射波问题,该文利用时域有限差分法模拟钻铤波在随钻隔声体中的传播规律,首先考察在无限大流体中钻铤波在凹槽分界面处的散射特征,利用波场快照直观显示了钻铤波会有一部分能量在刻槽的固液界面转化为斯通利波。同时在有地层时分别对比了均匀内刻槽和外刻槽对钻铤波的衰减效果,发现在选择均匀内刻槽还是外刻槽时结果不仅与频率范围有关,而且与刻槽的深度也有关系。最后对比了槽宽较大的均匀凹槽隔声体和槽宽较小的渐变凹槽隔声体。可以得出结论,在设计随钻隔声体时,在10 kHz以下选择均匀外刻槽方式相对于内刻槽隔声效果会更好。随着刻槽槽深增加,外刻槽在10 kHz以下相比于内刻槽隔声性能优势更加明显。渐变刻槽在满足衰减钻铤波幅度要求的同时,散射波对后续地层波和斯通利波影响也更小。     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明：在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

气液团状流内界面波运动模型研究

为了揭示团状流中夹带液滴的产生机理,本文建立了气液团状流内界面波运动模型。该模型可以预测界面波沿壁而的运动规律及界面波特性(波幅、波速)的变化特点,理论解释团状流扰动性大的特点。结果表明:当气速较小或液速较大时,界面波在运动过程中存在反转现象,当进入环状流时,反转现象消失。界面波波速与最大波幅均随气、液速度的增大而增大,而临界波幅主要受气速的影响。通过与实验结果对比,证明该模型可以较好地反映界面波在团状流条件下的运动特点。     

Prediction, detection and characterization of a fast surface wave produced near the first critical angle

The surface wave predicted by acoustical theory that is supposed to appear at the first critical angle was detected by an experiment through which its speed, amplitude, and attenuation rates were measured. Although very low in amplitude, the fast surface wave detected near the first critical angle for a water-aluminium interface. The surface wave was observed to travel at the compressional wave velocity and was less attenuated in its travel than was the pseudo-Rayleigh wave.     

凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射

开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,利用射线近似方法,得到了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上反射和折射后的声场渐近解析表达式,对声波在液固曲面上的反射和折射声场进行了分析和讨论. 利用这个解析表达式,对凹面线性聚焦声场在液固平界面和液固圆柱界面情况下固体中折射纵波和折射横波的相控阵声场进行了分析和讨论,发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果. 关键词： 凹面阵列 超声相控阵 反射与折射     

含气泡液体中的非线性声传播

考虑到分布在液体中的气泡是声波在含气泡液体中传播时引起非线性的一个很重要的因素,本文研究了声波在含气泡液体中的非线性传播.将气体含量的影响引入到声波在液体中传播的方程中,从而得到声波在气液混合物中传播的数学模型.通过对该模型进行数值模拟发现,气体含量、驱动声场声压幅值及驱动声场作用时间均会影响到气液混合物中的声场分布及声压幅值大小.液体中的气泡会"阻滞"液体中声场的传播并将能量"聚集"在声源附近.对于连续大功率的驱动声场来说,液体中的气泡会"阻滞"气液混合物中声场及其能量的传播.     

Borehole guided waves in a non-Newtonian (Maxwell) fluid-saturated porous medium

<正>The property of acoustic guided waves generated in a fluid-filled borehole surrounded by a non-Newtonian (Maxwell) fluid-saturated porous formation with a permeable wall is investigated.The influence of non-Newtonian effects on acoustic guided waves such as Stoneley waves,pseudo-Rayleigh waves,flexural waves,and screw waves propagations in a fluid-filled borehole is demonstrated based on the generalized Biot-Tsiklauri model by calculating their velocity dispersion and attenuation coefficients.The corresponding acoustic waveforms illustrate their properties in time domain.The results are also compared with those based on generalized Biot's theory.The results show that the influence of non-Newtonian effect on acoustic guided wave,especially on the attenuation coefficient of guided wave propagation in borehole is noticeable.     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

Wave diffraction by rough interfaces in an arbitrary plane-layered medium

Abstract

The problem of electromagnetic wave scattering by a slightly rough interface in an arbitrarily layered medium is solved by a small-perturbation method. The bistatic amplitude of scattering as well as the scattering cross sections for statistically rough surfaces are calculated for linear polarized waves. Along with scattering into up-going waves in a homogeneous medium and scattering cross sections in down-going waves into a layered medium, scattering amplitudes from a rough interface in the arbitrarily layered medium are obtained.     

Transient elastic waves in a transversely isotropic laminate impacted by axisymmetric load

A method of reverberation-ray matrix has been extended to the investigation of the field of wave propagation in a transversely isotropic laminate. By using the decomposition in a local coordinate system, any complicated waves can be separated into a departing part and an arriving part, which are expressed in the local scattering matrix at structural interface. Together with the local phase matrix, we obtain a certain wave transmitting from a layer to the neighboring one. Thus, the wave propagation in the whole laminate can be described when assembling the local information with global phase and global permutation matrices. This method is perfectly suitable for evaluating the transient waves involving a large number of generalized-rays. In this paper, the method is applied to laminate made of transversely isotropic material. Numerical results show the influence of the change of thickness and elastic constants of the layers on the wave propagation in laminate.     

Reflection–refraction of attenuated waves at the interface between a thermo-poroelastic medium and a thermoelastic medium

Phenomenon of reflection and refraction is considered at the plane interface between a thermoelastic medium and thermo-poroelastic medium. Both the media are isotropic and behave dissipative to wave propagation. Incident wave in thermo-poroelastic medium is considered inhomogeneous with deviation allowed between the directions of propagation and maximum attenuation. For this incidence, four attenuated waves reflect back in thermo-poroelastic medium and three waves refract to the continuing thermoelastic medium. Each of these reflected/refracted waves is inhomogeneous and propagates with a phase shift. The propagation characteristics (velocity, attenuation, inhomogeneity, phase shift, amplitude, energy) of reflected and refracted waves are calculated as functions of propagation direction and inhomogeneity of the incident wave. Variations in these propagation characteristics with the incident direction are illustrated through a numerical example.