钻井式煤炭地下气化技术的发展及关键力学问题

煤炭地下气化技术是有希望解决我国能源危机的重要手段之一,是煤炭资源高效清洁利用的有效手段之一,是拓展天然气资源实现战略资源接替的有效方法之一.本文通过调研国内外煤炭地下气化技术,将煤炭地下气化技术分为两类,即钻井式技术和巷道式技术,并重点叙述了钻井式煤炭地下气化技术开发模式.钻井式煤炭地下气化技术的发展可分为4个阶段:...     

煤炭地下气化腔CO2埋存的研究进展及发展趋势

CO₂捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO₂气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO₂埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO₂运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO₂与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO₂气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家...     

岩土力学近期发展浅议

本文对岩土力学研究中的几个主要方面作了简要的介绍与讨论,包括岩土介质的本构关系、 岩体断裂性质、节理与层面问题、现场测试、室内试验有待解决的问题、岩土介质与上部结构物的共同作用、环境岩土力学与工程、数值分析与计算机辅助设计以及岩土力学与工程中的不确定性问题.文中还对学科发展与工程应用、数值计算与数值模拟、研究方法与技术途径、新领域与学科之间的相互渗透以及岩土力学与工程当前的有利与不利之处分别作了简要的说明与讨论.     

数值流形方法及其在岩石力学中的应用

数值流形方法是目前岩石力学分析的主要方法之一.该方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域.数学网格被用来建立数学覆盖,数学覆盖与物理网格的交集定义为物理覆盖,由物理覆盖的交集形成流形单元.流形方法的优点在于它使用了独立的数学和物理网格,具有和有限元明显不同的定义形式,且数学网格对于同一问题不同的求解精度的需求可以很方便地细化.由于该方法考虑了块体运动学,可以模拟节理岩体裂隙的开裂和闭合过程,因而在岩石力学中得到了广泛应用,近年来许多学者对该方法进行了研究.本文简要叙述了节理岩体的数值方法从连续到非连续的发展过程,详细地介绍了数值流形方法的组成和数值流形方法在岩石力学及其相关领域的研究和发展概况,最后就作者所关心的一些问题,如三维问题的数值流形方法、数值流形方法在物理非线性问题和裂纹扩展问题中的应用、相关的耦合方法等进行了探讨.      

纳米力学的数值模拟方法

纳米力学是一支新兴学科,主要研究100nm以下尺度上物质的行为和变化规律.物质在纳米尺度上所具有的特殊效应如量子效应、微尺度效应等导致了其特异的性能和行为.人们对纳米力学行为的认识,目前主要通过试验观测和数值模拟等方法.本文概要回顾了分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等纳米力学计算方法的研究进展及现状,提出了以量子力学为基础、多学科交叉、多层次融合发展纳米力学研究方法的构思,并对纳米力学研究方法所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.      

静电纺丝装置及其力学机理研究进展

纳米纤维具有高比表面积,在能源、环境和航天等领域具有巨大应用前景。静电纺丝是生产纳米纤维最方便、最直接和最经济的方法之一,其力学机理的研究作为解决静电纺纳米纤维瓶颈问题的关键一直受到各相关领域的关注。本文详细介绍了各类静电纺丝装置及其机理研究的进展,重点介绍了纺丝过程中射流的力学机理研究及需要解决的瓶颈问题,总结了纺丝过程中射流力学模型的发展现状及其数值模拟研究,展望了数值方法在静电纺丝领域的发展前景。     

强夯处理高填方的大变形有限元数值模拟

根据强夯处理高填方时土体存在局部大变形的特点,运用非线性有限元理论,导出弹塑性大变形有限元动力平衡方程,对高填方强夯处理进行数值模拟,得到夯坑形状、土体应力变化及塑性区演化等结果.研究表明,采用弹塑性大变形有限元动力分析方法模拟高填方的强夯处理过程是可行的,其力学分析与传统方法相比更加精细,模型更加符合强夯加固的实际特征,数值模拟结果与现场试验吻合较好,对强夯加固机理研究和工程实践具有较高的参考价值.     

弯曲烟云的抬升模式和风洞实验相似准则

随着工业的发展,大气污染问题日益为人们所重视。为探索污染物的排放、扩散等规律,人们在现场实测、数值计算和风洞模拟三方面进行了大量的工作。现场实测要耗费大量人力物力财力,因而风洞模拟试验成了揭示某些大气扩散规律不可缺少的手段。特别是第50次欧洲力学会议各国科学家共同商讨后,风洞在解决大气边界层的模拟和污染扩散等问题的地位得以确立,环境风洞在各国得到了进一步的发展,显示了它在流体力学中的特殊地位。      

第四届全国环境力学研讨会简介

由于社会与经济可持续发展的重要需求,近年来环境力学研究得到迅速发展,成为力学学科一个新的重要生长点.     

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气。页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域。尽管北美页岩气革命取得了成功,但目前仍仅有预期产量5~15%的油气采收率,问题出在什么地方？水力压裂被认为是提高采收率的关键一环,但水力压裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理尚不清楚,这给力学家提出了巨大的挑战和机遇。结合本课题组近期研究成果,本文从理论、计算和实验三个方面对页岩水力压裂中的关键基础力学问题进行介绍和总结。主要内容包括发展页岩人工裂缝扩展的大型物理模型实验,建立页岩本构模型和断裂力学理论,发展耦合断裂力学和流体力学的裂缝网扩展数值模拟方法。页岩水力压裂研究对发展断裂力学的实验技术、理论模型和数值模拟方法起到推动作用,对提高我国页岩气高效开采技术具有重要意义。     

Numerical investigation on cold flow dynamics of supercritical water fluidized bed reactor with inclined distributor: Design and scale up

Supercritical water fluidized bed reactor (SCWFBR) is a novel concept for the gasification of coal and biomass to produce hydrogen. In this work, to enhance the mixing in the axial direction, an inclined distributor is introduced to optimize the flow dynamics in SCWFBR with partitioned fluid supply. Through numerical simulations based on the two fluid model (TFM), the effects of the inclined distributor structure and operating parameters on the solid distribution and the residence time are evaluated with the optimal values determined. Numerical results show that, area ratio = 2:1, SCW velocity ratio = 3:1, flow ratio = 3.36:1 and inclination angle = 20° are the optimal design in this paper. A predictive correlation of the minimum fluidization velocity for the improved SCWFBR is also proposed based on the numerical data. The average error between the correlation and numerical simulation results is approximately 1.4% which strongly demonstrates its capability. Finally, based on the optimal design, the lab-scale reactor is further scaled up and the studies about two scale-up rules are carried out. Only the cold flow is simulated in this study without considering chemical reaction which would be involved in future work.     

利用结构基因法研究非线性周期性板结构的等效力学性能

非线性周期性板结构是一类在智能复合材料领域具有巨大应用潜力的结构,因其构成材料的非线性特性,以及结构中经常包含增强纤维、肋板和空洞等复杂微结构导致的材料几何非线性,利用常规的有限元方法进行建模和分析较为困难.本文提出了一种结构基因法,通过提取非线性周期性板结构的最小模型单元作为其结构基因,将异质周期性板结构等效为均质板结构,便捷地求解了非线性周期性板结构的微观力学性能和整体等效力学性能.算例表明,结构基因方法可用来分析复杂非线性复合材料结构问题,计算结果精度足够,为复合材料微观力学研究提供了有价值的参考.     

弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题

为了实现核能的可持续发展,需要研发第四代先进核能系统,其同时具有高安全性、高经济性、核废料最小化和防核扩散的特点．加速器驱动的次临界系统（Accelerator-driven Subcritical System, 简称ADS）是具有上述特点的一种先进核能系统,弥散核燃料在其中具有良好的应用前景．弥散核燃料是一种非均质核燃料,在结构上类似于颗粒复合材料,也称为惰性基体燃料．本文主要针对ADS用弥散核燃料,给出其在反应堆高温、高压和辐照环境中的关键力学问题,阐述其所具有的多尺度和多场耦合特征,介绍在理论建模和数值求解等方面的相关研究进展,并提出研究展望．     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要集中在两个方面:实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该项研究的发展趋势.      

A quadratic programming formulation for the solution of layered elastic contact problems: Example applications and experimental validation

The development of a quadratic programming formulation for the solution of layered elastic contact problems in the presence of friction is presented in this paper. Conveyor belts, tyred wheels, composite cylinders, and conrod bearings, are classical examples of systems which can be studied using the efficient numerical methodology proposed here. In this type of mechanical assembly, micro-slip between the mating surfaces often occurs and may eventually lead to system failure. Accurately capturing the evolution of slip and stick areas using a computationally inexpensive procedure (as an alternative to full finite element analysis) is therefore key to preventing these failures and to improving the design of various engineering components.The proposed approach is first tested and validated against classical marching-in-time solutions for two-dimensional layered systems in the presence of both static and moving loads. Results are then extended to demonstrate the feasibility of the technique to study systems with multiple slip regions and to solve rolling contact problems of practical interest. Finally, the numerical methodology is successfully applied to the prediction of frictional creep of tyred cylinders. Experimental corroboration has been obtained by testing tyred discs.     

海洋电缆中关键力学问题的研究进展与展望

海洋能源是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋电缆是连接海洋能源生产系统各设施的能源传输、生产控制的关键装备之一, 被誉为海洋能源开发的“生命线”. 如何设计海洋电缆能够抵抗极端海洋灾害, 同时满足安装、服役中弯曲柔顺性的要求, 实现“刚柔并济”的结构性能, 是海洋能源开发领域亟待解决的核心难题. 本文围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点, 全面总结了海洋电缆设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展. 首先, 针对海洋电缆结构的理论分析, 阐述了拉伸、扭转和弯曲刚度的基本理论以及拉扭耦合和非线性弯曲行为研究进展. 其次, 介绍了数值仿真方法在海洋电缆工程中的应用, 特别介绍了海洋电缆数值分析专业软件方面的研究成果. 再次, 探讨了海洋电缆多场耦合分析、结构优化设计和疲劳寿命的计算方法. 最后详细介绍了海洋电缆结构的实验测试技术和测试装备. 本文通过对海洋电缆研究方法和研究热点的详细综述, 揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点, 并展望了海洋电缆未来发展的主要技术需求和研究方向. 上述工作对海洋电缆在我国海洋油气能源开发中的高可靠性工程应用提供了基础理论和技术参考.      

数据驱动梯度结构材料弹塑性本构

梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中.论文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法.该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型.应用该方法,论文开展了针对实际...     

A non-iterative transformation method for Blasius equation with moving wall or surface gasification

We define a non-iterative transformation method for Blasius equation with moving wall or surface gasification. The defined method allows us to deal with classes of problems in boundary layer theory that, depending on a parameter, admit multiple or no solutions. This approach is particularly convenient when the main interest is on the behaviour of the considered models with respect to the involved parameter. The obtained numerical results are found to be in good agreement with those available in the literature.