教学课程资源库 更多>>

关键词： 深层页岩储层   水力压裂   数值模拟   施工参数   裂缝扩展  

摘要： 为研究不同施工参数对深层页岩储层水力压裂的影响，基于四川盆地龙马溪组3 500 m埋深页岩储层施工现场测井数据，根据油气储层赋存条件和地质特征，采用细观统计损伤有限单元方法，建立了深层页岩储层多簇水力压裂三维数值模型，并分别进行了不同射孔簇间距、压裂液黏度、射孔簇数的水力压裂数值模拟研究，分析了不同施工参数下起裂压力、声发射能量及裂缝扩展形态的变化。结果表明：在射孔簇数7个、压裂液黏度1 mPa·s时，簇间距从6 m增至12 m，起裂压力由16.47 MPa线性增至22.14 MPa，声发射能量由10.27kJ增至13.98 kJ，水平/竖直面裂缝扩展面积显著增大；在簇间距10 m、黏度1 mPa·s时，射孔簇数从3个增至9个，起裂压力由10.65 MPa增至25.36 MPa，声发射能量由6.43 kJ增至16.09 kJ，裂缝扩展面积同步提升；在簇间距10 m、簇数7个时，压裂液黏度从1 mPa·s增至6 mPa·s，起裂压力由20.08 MPa降至12.14 MPa，声发射能量由13.06 kJ降至7.18 kJ，裂缝扩展区域减小且形态在水平/竖直面趋于似圆形。

关键词： 折叠翼飞行器   动态重叠网格   非定常气动加热计算   准定常数值计算  

摘要： 相比于传统高速飞行器，折叠翼飞行器除了面临常规固定翼的气动加热问题外，还面临翼展开过程中带来的局部热扰动问题，对防热设计提出严峻挑战。针对折叠翼飞行器动态展开过程中的气动热环境特性，建立了基于刚体运动理论和动态重叠网格方法的非定常数值模拟方法。通过构建折叠翼简化模型，系统分析了翼面展开过程中的非定常流场演化特征及其气动加热规律。研究结果表明：与准定常仿真计算结果相比，两种方法得到的热流分布总体上基本一致，但是在局部存在由非定常热效应产生的热流差异：随着折叠翼面展开，翼尖和翼中部处非定常热效应凸显，翼尖处热扰动与当地线速度较大有关，翼中部处热扰动与时变的波系干扰和热累积有关；飞行攻角对大折叠角度状态下翼前缘热流影响较为明显，攻角–10°与10°的热流在相同位置的差值可达2 055 kW/m2；飞行马赫数减小，翼前缘受到的激波干扰强度减弱，翼前缘热流分布的起伏程度也相应减弱。本研究揭示了折叠翼动态展开过程中的关键热环境特征，为高速变体飞行器的防热设计提供了理论依据。

关键词： 安全工程   低热辐射   空气层   热防护   数值模拟  

摘要： 低热辐射热暴露(1～21 kW/m2)是森林消防作业的常见环境。为模拟实际着装状态下服装开口处衣下空间与外界环境的热传递，基于低热辐射热暴露试验构建织物系统的三维传热模型，揭示不同空气层厚度、边界条件及其交互作用对织物系统传热的影响。结果表明，空气层开放及厚度增加会加强衣下空间的空气对流，减少到达皮肤表面的热量。空气层厚度的增加会减小空气层边界形式带来的热防护能力差异。封闭空气层的热量蓄积于衣下空间内部，开放空气层中整个计算域的温度随高度的上升而增大。研究结果能够为优化消防服的结构设计、保障森林消防员的职业安全提供理论依据。

关键词： 高水头   鱼道   水力特性   模型试验   数值模拟  

摘要： 高水头长距离鱼道常采用折叠转弯布置的型式，导致鱼道内水流条件复杂多变，影响鱼类上溯成功率。为了获得利于鱼类洄游上溯的水流条件，该研究基于实际工程，采用模型试验和数值模拟相结合的方法，开展了高水头长距离鱼道池室及进口水力特性研究分析。针对大角度长距离（136.85°、12 m）转弯段和180°转弯段主流不清晰、水流贴壁流动的不利水流条件，提出了大角度长距离转弯段增设4组常规隔板，180°转弯段间隔45°位置增设0.3 m或0.5 m长导流板的不同组合优化方案；基于进鱼口诱鱼水流范围小、难以达到过鱼对象感应流速的问题，进鱼口由原喇叭口优化为圆弧衔接。优化方案数值计算结果表明，转弯段内墙侧45°和135°位置增设0.3 m导流板、外墙侧90°和135°位置增设0.5 m导流板（左转弯外墙侧180°位置增设0.3 m导流板）水流调整效果最佳，可形成主流居中、两侧低流速区的流场条件，有效改善转弯休息池内水流条件；进鱼口长度不变条件下，采用圆弧段与河道衔接可提升进口诱鱼流速且扩大诱鱼范围。研究结果可为此类鱼道设计提供参考。

关键词： 氯气   扩散   Jack Rabbit   数值模拟   计算流体力学   障碍物  

摘要： 氯气剧毒且泄漏后常沿地面扩散，非均匀湍流涡团结构常导致扩散预测不准，相关避险措施设置不合理，引发人员中毒等事故。为指导现场快速风险评估、安全标志布置、应急处置及救援，有必要精准预知大尺度密集场景下氯气非均匀扩散规律。本文采用单相欧拉和组分输运方程，创新性建立基于能量最小多尺度（EMMS）湍流模型的高危氯气非均匀湍流扩散模拟预测方法。以美国陆军Jack Rabbit液氯泄放实验为对象，验证模拟准确性并考察了不同风速、风向、泄漏量条件下氯气非均匀扩散特性。结果表明：本文提出的模拟方法能较好地预测大尺度密集场景氯气非均匀扩散，误差在8%以内；风速增大会加速开阔区域氯气扩散，但对集装箱密集区浓度分布影响有限；风向偏离建筑对称轴引发“狭管效应”，会使局部浓度瞬间上升；泄漏量增大后，高浓度区域扩大形成“屏障效应”，氯气体积分数为0.045以上的面积占比增加36.6%。

关键词： 废弃矿井热能存储   热流固耦合   季节性供暖   敏感性分析   数值模拟  

摘要： 我国拥有丰富的废弃矿井资源，通过充分利用废弃矿井闲置的地下空间和地热资源，可以将其改造为高效的废弃矿井热能存储系统。合理利用深部废弃矿井的地热环境，实现夏季富余风能、太阳能及工业余热的热水存储，并在冬季提取热量用于供暖服务，从而实现能源消耗的显著节约与利用效率的提升。本文以多孔介质弹性力学理论为基础，构建了考虑水流与围岩的热传导与热对流效应、忽略岩石中的渗流传热作用的废弃矿井储热系统多物理场耦合力学模型。通过数值模拟分析了废弃矿井储热系统运行10年内的热传递过程与巷道围岩应力变化规律。结果表明，废弃矿井储热系统能充分利用地热环境实现热能的高效存储，第1年存余温度能达到35.5 ℃，留存率44.4%，热存储效果逐年提高。第10年的供暖温度对比第1年提高了10.3 ℃，整个冬季供暖期的产出温度仅有6～7 ℃波动。当废弃矿井热能存储系统稳定后，产出温度能达到52～58 ℃。废弃矿井热能存储系统热回收效率两年内提升了10%，并在第10年达到55%。应力分析结果进一步表明，热能存储系统的应用不会破坏巷道稳定，确保了废弃矿井储热系统运行的可行性和安全性。采用基于距离的广义敏感性分析方法，通过计算随机样本差距，对模型的响应进行分类，然后对废弃矿井热能存储系统参数敏感性进行量化分析。敏感性分析结果显示，夏季注入温度对系统热回收效率影响最显著，其次是巷道温度和注入率。研究成果对废弃矿井储热系统的现场试验和规模化工程应用提供了重要的理论支撑和指导意义。

关键词： 连续-非连续单元法   燃爆压裂   燃爆-水力复合压裂   裂缝扩展   改造效果  

摘要： 采用连续-非连续单元法，建立考虑燃爆应力冲击造缝、燃爆气体扩缝与水力压裂扩缝的燃爆-水力复合压裂裂缝扩展数值模拟方法，探究地应力差、燃爆峰值压力、燃爆增压速率、水力压裂排量、水力压裂液黏度对复合压裂裂缝扩展的影响规律。研究表明：燃爆-水力复合压裂结合了燃爆压裂近井造缝复杂和水力压裂远井深穿透的优势，可形成多条深穿透的长裂缝，改造效果更好。增大地应力差，将减少燃爆-水力复合压裂改造面积，燃爆-水力复合压裂更适合地应力差较小的储层；高燃爆压裂峰值压力、高燃爆压裂增压速率均有利于增加燃爆裂缝的最大破裂长度与破裂度，进而增加燃爆-水力复合压裂的改造面积，提高改造效果；提高水力压裂排量、压裂液黏度将提升缝内净压力，激活燃爆裂缝，增大裂缝转向半径，产生更多的长裂缝，有效增大储层改造面积；储层改造面积与水力压裂排量、水力压裂液黏度并非完全正相关，存在临界值，当超过临界值后，改造面积减小。

关键词： 坝肩槽边坡   岩溶   不利地质结构   数值模拟   安全系数  

摘要： 坝肩槽边坡为拱坝基础的持力部位,其稳定性和承载性能直接影响大坝的整体安全。当边坡内发育岩溶等不利地质结构时,尤其应重视并研究其对边坡稳定性的影响。首先分析了含岩溶等不利地质结构的边坡潜在失稳模式,认为岩溶和邻近边坡开挖后的卸荷松弛一旦贯通,将导致局部失稳,进而影响边坡的整体稳定性。然后,提出了含岩溶结构的坝肩槽边坡计算分析和稳定性评价方法,建立了基于损伤概念的岩体卸荷松弛表征方法和判别标准,构建了一套含岩溶等不利地质结构的边坡计算分析和稳定性评价流程。最后,将所提计算分析和稳定评价方法应用于实际工程,采用数值分析方法,研究了某水电站右岸坝肩槽边坡内的巨型岩溶斜井对拱坝建基面岩体的影响,认为岩溶结构在开挖过程中对邻近边坡的变形和扰动影响有限,坝肩槽边坡不会发生全局性失稳。研究结果为含不利地质结构的边坡计算分析和稳定性评价提供了可行思路。

关键词： 寒区隧道   冻胀力   数值模拟   衬背脱空   衬砌结构变形   冻结段落预测  

摘要： 针对寒区隧道衬背脱空积水冻胀可能严重危害行车安全的问题，开展了考虑排泄条件的隧道衬背脱空积水冻结模拟试验，在试验中引入了地下水补给/排泄通道，明确了2类脱空积水冻胀机制；使用数值模拟软件ANSYS建立了衬背脱空积水冻胀数值模型，揭示了脱空处冻胀力对衬砌结构承载特性的影响；通过在虎峰岭隧道进行温度监测，得到了纵向温度分布，建立了衬背脱空底部温度求解模型，分析了衬砌表面温度与脱空底部温度的对应关系，并提出了衬背脱空积水冻胀高发段落预测方法。研究结果表明：水的补给/排泄通道不冻结的脱空处不会产生冻胀力，通道先冻结的脱空处会产生较大冻胀力，当冻胀力大于围岩压力时，冻胀力会沿初期支护与二次衬砌的接触面释放，向压力较小的地方消散；无冻胀力时隧道衬砌结构拱顶脱空中线部位的沉降最小，冻胀力对脱空部位的沉降有显著影响；在隧道横断面上，距脱空中线部位越远，冻胀力引起的位移越小，在隧道纵向上则无明显差异；随着脱空内冻胀力的增加，隧道衬砌结构会出现相对隆起以及与衬砌结构整体受力这2种受力状态，脱空部位混凝土则由全截面受压逐渐变为局部受拉；当脱空底部日周期温度波动幅度在1℃以上，且以脱空底部温度-5 ℃作为脱空积水冻胀温度界限时，距隧道进口端约1 800 m处出现渗漏水的地方可能会导致衬背脱空积水冻胀，针对预测结果进行重点巡查，至少可以减少工作人员4/5的巡查工作量。

关键词： 皮肤切口   切口减张   界面力学   数字图像相关法   数值模拟  

摘要： 皮肤缝合应力对术后切口愈合有较大影响，需要明确不同切口缝合过程对皮肤应力相应的机理与规律。结合皮肤缝合常用手术切口，以水平长度和切口宽度为标准，设计传统直线形、Z形、S形和锯齿形四种切口。考虑到试样形变过大会降低实验数据提取，开展对应缝合结构的失效载荷测试并为减张研究确定合适测试范围；基于试样拉伸试验获得的材料本构模型，从理论上分析了沿不同缝合切口的应力分布和应变分布；采用数字图像相关法，获取不同切口缝线区域内，缝合过程产生的应变分布；最后通过实验与仿真对比，从缝线处应变方面进一步探究了皮肤的张力分布效果。结果表明，切口形状是减张的基础，相比传统直切口，Z形、S形和锯齿形切口由于实际切口更长且具有一定弧度可降低缝合张力。低中力下的减张效果较好，随着外载荷增大，减张效果会减小，但仍能显著优于直线切口。在相同载荷下，锯齿形切口缝合主应变最小，即减张效果最好，可为后续提高临床缝合术后皮肤创面愈合率提供相关参考。