水射流冲击含饱和流体岩石介质耦合机理分析

根据含饱和流体的岩石孔隙介质在水射流冲击下包括水射流与岩石、水射流与孔隙流体以及孔隙流与孔隙固相介质三种耦合作用,建立了淹没条件下水射流冲击孔隙介质的耦合分析的理论模型,给出了数值计算方法。按建立的模型计算了出口速度为447.2,547.7和632.5m/s的水射流冲击岩石时水射流流场、岩石孔隙介质内渗流场和应力场的分布规律,为高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

渗流的流固耦合问题及应用

 博士学位论文摘要　渗流过程中的孔隙改变, 既影响流体质量, 又会引起介质渗透率的变化, 导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定, 说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。饱和多孔介质是不溶混的混合物, 内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数A1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数A2 以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数A1 和A2 小于1, K p 小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形, 总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论, 其出发点均不尽合理。研究了流固耦合机制。在渗流过程中, 介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果; 孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程; 扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程, 考虑了流体与固体之间的多种耦合作用, 如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等; 由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况, 应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律; 从上述研究还容易看出, B io t 的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀) 对流体动量守恒方程的影响, 反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题, 提出了一种解耦方法, 并得到了平面应变和广义平面应力状态下, 含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出, 对于稳定渗流, 线性耦合理论(B io t理论) 与非耦合理论没有差别; 对非稳定渗流, 线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别, 但没有性质的变化。与弹性力学的差别也与此类似: 若不考虑渗透率的变化, 可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来, 因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点, 并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出, 非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学, 不仅在量值上有明显差别, 性质也有不同; 并指出, 非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时, 某些因素, 如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时, 小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数, 将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法, 可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明, 按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。     

热弹塑性孔隙介质固结问题研究

研究了一维柱体孔隙介质的热弹塑性固结问题，给出了孔隙介质中流体流动、热传导和孔隙介质变形三者之间的相互耦合。研究表明，与一般热孔隙弹性方法相比，非线性弹塑性计算会使孔隙介质产生用线弹性计算反映不出来的Mandel效应。重点研究了产生Mandel效应的孔隙率和材料产生塑性后的硬化指数的临界值，及这两个参数对孔隙材料固结过程中压力和温度变化的影响。     

岩体流-固耦合的Taylor展开随机有限元模拟

采用等效连续介质模型,引入介质渗透系数张量与介质体积应变之间的函数关系式,建立能反映介质中孔隙压力与骨架变形非线性耦合作用的数学模型。视模型中的参数为随机变量,采用Taylor展开随机有限元法对该模型进行数值模拟,研究参数具有随机性情况下耦合场中孔隙压力、有效应力、位移等场变量的随机分布特征及孔隙压力、位移等场变量对参数的灵敏度。数值算例可检验所提出方法的有效性。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程，研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律，建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念，建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型，提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力，并能反映冻胀融缩的变形特点，为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

饱和多孔地层中定量抽放的流固耦合问题

在Ｂｉｏｔ 理论基础上,研究了含单一圆井的饱和多孔地层中,以定流量方式开采时的流固耦合问题。提出了一种解耦方法,求出了耦合的孔隙压力分布和介质应力的解析解。实例计算表明,耦合与非耦合之间的差别是明显的。     

一种双重孔隙介质水–应力耦合模型及其有限元分析

建立了一种双重孔隙介质水–应力耦合模型,其特点是可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度的变化的影响,并研制出相应的二维有限元程序。在假定裂隙的渗透性与裂隙间距无关的前提下,通过算例考察了不同的裂隙间距对双重介质岩体中的变形、主应力、孔隙水压力及裂隙水压力的作用,并与单重介质岩体的相应情况作了对比。结果显示:裂隙间距对双重介质岩体的位移影响很大,但对岩体主应力及孔隙与裂隙水压力的影响很小,岩体水压力主要取决于孔隙与裂隙的孔隙率与渗透系数。     

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型.它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分.固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦...     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

岩体结构类型与水力学模型

 岩体水力学是一门研究岩体内一定温度条件下渗透力与应力相互作用关系及其耦合作用对岩体及岩体工程稳定性影响的交叉学科。为了准确描述岩体的水力学问题, 定义了有关名词。依据岩体的水力学特征, 把岩体的结构分为五类, 即: 准孔隙连续介质、裂隙网络介质、双重介质、岩溶管道网络介质以及岩溶溶隙- 管道介质。以岩体结构类型、达西定律、立方定律等为基础, 推导了在变温度和变应力条件下的孔隙型、裂隙型及管道型岩体的渗透定理, 并将岩体渗流场、温度场与应力场耦合模型分为两大类, 即: 集中参数型模型和分布参数型模型。     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

滑移摩擦支座摩擦力模型研究

采用微分连续模型模拟滑移摩擦支座的单向和双向耦合摩擦力,表明该模型可以较好地描述摩擦力的非线性特征和双向耦合效应.同时,从计算分析也可看出,考虑双向耦合作用与未考虑双向耦合作用的摩擦力滞回曲线有较大差别,因而支座应采用双向耦合摩擦力模型,以考虑双向耦合作用对结构地震反应和支座性能的影响.     

加权残数和有限元耦合法解弹性力学问题

提出了加权残数和有限元耦合法的思想,推导了求解弹性力学和薄板变曲问题的加权残数和有限元耦合法的公式,给出了算例,与理论解进行了比较,并阐述了本文方法的优点.     

摩擦摆支座恢复力模型研究

采用微分连续模型模拟摩擦摆支座的单向和双向耦合恢复力，表明其可以较好地描述恢复力的非线性特征和双向耦合效应。由计算分析可以看出，考虑双向耦合作用与未考虑双向耦合作用的滞回曲线有较大差别，因而，支座应采用双向耦合恢复力模型以考虑双向耦合作用对结构地震反应和支座性能的影响。     

大跨度桥梁结构耦合抖振响应频域分析

基于结构的固有模态坐标 ,提出了用于大跨度桥梁耦合抖振响应分析的有限元CQC(thecompletequadraticcombination)方法。在合理假设基础上 ,推导了桥梁结构的节点等效气动抖振力公式。应用随机振动理论 ,提出了桥梁结构节点位移和单元内力功率谱密度和方差的计算方法。该方法采用了含 18个颤振导数的气动自激力模型 ,可以考虑自然风的任意风谱和空间相关性以及桥梁抖振响应的多模态和模态耦合效应 ,且计算效率很高。此外 ,对主跨跨度 13 85m的江阴长江大桥的耦合抖振问题进行了分析 ,得出了一些结论。分析结果表明 ,在大跨度悬索桥中 ,多模态效应和模态耦合效应对主梁的竖向和扭转位移抖振响应有显著的影响     

连梁破坏模式与安全状态的简化判断

作为剪力墙结构中的主要耗能构件,连梁在剪力墙的抗震性能研究中占有重要地位,对连梁破坏状态的研究就显得十分重要。归纳了连梁的4种破坏模式,提出简化公式分别根据连梁的耦联率和连梁的破坏形式区分模式,并判断连梁的安全状态。     

盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制，对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设；在此基础上，考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件，建立盐岩裂隙渗流溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流-溶解耦合过程进行试验研究，并应用盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型进行模拟分析与验证，计算结果与试验结果非常吻合，表明所建立的盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流-溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力-渗流溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。     

多孔介质的变形场-渗流场-温度场耦合有限元分析

在推证多孔介质三场耦合数学模型微分控制方程的基础上,系统地推导了6结点三角形单元的固液两相介质的温度场、变形场、渗流场三场耦合问题的有限元格式,开发了我国的三场耦合数值分析软件CDST,并对该程序的可靠性及分析精度进行了验证,最后运用该软件对一工程实例进行了三场耦合有限元分析。     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

列车振动下隧道与土体响应的双尺度耦合模拟

 对于土体离散–连续耦合问题,给出通过强化边界耦合力在离散和连续模型中的相容性,将提取边界耦合节点力转化为寻优问题的新方法,并用Lagrange乘子法求解。将此方法嵌入离散–连续双尺度耦合动力模型,模拟列车振动下隧道与土体的动力响应。用相互作用的离散颗粒模拟隧道附近土体,远离隧道的土体用连续模型模拟,编写结构的动力有限元程序嵌入离散元软件中来模拟隧道。通过离散元软件PFC2D和有限差分软件FLAC2D的交互运算实现耦合过程。在耦合边界通过交换速度和力保证耦合模型的连续性,通过自振柱模拟使离散区域土体的宏观性质与连续土体模型一致。通过比较耦合方法与只用连续模型模拟得到的结果,说明提出方法的有效性。双尺度耦合模型可以有效描述动力响应中隧道附近土体的细观特性,并极大降低离散元的模拟规模,减少模拟时间,适用于振动在半无限体中传播时重点考察区域土体的细观分析。