变刚度梁柱理论及其应用

为解决井斜控制实践中存在的不等截面尺寸梁柱问题, 讨论了典型的变刚度纵横弯曲梁力学 模型. 根据变刚度梁柱变形的挠曲线微分方程和边界条件及连续条件, 得到了梁柱变形和端 部转角的解析计算式, 进而应用梁柱理论叠加原理可解决有集中力作用下的井下控制工具和 带变径稳定器的底部钻具组合(BHA)受力分析问题. 变刚度梁柱理论在BHA力学分析中得到了 成功应用, 为井下控制工具设计、钻具组合优化及井斜控制提供了理论依据.     

不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移

利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.      

主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

旋转导向钻具组合力学分析

旋转导向系统代表了当今定向钻井的先进水平,是井眼轨道控制技术的发展方向. 为了解决旋转导向钻井轨道控制问题,进行了旋转导向钻具组合(rotary steering bottom hole assembly, RS-BHA) 力学分析. 应用纵横弯曲法建立了典型的柔性RS-BHA 三维力学分析模型,得到了钻头侧向力和导向参数间的相互关系,进而根据极限曲率法可预测旋转导向工具的造斜能力,并计算设计井眼轨道需要的导向参数. 通过力学分析,可以优化RS-BHA,了解井眼轨道控制规律,为旋转导向工具设计和定向钻井自动控制提供理论依据.     

粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

基于热老化实验的螺杆马达定子橡胶本构模型研究

随着我国油气资源勘探开发向深部地层迈进,螺杆钻具定子橡胶井下高温热老化问题日益凸显,导致螺杆钻具输出性能衰减,严重影响钻进效率,迫切需要揭示热老化对螺杆钻具定子橡胶力学性能的影响,以在设计之初提出可减小螺杆钻具输出性能衰退的综合方案。本文开展了螺杆马达定子橡胶在不同温度下的热老化实验,通过拉伸实验得出应力应变数据并拟合出Mooney-Rivlin模型常数和Yeoh模型常数;再对所得实验数据及所求得的模型常数数据进行分析;最后,使用确定了基本常数的模型开展了数值计算。计算结果表明,随着温度的上升,Mooney-Rivlin模型常数C_1增大、C_2减小,C_1和C_2呈明显相反变化的趋势,Yeoh模型常数C_(10)和C_(20)增大,C_(30)减小;通过模型计算结果与室内实验测定结果的对比,证明了Mooney-Rivlin模型较Yeoh模型更适合于螺杆马达定子橡胶的力学分析。不考虑环境温度热老化和考虑环境温度热老化,螺杆钻具定子衬套的计算结果存在很大差别,研究工作不仅证明了螺杆钻具定子橡胶热老化研究的必要性,更为螺杆钻具定子橡胶的线型设计和过盈量选取提供了参考。     

基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究

提出了一种可用于研究压剪复合加载下, 材料动态力学性能的实验装置, 该装置基于Hopkinson压杆, 通过添加一个带倾斜端面的垫块, 实现压剪复合加载.分析了该实验装置的基本数据处理方法, 并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性;然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度, 不同倾斜角度(0$^\circ$,30$^\circ$, 45$^\circ$)下的一系列实验. 实验结果表明, 该装置能实现压剪复合加载, 并且能得到材料的动态屈服面, 为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法.      

石油钻井底部钻具组合大挠度三维分析

精确描述了石油钻井底部钻具组合在三维弯曲井眼中的变形约束条件及边界条件，应用加权余量法，对底部钻具组合静力大挠度问题进行了三维分析研究，并编写了相应的计算机分析程序。该程序可以在普通微机上运行，能迅速模拟计算底部钻具组合任一点的挠度、转角和内力，同时求得钻头对地层的机械作用力和偏转角。通过算例分析，本文初步阐明了井眼曲率及方程中的非线性项对钻头力学特性的影响效果。     

旋转导向系统底部钻具组合力学计算新方法

底部钻具组合(Bottom Hole Assembly, BHA)的力学计算是进行旋转导向系统钻具组合设计和井眼轨迹控制的基础．本文在纵横弯曲法、加权余量法和有限元法的基础上,提出了一种基于管柱单元组合的BHA力学求解方法．该方法以保持微分方程特解相同的条件作为管柱单元划分依据,对底部钻具组合进行单元划分;将管柱单元的挠曲线通解替代传统加权余量法的试函数,结合单元节点类型和组合关系,构建出包含边界条件和通解系数的线性方程组．对于边界条件未知问题,以支点反力符号条件为约束条件,以挠曲线越界程度、切点处弯矩平衡条件为目标函数,建立了以边界条件未知量为变量的多目标优化数学模型．应用多目标优化算法求解出边界变量,进而得出通解系数;最后,得出管柱单元内各点位移和载荷．以推靠式旋转导向系统BHA力学计算为案例,对比本文方法与加权余量法的计算结果,发现两者计算结果相差较小,表明本文方法可用于旋转导向系统底部钻具组合的力学计算．     

Active control of flow past an elliptic cylinder using an artificial neural network trained by deep reinforcement learning

The active control of flow past an elliptical cylinder using the deep reinforcement learning (DRL) method is conducted. The axis ratio of the elliptical cylinder $\Gamma$ varies from 1.2 to 2.0, and four angles of attack $\alpha=0^\circ, 15^\circ, 30^\circ$, and $45^\circ$ are taken into consideration for a fixed Reynolds number $Re=100$. The mass flow rates of two synthetic jets imposed on different positions of the cylinder $\theta_1$ and $\theta_2$ are trained to control the flow. The optimal jet placement that achieves the highest drag reduction is determined for each case. For a low axis ratio ellipse, i.e., $\Gamma=1.2$, the controlled results at $\alpha=0^\circ$ are similar to those for a circular cylinder with control jets applied at $\theta_1=90^\circ$ and $\theta_2=270^\circ$. It is found that either applying the jets asymmetrically or increasing the angle of attack can achieve a higher drag reduction rate, which, however, is accompanied by increased fluctuation. The control jets elongate the vortex shedding, and reduce the pressure drop. Meanwhile, the flow topology is modified at a high angle of attack. For an ellipse with a relatively higher axis ratio, i.e., $\Gamma\ge1.6$, the drag reduction is achieved for all the angles of attack studied. The larger the angle of attack is, the higher the drag reduction ratio is. The increased fluctuation in the drag coefficient under control is encountered, regardless of the position of the control jets. The control jets modify the flow topology by inducing an external vortex near the wall, causing the drag reduction. The results suggest that the DRL can learn an active control strategy for the present configuration.     

锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载

通过风洞模拟实验，研究了在锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载的特性. 针对一个立方体形模 型，给出了在不同风向角下压力分布的系统结果，进而分析了产生这样结果的原因和流动机 理，以及建筑物顶面的分离流动结构随风向角改变而改变及其演化过程，并指出锥形涡的出 现是建筑物顶面局部出现峰值负压的主要原因. 实验结果还显示，在一定风向角下，由于分 离流动产生的锥形涡结构在屋顶局部可以诱导出时均负压峰值达$-1.0$以上；在风向角 $\beta =30^\circ$时，锥形涡强度达到最大，其诱导的顶面附近局部时均负压峰值可 达$-2.4$, 瞬时风压达$-5.7$以上，是导致建筑物屋顶在强风下损坏的根本原因.     

含缺陷钢丝多道次拉拔模拟及工艺参数优化

利用有限元软件ABAQUS建立了含缺陷热轧盘条多道次拉拔的分析模型, 研究了道次压缩率、模具顶角和裂纹长度对拉丝安全性的影响,以减少断丝率为目标探讨 道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式. 研究结果表明：模具顶角相同时,COD值和$J$积分 值均随着裂纹尺寸的增加而增大;裂纹长度一定时,最佳入线直径随着模具顶角的增加而增 大;最佳模具顶角应在4°- 8°之间. 利用有限元方法和断裂力学理论模拟含缺陷的热轧盘条经过多道次拉丝成型的过程,建立了钢丝经过多道次拉拔模具发生拉拔变形的分析模型,用模拟方法重点研究了道次压缩率、模具顶角以及裂纹长度对拉丝安全性的影响,以减少断丝率为目标探讨道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式;研究结果表明：模具顶角相同时,随着裂纹尺寸的增加,J积分值随之增大;裂纹长度一定时,随着模具顶角的增加,入线直径的条件最佳值也在增大;最佳模具顶角的范围应在4°－8°之间。在拉拔前应对线材进行无损探伤从而控制裂纹长度,提高线材使用率和成品质量。研究结果对进一步优化拉丝工艺参数和改进成品PC钢绞线质量提供了有价值的理论指导。     

超音速气流粉碎喷嘴数值模拟

对气流粉碎装置的喷嘴结构和参数进行设计与优化,采用流体动力学软件对所设计喷嘴进行流场模拟,对所喷嘴效果进行检验。分别讨论了锥顶角和内腔造型对超音速喷嘴性能的影响,通过结果比较得出,入口压力3.5MPa、入口直径为6mm的喷嘴为设计的最佳喷嘴。超音速喷嘴锥顶角在8度到12度之间变化时,对喷嘴的性能影响不大,内腔造型为光滑曲面的超音速喷嘴性能最佳。     

Newtonian variational problems for nonshallow bodies

On the basis of the analysis of variational problems in which the Newton formula is used to calculate the pressure, it is shown that: 1) the laws of variation with length of the areas of the cross sections of axisymmetric bodies and bodies whose cross sections have the form of regular polygons are identical; 2) the law of variation of the radius of the body of minimum drag along its length depends on the magnitude of the specified base radius or body volume. In spite of the indeterminacy of the applicability conditions, the Newton law for the pressure on the surface of a body moving at hypersonic speed

$$p = \rho _\infty V_\infty ^2 , \sin ^2 \alpha $$