光弹模拟岩石分形节理的抗剪强度

本文用分形维数人为地制成具有分形曲线的节理面以模拟岩石节理粗糙度特征，利用光弹技术测定了分形节理最大剪应力随维数变化的过程．研究表明，岩石分形节理的抗剪强度不会随分维的增加而无限制地增大     

常曲率弯道二维流动稳定性与非线性演化规律分析

国内外对弯曲河流的研究从线性特性转移到不稳定性与非线性特性上来, 弯曲河流作为一个不稳定的系统, 主要是受到水流和边界的不稳定性的影响.针对弯曲河流中存在的水流动力的不稳定性与非线性特征,利用弱非线性理论与摄动法进行展开, 在微弯条件下建立了时间模式下的常曲率 弯道二维水流扰动幅值与扰动幅角的非线性演化方程.研究了在不同弯曲度下的扰动发展特征,探讨了扰动流场在弯曲度影响下的时空分布的规律,分析了扰动流场中出现的扰动漩涡的运动过程, 阐述了弯曲度对弯曲边界内水流不稳定性的影响, 具体表现为在微弯的情况下, 弯道的弯曲度增大会提高河湾内水流的稳定性, 扰动振幅与扰动幅角会随弯曲度的增大其衰减速度更快, 并且扰动流速的对称性在弯曲度较大时减弱, 逐渐向弯道的凸岸偏斜, 在中性状态附近 的弯道水流动力具有对流不稳定性和非线性衰减的特征.本文的研究成果为构建水流动力非线性与床面形态几何非线性相互作用的模型提供了思路.      

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.     

岩体尺度信息提取探索

利用边界检测、直方图滤波等图像处理技术作为对破裂岩体或含节理、裂隙岩体的图像(数码照片)信息处理的基础，建立表征岩体中块度分布的二值化图像，通过对二值化图像的逐行和逐列扫描统计得到岩体块度分布的表征岩体多尺度特征的分维指数和特征块度。     

岩石分形节理粗糙性对应力场影响的光弹模拟研究

节理的粗糙性是影响岩体力学特性的重要因素。现有的众多的研究结果表明：不规则的节理面具有很好的自相似特征，可以用分形几何去描述，节理面的分形维数是表征节理面粗糙度（ＪＲＣ）恰当的统计量。基于以上观点，为了能够精确地控制节理面的粗糙性，本文以Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ函数生成不同分维的分形曲线来模拟实际的粗糙节理面，制成光弹实验试样进行多组的单压和压剪实验，通过光弹条纹和接触点的变化来研究不规则的节理对于岩体变形，应力场的影响，得出了一些有益的结论．     

卸载效应对节理裂隙岩体内应力波能量耗散影响研究

研究了考虑宏观节理卸载效应的节理裂隙岩体内应力波的能量耗散规律,综合分析了细观裂隙和具有不同加卸载变形特性的宏观节理对应力波传播的影响。首先,研究了5种波形入射波(方形波、半正弦波、三角形波、左三角形波和右三角形波)在节理裂隙岩体内的能量透射特性;其次,比较了考虑卸载效应与不考虑卸载效应的应力波能量透射特性的差异;最后,讨论了入射波波形、传播距离和入射波幅值对能量透射系数的影响,并进一步揭示了入射波波形、传播距离和入射波幅值对考虑与不考虑卸载效应的能量透射系数差异的影响。研究结果表明：考虑卸载效应的能量透射系数总是小于不考虑卸载效应的能量透射系数。另外,节理裂隙岩体内方形波的能量透射系数最大,右三角形波的能量透射系数最小;方形波的能量透射系数差异最小,左三角形波的能量透射系数差异最大。能量透射系数随着传播距离的增加而减小,随着入射波幅值的增加而增大;能量透射系数差异随着传播距离的增加而增大,随着入射波幅值的增加而减小。     

节理岩体的分维特征及其工程地质意义

本文用分形理论,对节理网络分布和粗糙度曲线进行分形分析。结果表明,节理的空间分布和粗糙度曲线具自相似性;分维是一个表征岩体强度、岩体损伤程度、岩体质量及节理粗糙程度的几何参数,并可用于评价岩体稳定性、断裂体系活动性及划分风化卸荷带等。     

两条粗糙平行节理构型对超声波波速影响的试验研究

基于图形图像学和分形几何学交叉学科理论,采用图像学中的颜色单元体,借鉴将颜色灰度值间接对应节理面高度值的思想,结合分形布朗函数,本文提出了间接描述节理粗糙度的自仿射维数计算方法——YUV维数法。依据本文提出的方法,计算了24个节理岩石共48个粗糙面的YUV维数,剖析了节理面几何构型的分形特征。采用含两条节理岩石超声波试验,探讨了节理岩石的两条节理YUV维数对超声波波速的影响规律。研究结果表明,超声波波速平均值随着任一节理YUV维数、两条节理维数之和减小而增大。在维数减小过程中,尽管波速持续增加,但波速增大速率逐渐降低。当维数减小至某个量值时,波速不再增大,近似趋于一常量。通过类比分析,文中认为上述结论的机理和原因是:维数由大变小的过程,可类比为节理面孔隙缺陷被逐渐压密且分布越来越规则的过程,因为在此过程中,量化的数值体现就是维数逐渐变小。因而,当维数变小,或者说节理面缺陷孔隙被压密且分布更为规则时,超声波波速将由小变大,且最后将趋于一常数。     

非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现.其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征.研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳.改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

关联表面分形特性的润滑模型

在分配有面粗糙度与材料表面分形特性关系的基础上，将分形特性引入润滑方程，提出了关联表面分形特性的润滑模型，并分析了润滑模型中压力流量因子和剪切流量因子与表面分形维数之间关系。计算结果表明：在相同分形维数（D）下，随着微突体纵横比v的增大，压力流量因子和剪切流量因子相应增大，且其随分形维数D的变化同随油膜粗糙度比H的变化相比呈现出更强的不规则特性，出现局部最大和最小值，并且分辨率较高。     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

A plane turbulent wall jet on a fully rough surface

The mean velocity field and skin friction characteristics of a plane turbulent wall jet on a smooth and a fully rough surface were studied using Particle Image Velocimetry. The Reynolds number based on the slot height and the exit velocity of the jet was Re = 13,400 and the nominal size of the roughness was k = 0.44 mm. For this Reynolds number and size of roughness element, the flow was in the fully rough regime. The surface roughness results in a distinct change in the shape of the mean velocity profile when scaled in outer coordinates, i.e. using the maximum velocity and outer half-width as the relevant velocity and length scales, respectively. Using inner coordinates, the mean velocity in the lower region of the inner layer was consistent with a logarithmic profile which characterizes the overlap region of a turbulent boundary layer; for the rough wall case, the velocity profile was shifted downward due to the enhanced wall shear stress. For the fully rough flow, the decay rate of the maximum velocity of the wall jet is increased, and the skin friction coefficient is much larger than for the smooth wall case. The inner layer is also thicker for the rough wall case. The effects of surface roughness were observed to penetrate into the outer layer and slightly enhance the spread rate for the outer half-width, which was not observed in most other studies of transitionally rough wall jet flows.     

结合面静摩擦因数分形模型的建立与仿真

提出一个确定分形维数和分形粗糙度参数(G')的分形函数,并用分形函数逼近结合面的表面粗糙度.根据分形理论和改进后的尺寸分布,推导了静摩擦因数f的解析解.数字仿真结果表明,f随量纲为一的总法向载荷(P')增加而增加.当D较小或较大时,f与(P')之间存在不同的微凸和微凹弧非线性关系,D=1.2时f与(P')的关系基本上是线性的;当D较小时,f随D增加而增加;当D较大时,f随D增加而减小;f随分形粗糙度参数(G')增加而减小,随相关系数K增加而增加,随材料特性(φ)增加而增加.     

基于分形理论的双渐开线齿轮接触应力研究

综合考虑接触面粗糙度、材料特性等因素对齿轮接触应力的影响,基于分形理论和经典Hertz接触理论建立双渐开线齿轮分形接触模型. 该模型中,影响载荷和实际接触面积的主要因素包括分形维数、粗糙度幅值和材料特性参数. 理论分析表明:分形维数一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,接触面积随着粗糙度幅值的增大而减小;随着材料特性参数值的增加,在一定程度上加强了软材料轮齿承载能力,同时会使得微凸体由弹性变形到塑性变形的临界面积减小. 对比分形接触模型和有限元模型两种计算双渐开线齿轮轮齿接触应力方法,结果证明了分形接触模型计算双渐开线齿轮接触应力的有效性.      

A fractal analysis of subcooled flow boiling heat transfer

A fractal model for the subcooled flow boiling heat transfer is proposed in this paper. The analytical expressions for the subcooled flow boiling heat transfer are derived based on the fractal distribution of nucleation sites on boiling surfaces. The proposed fractal model for the subcooled flow boiling heat transfer is found to be a function of wall superheat, liquid subcooling, bulk velocity of fluid (or Reynolds number), fractal dimension, the minimum and maximum active cavity size, the contact angle and physical properties of fluid. No additional/new empirical constant is introduced, and the proposed model contains less empirical constants than the conventional models. The proposed model takes into account all the possible mechanisms for subcooled flow boiling heat transfer. The model predictions are compared with the existing experimental data, and fair agreement between the model predictions and experimental data is found for different bulk flow rates.     

The effects of surface roughness geometry of flow undergoing Poiseuille flow by molecular dynamics simulation

Numerical simulation of Poiseuille flow of liquid Argon in a rough nano-channel using the non-equilibrium molecular dynamics simulation is performed. Density and velocity profiles across the channel are investigated in which roughness is implemented only on the lower wall. The Lennard–Jones potential is used to model the interactions between all particles. The effects of surface roughness geometry, gap between roughness elements (or roughness periodicity), surface roughness height and surface attraction energy on the behavior of the flow undergoing Poiseuille flow are presented. Results show that surface shape and roughness height have a decisive role on the flow behaviors. In fact, by increasing the roughness ratio (height to base ratio), the slip velocity and the maximum velocity in the channel cross section are reduced, and the density fluctuations near the wall increases. Results also show that the maximum density near the wall for a rough surface is less than a smooth wall. Moreover, the simulation results show that the effect of triangle roughness surface on the flow behavior is more than the cylindrical ones.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷,得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌,引入分形几何定量计算断口面粗糙度;结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理,分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大;不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化;从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响,对于层理倾角为0°的试样,强度由岩石基质控制,但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响;对于层理倾角为22.5°的试样,强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制;对于层理倾角为45°~67.5°的试样,强度与裂纹走向受层理弱面控制;而对于层理倾角为90°的试样,动态抗压强度受岩石基质的影响较大,在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹,导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

Experimental studies on particle behaviour and turbulence modification in horizontal channel flow with different wall roughness

Detailed measurements in a developed particle-laden horizontal channel flow (length 6 m, height 35 mm, the length is about 170 channel heights) are presented using phase-Doppler anemometry for simultaneous determination of air and particle velocity. The particles were spherical glass beads with mean diameters in the range of 60 µm-1 mm. The conveying velocity could be varied between about 10 m/s and 25 m/s, and the particle mass loading could reach values of about 2 (the mass loading is defined as the ratio of particle to gas phase mass flow rates), depending on particle size. For the first time, the degree of wall roughness could be modified by exchanging the wall plates. The influence of these parameters and the effect of inter-particle collisions on the profiles of particle mean and fluctuating velocities and the normalised concentration in the developed flow were examined. It was shown that wall roughness decreases the particle mean velocity and enhances fluctuating velocities due to irregular wall bouncing and an increase in wall collision frequency, i.e. reduction in mean free path. Thereby, the larger particles are mainly more uniformly distributed across the channel, and gravitational settling is reduced. Both components of the particle velocity fluctuation were reduced with increasing mass loading due to inter-particle collisions and the momentum loss involved. Moreover, the effect of the particles on the air flow and the turbulent fluctuations was studied on the basis of profiles in the developed flow and turbulence spectra determined for the streamwise velocity component. In addition to the effect of particle size and mass loading on turbulence modulation, the influence of wall roughness was analysed. It was clearly shown that increasing wall roughness also results in a stronger turbulence dissipation due to two-way coupling.