华中粉砂岩粗粒土粒径级配分形特性研究

研究不同应力状态下颗粒粒径级配演化规律是分析土体应力状态、评价其工后变形的关键。基于质量-粒径分形模型从分形角度阐述了粗粒土粒径级配曲线探究依据,设计了5种不同分形维数的粒径级配,分析了土体颗粒空间分布特性;通过三轴剪切试验及颗粒筛分试验,探究了不同分形维数粗粒土偏应力峰值前后应力应变曲线性态分布及剪应力峰值、内摩擦角、分形维数因子等参数变化规律。结果表明,土体粒径范围随分形维数越大而更宽泛;应力应变曲线随分形维数及围压增大而存在应变软化向应变硬化过渡的趋势,偏应力峰值随分形维数增加而增大,内摩擦角呈先减小后增大的变化规律。粗粒土分形维数变化因子与相对围压呈线性函数关系,方程斜率及截距仍与相对围压呈线性函数关系,据此建立了考虑围压及初始分形维数的经验方程,为从分形角度来设计与优化粗粒土粒径级配而达到提高其力学强度等提供了参考依据。     

基于分形理论的泥岩填料渗透特性研究

泥岩作为一种水敏性较强的填料,其渗透特性变化严重制约着工程结构的安全。采用对照试验方式,设计5个级配梯度,通过自主设计渗透试验仪对泥岩填料进行渗透变形破坏试验,对比泥岩填料击实破碎分形变化特征,分析填料渗透性与级配结构的相关性。结果表明,击实前后填料级配由不良变为良好,分形维数由2.23～2.51增至2.44～2.57,分形曲线分布特征与粒径累计曲线变化特征一致,分形维数可作为评价级配特征的量化指标;不同试样的渗透系数具有相同数量级(10^-6cm/s),仅数值有所差异,部分试样发生渗流破坏;分形维数与渗透系数具有二次项函数关系,渗透系数峰值点及其相近邻域对应维数(维度2.525)的试样易发生渗流破坏。     

干湿循环对土体级配分形特性影响分析

为分析粗粒土受水体干湿循环作用时颗粒级配演化规律,采用颗粒筛分试验统计干湿循环作用后土体颗粒粒径分布,引入颗粒质量-粒径分形模型计算粒径分形曲线(GFC)及分形维数(D),揭示了D随围压及干湿循环次数变化的规律,量化了干湿循环作用对粗粒土D的影响,并建立了计算方程。结果表明,等效替代缩尺法对GFC及D影响较小;制样及筛分过程导致D增大0.63%,室内试验方法引起粗粒土颗粒破碎效应不可忽略。低围压条件下(围压小于0.60MPa),D随围压增大及干湿循环次数增多而增大,剪切作用及水体干湿循环作用加剧了粗粒土颗粒破碎效应。所建粗粒土D计算模型为评价干湿循环对涉水工程填筑土体级配劣化效应提供了依据。     

湍流风场的分形维数分析

为定量分析风速时间序列的内在波动性,采用分形维数方法进行研究。就分形维数结果的准确程度比较了盒维数法和结构函数法,当曲线维数大于1.3时,使用盒维数求分形维数误差较大,而利用结构函数法求分形维数,误差小于1%。使用结构函数法计算了地表粗糙度分别为0.01~2.5 m下不同风数据的分形维数,在相同平均风速条件下,风速序列随地表粗糙度增大,其分形维数减小。     

钙基脱硫剂分形孔结构的实验研究

分形维数是描述分形结构特性的一个重要参数,其反映了结构的规则程度,文章通过实验的方法,研究了钙基脱硫剂孔结构分形维数的变化特性,以及分形特性对脱硫剂的硫化能力的影响,结果表明CaO孔隙的平均孔径越大,分形维数会越小;脱硫剂硫化过程中形成的不可进入孔隙量随着分形维数的增大而增大。     

不同粒度煤粉的表面结构与燃烧特性研究

制备了4种不同粒度的平三煤和大友煤煤粉,分别采用低温饱和氮气吸附的方法和热天平研究了煤粉的表面结构特性和煤粉的燃烧特性。实验结果表明:随着煤粉粒度的减小,煤粉的孔隙结构发生变化,比表面积和孔容积均增大,表面结构复杂,致使分形维数增大,有利于煤粉颗粒的燃烧,因此,平三煤的着火温度降低了14℃,表观活化能均降低了12.3kJ/mol,燃尽率提高了9.81%,大友煤的燃烧特性变化规律相似。此外,煤粉颗粒的分形维数还能在一定程度上表述煤粉的燃烧特性,因此,分形维数可为煤粉燃烧特性的评价提供一种新的途径。     

撞击气化火焰边缘的分形特性

气化炉是IGCC发电系统的关键设备,在试验中采用火焰摄像系统拍摄了多喷嘴对置气化炉内撞击气化火焰图像,用像素点覆盖法计算了撞击气化火焰边缘的分形维数,提供了一种有效判断撞击气化火焰燃烧状态的方法。试验结果表明,撞击气化火焰边缘曲线具有分形特征。撞击火焰的边缘分形维数在点火阶段逐渐降低;从两喷嘴撞击向四喷嘴撞击过渡时火焰边缘曲线分形维数逐渐增大;随着操作负荷的增大,分形维数增大,但两喷嘴和四喷嘴撞击火焰之间的分形维数相差逐渐减小。     

粗粒料干密度缩尺效应规律及影响因素分析

为研究堆石坝粗粒料干密度缩尺效应规律及影响因素,总结了相似级配法、剔除法、等量替代法、混合法4种缩尺方法下的最大干密度随颗粒最大粒径的变化规律,并分析了缩尺方法(颗粒级配)、颗粒形状、压实方法、细观尺度4个因素对缩尺效应的影响。结果表明,4种缩尺方法下最大干密度均随最大粒径的增大而增大;从统计角度看,颗粒形状随着粒径增加,颗粒不规则性减小,表面光滑度增加,有利于达到密实状态;压实方法对最大干密度的影响不容忽略。     

矿物质在煤粉中的分布规律

对不同粒度煤粉中的矿物质分布特征研究表明,矿物质含量随煤粉粒度的增大而增多,单体矿物颗粒含量则正好相反,这一关系可以用mi=k(di)^D-D1来描述,其中,D为煤粉的粒度分布分形维数,D1为煤粉中矿物质的粒度分布分形维数。这一关系式表明,可以根据煤粉及矿物质的粒度分布特征预计不同粒度煤粉中的矿物质含量。     

同轴旋转射流燃烧器空气动力场的可视化研究

对同轴旋转射流燃烧器空气动力场进行了可视化实验研究。通过图象处理得到可视区边界，即一、二次风之间的界面。运用分形理论对其分形维数进行了研究，发现在不同的一、二次风旋流强度与不同的一次风率下，分形维数变化呈现一定的分布，据此确定了分层工况。     

基于分形学的湍流风谱特性对比研究

为定量描述湍流风场和解决湍流风谱模型选择时存在盲目性和不准确性等问题,基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度的影响,生成不同程度的风速时间序列曲线。基于图像识别技术和计盒维数法对各条件下风速曲线分形维数进行计算。结果表明:不同湍流风谱模型具有不同的分形特性;湍流风分形特性受湍流强度和地表粗糙度影响;相同地貌特征和气候条件下,不同高度处风速时间序列数据具有不同的分形维数。     

钙基脱硫剂孔隙分形特性的实验研究

分形维数是描述分形结构特性的一个重要参数,其反映了结构的规划程度。通过实验的方法,研究钙基脱硫剂在不同温度,气氛及烧结时间等煅烧条件下,对孔结构分形维数的影响,以及分形特性对脱硫剂的硫化能力的影响。结果表明煅烧温度对CaO孔结构的分形维数影响较小;CaO孔隙的分形维数随着煅烧气氛中的CO2浓度的增加而减小,随着烧结时间的延长而减小,脱硫剂硫化过程中形成的不可进行孔隙量随着分形维数的增大而增大。     

基于分形理论预测砂岩储层岩性

根据分形几何学基本理论,探讨岩石孔隙及测井曲线分形维数的确定方法。求取岩石孔隙分形维数有3种方法:分子吸附法、扫描电镜法、压汞法。分子吸附法和扫描电镜法求取岩石孔隙分形维数,所需实验设备昂贵,且过程复杂。利用岩心压汞毛管压力资料,通过线性拟合lgs与lgpc的关系,可计算出岩石孔隙分形维数D。测井曲线反映了地层岩石物理性质。从测井曲线外形上看,对应同一地层的不同测井曲线之间,以及同一条测井曲线的不同部分,分别具有相似的特性。测井响应的这种相似性,可以利用分形理论进行定量描述。目前普遍采用关联维数计算法和测井曲线分形校正法,计算测井曲线的分形维数。实际应用中,根据某油田2口取心井近50块岩样的统计分析,利用岩心压汞资料得到lgs-lgpc散点图,由于分形现象只存在于无标度区范围内,因此一般选取双对数坐标系上线性范围最宽的一段为无标度区,然后再对该段内所有的点进行拟合,并做相关系数检验,从而得到砂砾岩、不等粒砂岩、细砂岩、粉砂岩4种岩性的lgs-lgpc散点图(无标度区)。计算结果表明,应用测井曲线关联维数法预测砂岩储层岩性,其精确度达到92%以上。     

球形火焰分形维数的计算方法

根据分形理论,应用盒维法、圆环面积法以及圆规法计算了球形火焰的分形维数,比较了3种方法之间的差异,然后以掺氢乙醇-空气球形火焰为例,分析了火焰分形维数随掺氢量的变化关系.结果表明,在计算球形火焰分形维数方面,盒维法相对于圆环面积法和圆规法具有更高的准确性;分形维数能够反映出球形火焰在传播过程中稳定性的变化规律,其结果与直接观察火焰纹影图片得到的结论一致.     

基于分形理论与碳分析的柴油机颗粒物特性

颗粒物外在形貌与内在含碳属性的表征已成为大气颗粒物源解析的重要手段.应用分形理论及热光碳分析法,研究高、低负荷工况下不同粒径级柴油机颗粒物形貌的盒维数及其碳组分特性.结果表明:颗粒物粒径级越小,其吸附的可溶性有机物(SOF)越多,由分形理论计算得到的盒维数数值增大.低负荷工况下的颗粒物聚集现象严重,从而导致其分形盒维数比高负荷的高;在较小粒径级或低负荷工况时,因细颗粒物的吸附效应,最易挥发的OC1组分增多.低负荷工况下,元素碳(EC)中的EC1(char-EC)大量生成,其m(OC)/m(EC)值大于10;而高负荷工况下,EC几乎主要由EC2(soot-EC)组成,其m(OC)/m(EC)值小于1.此外,颗粒物形貌的盒维数与其有机碳与无机碳组分含量具有一定的关联,颗粒物的m(OC)/m(EC)比值越大,其对应形貌图的盒维数越大,反之亦然.     

掺砂粒径分布对泥质粉砂岩填料抗剪特性的影响

掺入不同粒径硬岩颗粒是软岩地层填方区改良软岩填料抗剪特性的重要方法。设定同粒径级配与单一粒径2类改良方式共32组试验,对比改良前后土料剪应力-剪切位移曲线,得到土料峰值剪切强度、破坏强度、粘聚力及内摩擦角等抗剪参数变化规律。试验结果表明,低应力条件下泥质粉砂岩土料受剪切作用而存在应变软化现象;掺入同级配砂粒后泥质粉砂岩土料内摩擦角随掺砂比例增加呈逐渐增大趋势,粘聚力先减小后缓慢增大;法向应力200、300kPa时,单一粒径替换后土料峰值剪切应力随掺砂中值粒径增加而缓慢增大并趋于稳定,内摩擦角随中值粒径值增大呈急剧上升后缓慢降低,在0.75 mm处取得极值;粘聚力呈先减小后逐渐增大趋势。可见采用粘聚力及内摩擦角等参数评估掺砂改良泥质粉砂岩土料抗剪特性时需注意粒径分布所引起的强度参数变化。     

风场风谱模型的分形维数研究

为定量地描述湍流风场,降低湍流风谱模型选用时的盲目性,采用基于分形学的计盒维数法和Hausdorff维数法计算并分析风场风速时间序列数据的分形维数。选用Kaimal、SMOOTH和NWTCUP等湍流风谱模型,在不同风速和不同湍流强度的条件下进行风场仿真,得出不同波动程度的风速。利用MATLAB求解出每组数据的分形维数,并与某一风场的实测风速数据的分形维数进行对比,得出NWTCUP模型的分形维数与实测数据的分形维数最为接近。初步研究结果表明,分形维数可以作为选择湍流风谱模型的一个重要定量参数。     

湍流预混火焰的分形特性

采用高速纹影摄影法获得了定容燃烧弹内预混湍流火焰的图像，分别用数盒子法和像素点覆盖法计算出了火焰图像的分形维数。湍流火焰的分形分析结果表明，定容燃烧弹内的预混湍流火焰结构具有分形特征，且属于非充分发展的湍流火焰。湍流火焰的分形维数反应了湍流脉动对火焰片的褶皱程度，湍流强度增大加剧湍流火焰前锋的褶皱，分形维数也随之增加。在相同湍流强度下，小尺度湍流对火焰前锋的褶皱作用更大。     

风力机叶片动态特性与分形维数关系研究

为探究风力机叶片动态特性与分形维数之间的关系,基于湍流风谱模型Von Karman和NWTCUP生成2种风场,通过多体动力学软件FAST仿真出不同风速条件下的风力机叶片挥舞和摆振时域动态响应,采用计盒维数法求解其分形维数。用发电机输出功率验证分形维数描述风力机叶片动态特性的可行性。结果表明:挥舞时域动态响应的分形维数随风速的增大逐渐减小,而摆振则相反,当达到额定功率时挥舞和摆振的分形维数变化都较小;相同风速下不同湍流风谱模型的功率虽几乎相同,但其对应的分形维数却不同,表明不同的湍流风谱模型有其特定的分形维数。     

隔热纤维体的热导率分形模型

根据纤维体内部分形结构特点,建立了隔热纤维体的热导率分形模型,并分析了空隙率、孔隙面积分形维数和孔隙曲线分形维数等对其热导率的影响.通过对硅酸铝纤维SEM图像的处理,得到了不同密度下硅酸铝纤维的孔隙面积和孔隙通道曲线的分形维数,并据此计算了硅酸铝纤维的热导率.实验结果验证了分形热导率模型的正确性.