岩弹冲击破岩规律试验研究EI北大核心CSCD

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。     

一种应用于射流破岩的孔隙形状近似法EI北大核心CSCD

为了精准模拟油气资源开采领域中射流破碎孔隙岩体的动态过程,构建准确且有效的孔隙岩体是十分关键的。基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提体的孔隙形状近似法(pore shape approximation,PSA)。通过模拟孔隙岩体的单轴压缩试验,验证了PSA方法所构建的孔隙岩体模型与试验结果具有较好的相似性,通过引入描述水射流和岩体力学特性的本构方程,建立了射流冲击孔隙岩体的数值模型,并与数字岩心技术进行了对比,本模型具有较好的计算效率和稳定性。随后,分析了孔隙形状、尺寸和不同形状孔隙占比对岩体破损的影响。研究表明:不同形状的孔隙均存在一个使岩体破损效果最佳的尺寸;含薄片体、正三棱柱或正三角锥的孔隙岩体更容易破损,这三种孔隙的占比越高,岩体破损效果越明显。     

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究EI北大核心CSCD

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。     

多维冲击提高PDC钻头破岩效率的机理研究

在一维冲击辅助破岩技术基础上发展出了更加高效的多维冲击破岩技术,但相应的破岩机理研究却不够深入.为揭示多维冲击提高PDC钻头破岩效率的机理,建立了冲击-切削破岩分析模型,模型将一维和多维冲击作用视为不同角度的单齿冲击问题,通过有限单元法探讨了轴向、扭向和多维冲击作用下岩石的损伤演化和岩屑形成过程,并进一步计算和分析了冲...     

激光器射流冲击冷却系统的模拟与实验

对一种紧凑式矩形阵列喷射冷却系统进行了系统设计、喷射性能模拟和实验。模拟采用Eulerian模型得出射流两相区相界面和不同壁面温差下的热流量及其在冷却表面的分布;通过模拟和实验比较,分析射流冲击冷却的特点及适用范围,并通过实验分析了冷却表面热流量与壁面温差的关系,以及该设计系统的冷却能力。     

形状记忆破岩装置研究

针对岩体破碎作业过程中产生振动、环境污染、安全等技术难题,研究开发新型破岩装置。设计制作以TiNi形状记忆合金管为压力元件的形状记忆破岩装置,阐明了形状记忆破岩装置的工作原理,并对其破裂力进行力学分析和室内混凝土破裂实验验证。结果表明:该破岩装置具有很强的破裂力,破岩速度快,可以实现对混凝土的破裂。     

高电压脉冲放电破岩系统建模分析

等离子体通道是高电压脉冲放电破岩的“工具”,通道形成及膨胀使岩石破碎过程伴随着通道阻抗的急剧变化。为更好地分析高电压脉冲放电破岩系统的能量利用效率,结合破岩空腔的脱模分析获得了通道的穿透深度及实际长度,基于能量平衡方程建立了等离子体通道阻抗模型,建立了高电压脉冲放电破岩系统的电路分析模型,仿真计算与试验结果对比表明该模型能够准确分析高电压脉冲放电破岩系统的输出特性,为系统优化提供理论指导。     

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。     

基于TBM双滚刀破岩仿真的实验研究

为了提高滚刀破岩效率,探究滚刀间距及加载方式对全断面硬岩掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,简称TBM)滚刀破岩效果的影响.以滚刀破岩机理、岩石破碎理论为基础,选择某类花岗岩,通过有限元分析软件ABAQUS建立一系列滚刀破岩模型,对TBM刀盘结构设计进行研究,模拟不同刀间距、不同加载方式的双滚刀对破岩效果影响.通过模拟分析得出:在一定地质条件下,滚刀顺次加载和同时加载时的最优刀间距均是80mm,但是顺次加载的破岩效果要优于同时加载.通过实验数据分析得出破岩比能在刀间距为80~90mm时最小,从而验证了仿真模拟的正确性与合理性.研究成果对于探究双滚刀破岩机理、加快国内TBM设计理论与工程应用研究有一定帮助.     

格栅式地板送风口射流的理论与实验研究

针对地板送风的特点,综合考虑温差射流和重力的影响,得出计算格栅式地板送风口射流的速度和温度分布的公式。与实验结果的对比表明,公式计算结果可以满足工程计算要求。在不同送风参数和送风口尺寸条件下,计算并分析各参数对格栅式地板送风口射流的影响规律。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

线性聚能射流作用下岩石裂纹扩展数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立楔形药型罩厚度为0.2cm,锥角分别为45°、60°、90°,炸高为4cm的三种线性聚能药包劈裂岩石的数值模型,对比分析三种不同锥角聚能药包劈裂岩石的裂纹扩展情况。结果表明:当药型罩锥角为45°时,岩石形成较为完整的断裂裂纹,且对劈裂过程进行力学分析得到岩石裂纹扩展方向是由射流作用在岩石内部的拉应力集中程度决定的,可为聚能射流在抢险工作中以及不打孔定向破碎岩石的应用提供参考。     

线性聚能射流作用下岩石裂纹扩展数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立楔形药型罩厚度为0.2cm,锥角分别为45°、60°、90°,炸高为4cm的三种线性聚能药包劈裂岩石的数值模型,对比分析三种不同锥角聚能药包劈裂岩石的裂纹扩展情况。结果表明:当药型罩锥角为45°时,岩石形成较为完整的断裂裂纹,且对劈裂过程进行力学分析得到岩石裂纹扩展方向是由射流作用在岩石内部的拉应力集中程度决定的,可为聚能射流在抢险工作中以及不打孔定向破碎岩石的应用提供参考。     

调谐型颗粒阻尼器简化力学模型及其参数计算方法研究与减震桥梁试验

介绍了调谐型颗粒阻尼器, 进行了基于该阻尼器减震高架连续梁桥缩尺模型的振动台试验;建立了该阻尼器的数值分析简化力学模型, 提出了该模型等效阻尼比的能量估算方法, 并对该阻尼器的减震控制效果进行了有限元数值模拟. 试验与数值模拟结果表明：调谐型颗粒阻尼器可以有效降低高架连续梁桥的地震响应;上述简化力学模型和参数估算方法可以有效模拟调谐型颗粒阻尼器的减震控制效果, 可为基于颗粒阻尼器的土木工程结构减震设计参考.     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES ON THE MORPHOLOGICAL SIMILARITY OF DEBRIS-FLOW FANS

ABSTRACT

The morphological similarity of debris-flow fans is found in this study by using a series of laboratory experiments and numerical simulations. The length of the center line(L_c), maximum width(B_m) and thickness of the apex point(Z_o) of debris-flow fans are adopted as the characteristic parameters to analyze the morphological similarity of the debris-flow fans in this study. The experimental and numerical results showed that the non-dimensional longitudinal and cross sectional profiles of debris-flow fans in the “stable stage” can be described by Gaussian functions, while the non-dimensional plan form of the debris-flow fans is well fitted by a circular curve. By combining the three non-dimensional curves mentioned above, the total volume and the 3-D morphological function of debris-flow fans can be easily derived.     

水平基底上薄膜流体的数学模型及其数值模拟

以应用于车体外壳的薄膜涂层为研究对象,针对涂覆于镀膜钢板上的流体高度差分布,提出了一种独特的数值模拟方法。首先基于该应用中薄膜流体的特殊几何特征和润滑近似理论简化描述流体的经典Navier-Stokes方程,结合边界条件建立所描述的薄膜流体运动的数学模型,然后运用傅里叶伪谱法与Runge-Kutta法相结合的方法进行数据处理,并根据所建立的数学模型与选取的相关算法,采用MATLAB编程对以上所描述的薄膜流体的涂覆的均匀性进行数值模拟。最后将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型与计算方法的合理性。通过数值模拟与实验分析可知,随着时间的推移,薄膜流体的自由液面高度差向着均匀性发展,但发展速率有限。     

微管道内湍流转捩的实验研究

研究旨在确定微管道内流动从层流到湍流转捩的临界雷诺数。利用微观粒子图像测速技术(Micro-PIV)研究了去离子水在内径为230μm的圆形截面玻璃微管道内的流场结构,得到了从层流到充分发展湍流各流动状态下的轴向平均速度分布和湍流度分布,实验雷诺数为1020~3145,同时研究了微管道内的流动阻力特性。平均速度场和脉动速度场的实验结果表明微管道内从层流到湍流的转捩发生在Re=1800~1900左右,与流动阻力的测量结果一致,与宏观流动比较,并未发现微管道内的流动转捩有明显提前。实验结果还显示,当Re>2700时,微管道内的平均流速分布和相对湍流度分布呈现典型的充分发展湍流状态特征。     

翅片管式换热器表面结霜特性的数值分析和实验研究

换热器表面结霜会增加传热热阻和流动阻力，为了合理确定融霜周期，必须对其结霜特性做深入地了解。本文采用了数值求解方法预测了翅片管式换热器的结霜量和霜层密度的变化过程。翅片管结霜是一个瞬变问题，为了计算方便，将其简化为准稳态过程，即在时间步长内，认为该过程是稳定的，然后把所得的霜层厚度以及霜层的表面温度作为下一时间步长内传热传质的边界条件。在研究中考虑了霜层阻力引起风量下降这一因素，计算结果与翅片管式换热器结霜的实际工况相符。     

混凝土碱骨料反应及力学性能细观模拟

混凝土碱骨料反应是降低混凝土耐久性的主要因素之一,充分认识其对混凝土力学性能的劣化机理,有助于防治碱骨料反应对混凝土结构的危害。该文用颗粒元（PFC2D）方法建立了由骨料、砂浆和界面三相共同组成的混凝土细观模型,模拟了碱骨料反应引起的混凝土膨胀变形与微裂缝扩展过程,并对碱骨料反应劣化后的混凝土试件进行劈裂抗拉试验,研究碱骨料反应对混凝土力学性能的影响。数值模拟结果表明,该模型可有效预测混凝土碱骨料反应膨胀趋势,碱骨料反应显著降低了混凝土的劈裂抗拉强度。     

高频脉冲管制冷机交变蓄冷器流动阻力特性实验研究——第三部分：理论分析与实验结果

从基本方程人手分析交变流动蓄冷器,得到了不同于稳态流动的交变流动阻力系数定义,并在动态实验台的基础上,研究高频交变流动蓄冷器的阻力特性.实验中发现交变流动与稳态流动阻力系数的关系不能用简单的倍数关系表示,finst/fst比例因子随着瞬态雷诺数而变化;交变流动阻力系数随瞬时Re变化存在非对称性.所得实验结果对于高频脉冲管制冷机的整机数值模拟有重要的参考价值.