热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明：(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,...     

海陆过渡相煤系页岩的渗流特征

利用脉冲衰减渗透率仪,测试了海陆过渡相煤系页岩在储层条件、不同应力状态下的渗透率,得到了渗透率随有效应力的演化规律,对比分析煤系页岩和美国Wilcox页岩的渗透率。结果表明:当围压为常数(17MPa),有效应力从12.5MPa降至2.0MPa时,煤系页岩的渗透率范围为2.9×10-19~5.7×10-18 m2,比Wilcox页岩的渗透率高2~3个数量级。根据外部围压pc和内部孔隙压力pp定义有效应力σe=pc-χpp,有效应力系数χ约为1。渗透率试验数据的拟合结果显示,煤系页岩和Wilcox页岩的渗透率随有效应力、围压(常孔隙压力)和孔隙压力(常围压)按指数函数变化。     

退火铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟研究

通过综合考虑沉淀动力学和动态应变时效机理，建立了一套具有明确物理内涵的唯象本构模型.并在对不同加载应变率下的单轴拉伸实验的数值模拟中，得到了3种类型的Portevin-Le Chatelier效应应力曲线.计算结果与实验数据的较好吻合，验证了该模型的有效性. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 动态应变时效 数值模拟     

单轴应变硅nMOSFET栅隧穿电流模型

本文基于量子机制建立了单轴应变硅nMOSFET栅隧穿电流模型,分析了隧穿电流与器件结构参数、偏置电压及应力的关系.仿真分析结果与单轴应变硅nMOSFET的实验结果符合较好,表明该模型可行.同时与具有相同条件的双轴应变硅nMOSFET的实验结果相比,隧穿电流更小,从而表明单轴应变硅器件更具有优势.该模型物理机理明确,不仅适用于单轴应变硅nMOSFET,只要将相关的参数置换,该模型也同样适用于单轴应变硅pMOSFETs. 关键词： 单轴应变 nMOSFET 栅隧穿电流 模型     

某PBX炸药的动态力学性能研究

 PBX炸药作为现代武器的主装药,它的力学行为决定着武器的生存能力。为了研究PBX炸药的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）作为加载手段,结合半导体应变片测试技术和压电晶体监测技术,保证了实验数据的有效性。利用SHPB加载波整形技术,实现了材料两端应力平衡和常应变率加载,得到了不同应变率（90~410 s^-1）下材料的应力-应变曲线。根据材料的模量、破坏强度和破坏应变随应变率的变化规律,采用粘性修正的Sargin模型,得到了该PBX炸药在单轴压缩下的唯象本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好。     

考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型

采用MTS材料试验机研究了不同密度(0.322~0.726g/cm~3)的闭孔泡沫铝在温度范围25~500℃下的准静态压缩力学性能,得到了泡沫铝在不同温度下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了密度以及温度对其力学行为的影响。利用Liu和Subhash提出的本构模型对不同密度泡沫铝的应力-应变曲线进行拟合,分析并确定了模型中各参数随密度变化的函数,再代入Liu-Subhash模型,得到了泡沫铝的准静态压缩本构模型。通过引入温度软化项对准静态压缩本构模型进行修正,建立了考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型,对闭孔泡沫铝的工程应用具有指导意义。     

煤层中封存CO2的流-固-热耦合数值模拟研究

为了研究CO_2煤层封存过程中注气量和煤层渗透率的变化规律,分析不同煤层特征参数对注气效率的影响,利用岩石力学、渗流力学、传热学相关理论,基于煤体双重孔隙结构特征,建立CO_2煤层封存的流-固-热耦合模型,进行CO_2煤层封存数值模拟。结果表明:CO_2注入煤层的速率遵循着"初始阶段迅速减小,随后基本稳定"的规律,注入速率的大小与煤层初始压力、初始温度成反比,与初始渗透率成正比;在煤层注入CO_2的过程中,由于气体压力升高、温度降低引起的收缩应变大于吸附应变,在注气压力增高区内煤体基质系统和裂隙系统的渗透率不断增大,且裂隙渗透率受注气影响更明显。     

不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟

动态应变时效,即位错和溶质原子的动态交互作用,对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙特卡罗方法,建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型,分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下,低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉,高应力率时位错未被钉扎而一直运动,只有在适当应力率范围内,位错才呈现出反复的钉扎和脱钉;多位错-无应力时,溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚;多位错-恒定应力时,位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小;多位错-恒定应力率时,集群化的钉扎和脱钉过程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明：“位错-溶质原子”尺度上呈现了动态应变时效微观过程,与其理论描述相一致. 关键词： 动态应变时效 动力学模型 位错运动     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

单泡超声空化仿真模型的建立及其动力学过程模拟*

为了模拟单泡超声空化的动力学特性,建立了单泡超声空化的有限元仿真模型,基于流体动力学控制方程和流体体积分数模型,利用有限元分析软件模拟了超声驱动下水中单泡的空化动力学过程。结果表明:单泡随时间的演化规律是先缓慢膨胀到最大后迅速塌缩;泡内压强与气体密度变化与单泡体积变化成反比;在膨胀阶段,泡外压强与气体密度沿着泡的径向向外递减;在压缩阶段,泡外在声压垂直方向的压强与气体密度要大于声压激励方向的压强和气体密度。该文分析结果将为超声空化动力学过程模拟及研究提供参考。     

气侵期间环空气液两相流动研究

本文建立了描述钻井气侵期间井眼气液两相流偏微分方程组,该方程组既考虑了不同渗透率的储层与储层钻开不同厚度下的气体侵入井眼情况,也给出了这种情况下该偏微分方程组的求解方法。利用实验数据进行了模拟,揭示了环空气液两相流型与流动参数变化特征,据此,能够为安全有效地井控提供理论基础。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

[110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型

本文首先讨论了在沿[110]方向的单轴应力对体Si材料能带结构参数的影响,在此基础上计算出单轴应变Si中平衡载流子浓度,给出了物理意义明确的导带、价带有效态密度的表达式.最后,结合有效态密度和禁带宽度的表达式,建立了[110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型.本文的研究方法亦适用于建立(001)面任意应力方向上的应变Si本征载流子浓度模型,并为相关单轴应变Si器件的设计、建模以及仿真提供了一定的理论参考. 关键词： [110]/(001)单轴应变Si 有效态密度 本征载流子浓度     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

应变率和孔隙率对规则多孔钛压缩力学性能的影响

采用普通材料测试机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对孔隙规则排布的多孔钛试样进行准静态及动态单轴压缩实验,研究了应变率和孔隙率对多孔钛材料弹性模量、屈服强度和能量吸收能力的影响。结果表明:在不同应变率下,规则多孔钛应力-应变曲线在特定区域均可近似为双线性模型;孔隙率对弹性模量、屈服强度和能量吸收能力有直接影响,屈服强度和能量吸收能力均与应变率相关,并给出了同时考虑孔隙率和应变率对屈服强度影响的经验公式。     

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.     

一种新的概念性层裂模型

 在重建Cochran-Banner模型的基础上提出了一种新的概念性层裂模型。这种新模型仅保留Cochran-Banner模型中的强度函数,重新定义损伤,并抛弃了基本假设：一旦微损伤形成,使微损伤演化远远易于使固体进一步体积应变,进而修正了差分微元中固体比容的计算。在新的模型中,一旦拉伸应力达到层裂强度,重新定义的损伤将由强度函数确定的应力松弛方程、计及损伤的能量守恒方程、状态方程以及本构方程等一系列封闭方程组确定。新模型中也仅包含两个参数：层裂强度及临界损伤度,它们的确定能使在一定初、边值条件下的层裂试验的数值计算结果与实验测得的靶自由面速度历史或靶-低阻抗界面应力历史以及回收观测的层裂面上的损伤一致。强调指出,选定强度函数或应力松弛方程提供了确定损伤的可能,同时排除了任何外加的损伤演化方程。     

正交各向异性材料的三维动态本构模型及其在脉冲X射线热击波模拟中的应用

基于三维应变条件下的应力-应变关系,利用Grüneisen物态方程、PUFF物态方程以及Tsai-Hill屈服准则和Johnson-Cook强度模型,建立了正交各向异性复合材料的三维动态本构模型。在此基础上,对一种碳酚醛材料在高能脉冲X射线辐照下所产生的热击波传播现象进行了三维模拟,得到了热击波模拟结果,并将各向异性本构模型与各向同性本构模型的模拟结果进行对比。分析表明,各向异性本构模型不仅反映了固体材料各向异性的特点,而且还能描述材料转变为气体后的动力学行为。模型的建立为各向异性复合材料在脉冲辐照环境下的应用打下重要的理论基础。     

PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。