二元溶液凝固过程中组分通量随时间演化的实验研究

该文在氯化铵水溶液定向凝固过程中,观察液相区双扩散对流条纹的形成并研究其随时演化规律。在固液混合边界层中,由于固态氯化铵盐的析出形成由盐度梯度驱动的多孔杂质模式下的对流运动。其中形成的低温、低浓度的柱状羽流与液态区进行热盐交换,导致了双扩散对流条纹的形成和移动。通过平行光暗影法成像,系统地分析了双扩散对流条纹移动速度的演化过程,由此确定了二元溶液凝固过程中由凝固区向液态区提供的盐流体积通量随时函数关系。结果表明,柱状羽流体积通量和时间成幂函数关系,幂指数为–1.51±0.18。而在某时刻,柱状羽流体积通量和高度成幂函数关系,幂指数约为2.5。同时,柱状羽流的卷吸率随溶液初始浓度的增加而减小,初始体积通量随初始溶液浓度的增加而减小。     

黄河下游重塑黏性土抗冲特性试验

黄河下游河床存在典型的分层结构,不同部位对水流抗冲性不同,抗冲性极强的"胶泥层"对河势演变具有重大影响。通过对黄河下游花园口附近黏性土进行取样,开展了黄河下游河岸黏性土起动冲刷的水槽试验。分析了起动切应力随干密度的变化情况,建立了干密度、含水率与淤积历时的关系,拟合了黏性土侵蚀系数与起动切应力的关系式,结果表明:黏性土起动切应力随干密度的增大而增大,两者呈幂函数关系;当淤积历时较短时,黏性土干密度(含水率)随淤积历时的增大而增大(减小),两者呈对数函数(指数函数)关系;黏性土侵蚀系数随起动切应力的增大而减小,两者呈幂函数关系;同时研究发现,黏性土起动切应力与黏粒含量相关,相同干密度条件下,黏粒含量越高起动切应力越大;黏性土侵蚀系数与该土体的黏粒含量、土体结构相关,黏粒含量越高侵蚀系数越小,相应的其抗冲性越强。     

丙三醇水溶液对粉质黏土渗透性的影响

黏性土的低渗透性使其在工程中常用来阻滞污染物的迁移,但有机溶剂会显著增加黏性土的渗透性,从而使屏障作用失效。为了研究有机溶液的介电常数和黏度对渗透性的影响,以粉质黏土为对象,开展不同质量分数丙三醇水溶液的界限含水率和渗透试验。试验结果表明,随着丙三醇水溶液质量分数增加,液限和塑限增大,而渗透系数先增加后减小;土体的渗透性与微观孔隙结构分布和流体特性有关,当丙三醇水溶液质量分数<40%时渗透性受土体组构控制,质量分数超过40%后渗透性受黏度控制;此外,土体的固有渗透率随着质量分数的增加先升高后降低,黏度增加导致了固有渗透率的降低。研究成果表明对于水溶性有机溶剂,需要考虑黏度变化对渗透性的影响。     

干湿循环对非饱和黄土渗透系数的影响研究

针对不同干密度的重塑非饱和黄土,利用GCTS压力仪研究非饱和黄土在干湿循环条件下的土－水特征曲线,选用van Genuchten模型拟合体积含水量与基质吸力的关系,结合Childs & Collis-Geroge模型预测黄土的非饱和渗透系数,进而分析干湿循环作用及干密度对非饱和渗透系数的影响。研究结果表明：试验地区非饱和黄土的土－水特征曲线拟合相关度高达0.97以上,有良好的适用性;黄土的非饱和渗透系数与干湿循环次数及干密度之间均符合指数函数关系;相同基质吸力条件下,干密度大的黄土非饱和渗透系数大,基质吸力较小时,干密度为1.74 g/cm³的黄土比干密度为1.56 g/cm³的黄土非饱和渗透系数大10²数量级;当干密度保持不变时,随着干湿循环次数的增加,渗透系数逐渐增大,其增幅随体积含水量的增大而增大,随基质吸力的增大而减小;当非饱和黄土试样的体积含水量接近残余含水量时,土体的渗透系数趋于稳定。     

基于涡动相关法的沉积物-水界面氧通量与水动力条件响应关系

沉积物-水界面是物质参与环境地球化学循环和生物耦合的"热区",水动力条件是沉积物-水界面物质交换的关键影响因素。溶解氧作为常用的水质评价指标,对调节生物化学进程有重要作用,因此本文采用涡动相关法这种非侵入式通量测量技术开展室内试验研究,探究沉积物-水界面氧通量与水动力条件的响应关系。结果表明:随着水体紊动增加(采用Batchelor尺度表征),扩散边界层厚度减小,氧通量增大。分析室内试验和相关研究中水动力条件、扩散边界层厚度及氧通量的关系,发现扩散边界层厚度与Batchelor尺度呈正相关关系,拟合结果表明可以用Batchelor尺度近似表示扩散边界层厚度;氧通量与扩散边界层厚度呈负相关关系,且当扩散边界层厚度小于0.5 mm时,扩散边界层厚度变化对氧通量影响更强烈,当厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持稳定。     

土工织物加筋尾矿砂界面力学特性试验研究

为研究土工织物加筋尾矿砂界面力学特性,在不同的尾矿砂含水率、试验拉拔速率和竖向压强下开展一系列土工布及土工格栅的拉拔试验。比较相同条件下的土工格栅与土工布拉拔试验结果可知:土工布对细粒尾矿砂的加筋效果优于土工格栅的加筋效果,竖向压强较大时两者的拉拔力峰值差值增大;随尾矿砂含水率增加,界面剪应力峰值明显减小,界面剪应力峰值在含水率1.2%时比含水率8.4%时增加50%以上,表观黏聚力先增加后减小,在最优含水率附近时达到最大,界面摩擦角先快速减小后缓慢减小;随试验拉拔速率增加,界面剪应力峰值缓慢增加,表观黏聚力先增加后减小,界面摩擦角先减小后增加;各工况下剪应力峰值均随竖向压强的增大而增大。研究结果可为土工织物加筋尾矿坝工程设计提供参考。     

分层流体中冰脊拖曳力的数值模拟研究

冰脊在分层流体表面的漂移运动会在内界面激发出内波,内波又会对冰脊的运动、堆积产生重要影响。利用湍流模型对冰脊在分层流体中的运行过程进行了数值模拟研究,并与已有物理模型实验结果做了比较,冰脊拖曳力和内波界面的数值模拟结果与物理实验结果吻合良好。当流场属于跨临界区时,内波的产生使冰脊拖曳力随弗劳德数Fr先增大后减小,冰脊拖曳系数随Fr的变化规律类似。当流场属于超临界区时,拖曳力随Fr增大而增大,拖曳系数不再随弗劳德数变化。当内波波峰达到最高点的时候,冰脊拖曳力达到一个峰值。     

腔体高度对倾斜腔体的对流影响

利用二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了具有倾斜角度的腔体的高度对流体的影响。在倾斜角度改变的状态下,腔体高度取不同值时,分析研究了对流运动的动力学特性。发现了随腔体高度的增加,小倾斜角度下稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系,而对流波数基本稳定;大倾斜角度下对流圈数不变,流线状态发生变化;对流稳定后,对流振幅随腔体高度增大而增大,努塞尔数随腔体高度增大而减小,且得出对流振幅和努塞尔数与腔体高度的函数关系式。     

突扩式消力池R型水跃的长度特征分析

根据已有文献对突扩式消力池R型水跃的试验成果,分析突扩式消力池R型水跃主要特征长度—回流扩散段水平长度、射流长度及旋滚长度的变化规律。研究表明,回流段水平长度是扩散出口断面弗劳德数和消力池上下游断面宽度差的函数;相对射流长度随出流扩散断面弗劳德数的增大而增大,随消力池突扩比的增大而减下;水跃旋滚长度随扩散出口断面弗劳德数和扩散出口断面水深的增大而增大,随消力池突扩比、跃后断面水深与扩散出口断面水深比的增大而减小。提出了R型水跃射流长度及旋滚长度的计算公式,并用已有文献资料进行了验证。     

黄河下游黏性泥沙的冲刷速率研究

由于黄河下游河床中黏性泥沙与非黏性泥沙的抗冲性明显不同,导致黄河下游河势畸形、河岸坍塌等现象频发。选取黄河下游花园口附近河床中3种不同颗粒级配黏性泥沙进行抗冲刷试验,建立不同淤积固结状态下黏性泥沙冲刷速率与相对剩余切应力的关系,分析黏性泥沙干密度、中值粒径对冲刷速率、冲刷系数、能量指数的影响。结果表明:对于不同颗粒级配的黏性泥沙来说,其冲刷系数随着干密度的增大而减小;能量指数随着干密度的增大而增大;能量指数与相对剩余切应力近似成2次方关系;泥沙中值粒径在6.1～804.0μm范围内时,冲刷系数随中值粒径的增大呈现出先增大后减小的趋势;能量指数随中值粒径的增大呈现出先减小后增大的趋势。     

THE FINITE VOLUME PROJECTION METHOD WITH HYBRID UNSTRUCTURED TRIANGULAR COLLOCATED GRIDS FOR INCOMPRESSIBLE FLOWS

In this article a finite volume method is proposed to solve viscous incompressible Navier-Stokes equations in two-dimensional regions with corners and curved boundaries. A hybrid collocated-grid variable arrangement is adopted, in which the velocity and pressure are stored at the centroid and the circumcenters of the triangular control cell, respectively. The cell flux is defined at the mid-point of the cell face. Second-order implicit time integration schemes are used for convection and diffusion terms. The second-order upwind scheme is used for convection fluxes. The present method is validated by results of several viscous flows.     

界面裂纹对混凝土氯离子扩散系数的影响

将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥石基体所组成的三相复合材料,平行界面裂纹位于骨料表面,据此构建出圆形单元细胞模型,并采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞,然后应用有限元法获得混凝土氯离子扩散系数的数值解。通过与已有实验结果的比较,初步验证了文中数值方法的有效性,并定量评价了混凝土细观结构对氯离子扩散系数的影响。数值计算表明,混凝土氯离子扩散系数随裂纹张开角、界面厚度的增大而增大,但随着骨料直径的增大而减小,且骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有很大的影响。     

管间距对通道内竖直排列水平双管自然对流的影响

分析了管间距对圆管自然对流的影响,为解决河道热扩散问题提供理论依据,具有实际的应用价值。抽象出通道内竖直排列水平双管的模型,采用SIMPLE算法模拟了不同管间距下的自然对流现象。结果表明:随着管间距S的增大,两管之间的流动逐渐增强,上管的换热明显增强,Ra越大,增强效果越明显。此外,研究了管间距S对烟囱效应的影响。结果表明:随着S的增大,流经通道的流体流量增加,即烟囱效应增强。     

速凝浆液岩体倾斜裂隙注浆扩散模型研究

针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C-S浆液)为速凝类注浆材料,将C-S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。     

溶剂驱油中的扩散现象研究

本文通过求一对流－扩散方程的半解析解，分析了扩散系数大小及影响扩散系数的参数对计算出的浓度分布的影响；通过将该半解析解与忽略扩散的数值解进行对比分析，讨论了数值弥散代替物理扩散的条件。结果表明，虽然随渗流速度增加，扩散系数增加，但对浓度分布几乎没有影响；而且在精度要求不高，物理扩散较小时，数值稳定性好的对流方程的数值弥散可以代替物理扩散。     

压裂液黏度对脉冲频率响应机理试验研究

为探究页岩气开采过程中的脉冲水力压裂液流变性能对频率的响应情况,采用0,1,3,5,7 Hz 这5个不同频率对2种不同黏度(30 mPa·s和10 mPa·s)的瓜尔胶液进行脉冲剪切试验。试验结果表明不同黏度大小的压裂液对于脉冲频率的响应效果是有区别的:当采用相对高黏压裂液体系时,对于结构黏度和塑性黏度,随着频率增大,总体上两者都呈下降趋势;对于表观黏度,随着频率的增大,压裂液表观黏度先是不断受到剪切稀释而减小,当频率达到5 Hz后,即使频率进一步增大,压裂液黏度也基本变化不大;对于压裂液的流性指数则是随着频率的增大先增加后减少,且当频率为5 Hz时流性指数达到最大值。采用相对低黏压裂液体系时,结构黏度较塑性黏度变化平缓,这在压裂过程中泵入支撑剂阶段有利于支撑剂在储层裂缝中的运移,对于压裂后期稳缝有着重要作用;采用较低黏压裂液的表观黏度和流性指数对于频率的剪切稀释响应效果不是很明显。研究成果为页岩气储层的开采提供了技术参考。     

高粘幂律非牛顿流体在管内流动和传热的计算

本文的数值研究考虑了变物性,自然对流和粘性耗散的影响,采用SIMPLE方法进行数值求解,计算结果与实验值吻合很好,流场和温度场耦合,使进口段大大延长,计算结果还显示了高粘物系加热时径向温差很大。     

Numerical simulation of thermal convection of viscoelastic fluids in an open-top porous medium with constant heat flux

This paper makes a numerical study of the buoyancy-driven convection of a viscoelastic fluid saturated in an open-top porous square box under the constant heat flux boundary condition. The effects of the relaxation and retardation times on the onset of the oscillatory convection, the convection heat transfer rate and the flow pattern transition are investigated. It is shown that a large relaxation time can destabilize the fluid flow leading to an early onset of the thermal convection and a high heat transfer rate, while a large retardation time tends to stabilize the flow and suppress the convection onset and the heat transfer. After the convection sets in, the flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium. Furthermore, with the increase of the ratio of the relaxation time to the retardation time, the fluid may be blocked from flowing through the open-top boundary, which may be caused by the viscoelastic effect. Finally, the comparison of our results with those under isothermal heating boundary conditions reveals that the heat transfer rate corresponding to a constant heat flux boundary is always higher.     

A PREDICTING MODEL OF THE LIMITING FLUX FOR THE CHARGED SOLUTE IN ULTRAFILTRATION PROCESS

In the process of ultrafiltration , the occurrence of the limiting flux is elucidated with the formation of a cake(gel) layer on the membrane surface. Before cake formation, the pressure drop on the concentration polarization layer, as well as the permeate flux, increases with the applied pressure. The pressure drop on the concentration polarization layer, however, will no longer change with the applied pressure after the formation of the cake layer. The limiting flux will be obtained if the hydrodynamic conditions in the filtration channel are not affected by the cake layer. A mathematics model for predicting the limiting flux for the charged solute in ultrafiltration is developed. In this model, a repulsive electric force is taken into account in addition to convection and diffusion when the solute is carrying the same charge as the membrane material. A procedure to correlate the model with experimental ultrafiltration data is also present. The results show that a model in this paper is developed on a more realistic perception of the ultrafiltration system and the predicting data agrees well with experimental data.