含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测. 2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.     

基于特征正交分解的一类瞬态非线性热传导问题的新型快速分析方法

提出了一种基于特征正交分解(POD)和有限元法的瞬态非线性热传导问题的模型降阶快速分析方法, 建立了导热系数随温度变化的一类瞬态非线性热传导问题有限元格式的POD降阶模型. 在隐式时间推进方法的基础上有效结合单元预转换方法和多级线性化方法发展了一种加速求解瞬态非线性热传导降阶模型的新型计算方法,并通过二维和三维算例验证了该方法的准确性和高效性. 研究结果表明: (1)降阶模型解的均方根误差在经过初始时段轻微的脉动后稳定于0.01%以下, 而其计算效率比有限元全阶模型提高2$\sim $3个数量级, 并且自由度数量(DOFs)愈大提高的幅度也愈加显著; (2)新型算法解决了常规算法在计算非线性降阶模型时加速性能差的问题, 即使是在DOFs比较小的时候也能够明显提高计算效率; (3)常数边界条件下得到的POD模态可以用来建立相同求解域在各种复杂时变边界条件下的瞬态非线性热传导降阶模型, 并对其传热过程和温度场进行快速准确的分析与预测, 具有很好的工程应用价值.      

基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.      

结构冲击畸变问题的直接相似方法研究

结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变,通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿.然而传统的修正方法,存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷,因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用.本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法.它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,直接获得了修正速度或修正密度的比例因子,完成了比例模型与原型的动态相似关系.基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型,研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用.并通过受质量冲击的折板结构算例,验证了直接相似方法的有效性.分析表明,本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应,不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性,具有直接、高效、通用的特点.此外,动态相似关系的最佳逼近效果,受材料应变率敏感性特征参数控制,屈服应力、密度和参考应变率影响不大;当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近,可获得最佳逼近.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点.本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型.根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解.结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况.结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.     

土体的本构模型和超重力物理模拟

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.      

基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.      

随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.      

隔水管弯曲对钻柱振动影响的计算与分析

海洋油气资源钻探中隔水管的弯曲对钻柱振动以及钻进特性有特别的影响。为得到隔水管弯曲对钻柱振动的影响规律,对南海已钻深水井使用非线性有限元软件建立全井钻井数值计算模型,研究获得了不同垂深时隔水管弯曲对钻柱振动特性的影响规律。研究表明:隔水管弯曲会加剧钻柱的振动,钻柱振动加剧会导致钻井能耗上升、钻头切削能力下降并且会加快钻柱疲劳;当隔水管的弯曲达到某临界值,钻柱与隔水管间的接触力会陡增;井口的钩载越大,隔水管弯曲带来的井口钩载波动量越大;井越深,隔水管弯曲对全井钻柱最大弯矩和钻头切削能力的影响越小。