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关键词： 裂隙长短轴   数值模拟   波速  

摘要： 裂隙闭合过程中，传统理论往往假设椭圆裂隙的长轴保持不变，而只有短轴发生变化。而受到应力扰动作用的影响，裂隙表面应力并非均匀分布，这导致裂隙闭合过程中，裂隙的长短轴可能都会发生变化。为了系统研究这一变形过程，首先构建椭圆形裂隙模型，结合裂隙闭合规律，验证数值模型的精度。在此基础上，构建随机介质模型，引入有效介质理论，探究裂隙变形对波速的影响以及其与实际波速压力依赖性之间的联系。研究表明，裂隙的闭合对纵波影响较大，而横波影响可以忽略。对于包含多种不同裂隙模型，模拟结果表明裂隙闭合过程纵横波均没有出现显著的阶跃性，不同裂隙模型波速的压力依赖性更多体现在实际闭合压力的差异以及线性段斜率。该研究能够为未来利用波速压力依赖性反演地下裂隙的分布以及几何统计参数奠定理论基础。

关键词： 失稳破坏   裂纹扩展   矿物组成   孔隙结构   数值模拟  

摘要： 岩石内孔隙结构和矿物组成是诱导岩体破裂失稳的重要因素，为了研究孔隙结构和矿物组成对裂纹扩展的影响，利用PFC颗粒流数值模拟方法，构建含不同孔隙结构和矿物组成的岩石GBM(grain based model)模型，研究孔隙大小对裂纹扩展的影响以及不同矿物内裂纹的扩展规律。研究结果表明：随着孔隙短长轴比的增大，岩石的单轴抗压强度和弹性模量均先减小后增大，岩石的破坏程度先增大后减小，在短长轴比为0.8时，岩石破坏程度最严重。随着孔隙短长轴比的增大，岩石内形成的裂纹数量先减小后增加再减小，张拉裂纹数量先减小后增加再减小，而剪切裂纹数量基本无变化。岩石在破坏过程中以晶内张拉破坏为主，其次为晶间张拉破坏，晶内破坏和晶间破坏中剪切破坏均较少。孔隙短长轴比为0.6时对砂岩基质、黏土、云母内裂纹扩展演化行为影响程度最大，孔隙短长轴比为0.2时对石英和长石内裂纹扩展演化行为影响程度最大。研究成果可以为解决含孔隙缺陷岩体的失稳破坏问题提供参考和研究基础。

关键词： 热风炉   燃烧器   数值模拟   结构优化   稳焰棒   喷孔   污染物控制   燃烧性能  

摘要： 针对负荷为3 822 kW的内置式烟气热风炉贫氧亚高速燃烧器，利用CFD(computational fluid dynamics，计算流体力学)数值模拟方法研究其燃烧性能，在初始结构的基础上于燃烧室增设直径10 mm陶瓷稳焰棒以强化燃烧稳定性，重点考察燃气喷孔间距(31～70 mm)、周向喷孔组数(4～9组)及稳焰棒组合方式对燃烧性能的影响以优化结构。结果表明：当燃气喷孔间距为62 mm、周向喷孔组数为5组、并采用十字型组合稳焰棒结构时，燃气与助燃烧结烟气混合强度显著增强，燃烧更充分，火焰稳定性有效提升；与初始结构相比，此优化结构使燃烧室烧结烟气出口温度提升6.3%至1 139.78 ℃，流速增加4.5%至93.18 m/s，CO质量分数大幅降低70.8%至0.003 8。该方案通过稳焰棒锚定火焰、喷孔布局强化湍流混合、旋流强度控制流动阻力的综合优化机制，同步提升了燃烧温度、流速稳定性及污染物控制效率。

关键词： 超临界二氧化碳   离心压缩机   半高扩压器   叶片高度   数值模拟  

摘要： 离心压缩机是超临界二氧化碳（SCO2）布雷顿循环中的关键设备。扩压器作为离心压缩机的关键部件,常用的类型包括无叶扩压器和叶片扩压器,其中无叶扩压器流动损失大;叶片扩压器在变工况时易发生喉部堵塞与喘振。半高叶片扩压器可以结合两者优点,提高整机性能和稳定性。为了兼顾离心压缩机高压比的特性和稳定工作裕度,以带楔形扩压器的SCO2离心压缩机为研究对象,提出6种不同叶片高度扩压器设计方案,并进行稳态数值模拟,详细讨论扩压器叶片高度变化对整机气动性能以及工作裕度的影响。结果表明,半高扩压器可以拓宽整机的工作裕度,且在大流量工况下,叶片高度为0.9b3的半高扩压器能够在保持压比的同时获得更高的等熵效率。此外,该设计方案的加工成本较低,制造难度较小,易于在实际工程中实现,具有在未来SCO2布雷顿循环中得到广泛应用的潜力。

关键词： 冲击地压   煤层厚度   弹性应变能   煤岩组合体   数值模拟  

摘要： 针对煤层厚度对冲击地压的影响，提出了冲击地压的煤层厚度效应，并采用理论分析、数值模拟和工程验证等相结合的方法，揭示了煤层应变能与其厚度的关系，研究了冲击地压煤层厚度效应产生的机理，通过煤层巷道围岩稳定性的数值模拟和工程案例验证了冲击地压的煤层厚度效应。结果表明：在相同垂直应力作用下，煤岩组合体中煤层厚度越大，其积聚的应变能越多，发生冲击地压的可能性越大；随着组合试件的岩煤高度比增大，其单轴抗压强度逐渐增大，煤层的应变局部化越加显著，应变能密度不断增加，而组合试件的扩容速率不断降低，破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪复合破坏、拉伸破坏；煤岩高度比对组合试件强度的影响实质上是岩石强度的尺寸效应，对于岩煤高度比较小的组合试件，煤层中部切向应力较小，受岩层侧向约束作用弱，组合试件的单轴抗压强度接近于煤层，而对于岩煤高度比较大的组合试件，煤层上下界面的侧向约束在煤层中部叠加，使其整体处于近似三向应力状态，组合试件承载能力显著提高；随着煤层厚度增大，巷道围岩破坏区域由帮部扩展到顶底板，巷帮和顶底板破坏深度不断增大，发生冲击失稳的可能性也逐渐增大。研究结果对冲击地压预测和防治具有重要意义。

关键词： 华北地区   活动地块   应力场   地震   数值模拟  

摘要： 华北地区强震活动频繁,主要集中分布在鄂尔多斯盆地周缘、渤海湾盆地及华北平原内部等构造活跃区域,其强震的空间分布格局与该地区活动地块的几何结构及其动力学行为密切相关。文中综合了华北地区活动地块划分方案、GNSS速度场及强震时空分布等数据,构建了华北及其周边地区的三维数值模型,采用有限元方法模拟了华北地区在一级、二级、三级活动地块划分方案下的构造应力场和应变场,并探讨了华北地区西部海原断裂带、六盘山断裂带、龙门山断裂带的活动对华北地区构造变形的远程效应。模拟结果显示,华北地区现今的地块构造格局主要受一级、二级活动地块及其边界带的控制,相较之下,三级活动地块及其边界带对华北地区构造变形的贡献相对有限。印度板块与欧亚板块的碰撞作用及太平洋板块和菲律宾板块的俯冲作用,在华北地区南部和北部形成了一对剪切力偶,使得华北地区整体呈现逆时针旋转的运动特征,但华北地区内部的鄂尔多斯地块、太行山次级地块、冀鲁-豫皖次级地块及鲁东-黄海地块的逆时针旋转程度不同,以稳定的华南地块为参考系,这些地块的旋转速率分别为2.3×10-9rad/a、2.2×10-9rad/a、2.0×10-9rad/a、3.4×10-9rad/a。华北地区内部活动地块的差异性运动主要受控于2个关键因素:一方面是华北地区内部应力场在空间上的非均匀性分布,另一方面是活动地块在运动变形过程中引起的地块边界处的挤压和拉张效应。华北地区内部活动地块间的不协调变形运动,导致华北地区内部活动地块间及其与周缘地块间的边界带产生了不同程度的应力集中和变形特征,形成了强震孕育的重要构造背景。此外,海原断裂带的左旋走滑运动、六盘山断裂带和龙门山断裂带的逆冲推覆作用通过作用于鄂尔多斯地块西南缘或华南地块,直接或间接地影响了华北地区活动地块的运动变形,其中海原断裂带的走滑运动和六盘山断裂带的逆冲推覆作用对华北地区构造变形的影响尤为显著。

关键词： 基坑工程   热力耦合   数值模拟   水平冻结  

摘要： 由于基坑工程施工环境的日益复杂化和环保政策的限制,如何进行基坑免降水开挖成为基坑施工中亟待解决的问题。研究基于“组合式冻结法”这一新设计理念,通过构建热力耦合数值计算模型对基坑工程采用冻结法进行底部封水的可行性进行分析。计算结果表明:(1)冻结孔采用放射性方式时冻土帷幕发育效果良好,在拟定冻结时间内顺利达到设计目标,能够有效实现基坑底部的封水和承载;(2)冻土帷幕的发育速度呈先增大后减小的趋势,且沿冻结管横向发育明显优于纵向;(3)案例中地下连续墙受到的水平冻胀力最大值为55.6～87.9 kPa,位移最大值为0.29～0.34 mm,均远低于地下连续墙设计值,因此基坑底部的水平冻土帷幕发育不会对周围结构产生负面影响。研究结果充分证明了“组合式冻结法”作为新的基坑支护方案具有可行性和有效性,可为“组合式冻结法”推广实施提供参考。

关键词： 高炉渣   离心   干法粒化   余热回收   粒径   数值模拟   转盘   切向风  

摘要： 传统高炉水冲渣工艺存在水资源浪费、环境污染以及余热回收效率低等问题，难以满足现代工业的绿色、高效发展需求。在此背景下，炉渣干法粒化技术以优越的环境友好性、高效的热量回收效率等资源化利用方面的优势，成为推动高炉渣处理技术升级的热点方向。针对离心力-空气耦合的高炉渣干法粒化模式，应用流体力学软件Fluent对高炉渣粒化过程及余热回收进行三维动态数值模拟，直观呈现高炉渣在离心力与冷却风的联合作用下铺展-拉伸-断裂及粒化的连续演变过程，在不同转盘转速、风速等关键参数下，分析了高炉渣粒化粒径分布特征和系统换热效率，揭示了高炉渣干法粒化过程的内在机制和传热规律。研究结果表明，转盘转速对粒化效果影响显著，转盘转速由2 000 r/min提高到4 000 r/min，粒化高炉渣平均粒径由3.20 mm下降到2.55 mm；在此基础上，固定转盘转速为4 000 r/min，加载切向风速由100 m/s提高到500 m/s，粒化高炉渣平均粒径由2.83 mm进一步降低至2.39 mm。入口风速由100 m/s提高到500 m/s，空气出口温度由357 K提高到986 K，风速的增加显著强化了换热过程，当入口风速为500 m/s时，测算理论换热效率最高可达到73.12%。值得注意的是，上述高炉渣干法粒化过程中，转盘转数为4 000 r/min、加载切向风速小于200 m/s时，粒化高炉渣平均粒径较无加载切向风时略大，证明此时切向风对高炉渣的粒化产生负面影响。

关键词： 催化加氢气化   加压流化床   数值模拟   流化数   粒径分布  

摘要： 加压流化床煤催化加氢气化技术因其高碳转化率和甲烷产率，在煤制天然气领域展现出广阔的应用前景。流化数作为影响流化床气化炉性能的关键参数，通过调控床层内颗粒运动混合及气固传质传热过程，对气化炉温度分布、碳转化率、甲烷产率具有重要影响。然而，目前关于流化数的系统性研究较为匮乏，深入揭示其对气化“三传一反”过程的作用机制对工艺参数优化和反应器设计具有重要意义。本研究基于计算流体力学模拟，采用多相质点网格模型（MP-PIC），系统研究了2.0、3.5、5.0、8.0四种流化数对催化加氢气化的影响规律。研究发现，较低流化数条件下生成的气泡尺寸较小，可有效提升碳-氢传质效率，强化气化反应过程，提高床层热点温度。2.0倍流化数工况的热点峰值温度可达1555K，超过了煤灰的熔融温度。流化数的增加促进了颗粒在床内的运动扩散，导致热点温度分散下降，其余流化数工况下的最高温度均在1300K以下。在综合考虑反应强化与热点控制的基础上，3.5倍的流化数是较佳选择。此外，本研究还追踪了不同粒径的代表性颗粒，通过分析它们的运动轨迹、温度演变及反应性，发现初始直径为196 μm的颗粒在高温区与小气泡强化传质区域的协同作用下，展现出最佳的加氢反应特性。过大或者过小的颗粒会因堆积在床层底部或者被夹带至稀相区而影响其反应性。相应结果可以为流化床煤气化炉的设计和优化提供理论指导。

关键词： 铝/镁异种合金   搅拌摩擦焊   CEL方法   温度场   残余应力  

摘要： 利用ABAQUS仿真软件和耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）方法，建立了5083铝合金与AZ31镁合金对接搅拌摩擦焊接（friction stir welding，FSW）有限元模型。对Al-Mg异种合金搅拌摩擦焊接过程中的温度场及残余应力场分布进行分析。结果表明：搅拌头靠近特征点时温度逐渐升高，最高温度达到502℃，低于两种材料熔点；残余应力在焊缝中心两侧呈不对称分布，前进侧的残余应力高于后退侧残余应力，最大残余应力达到167.2MPa；垂直焊缝中心的横向、纵向残余应力呈“M”型分布；温度峰值随着焊速增大、转速减小而下降；残余应力随着焊速增大、转速减小而升高。试验测试和数值模拟得到的残余应力相吻合，从而验证了CEL模型的可靠性。