水源热泵回灌困难颗粒阻塞试验研究

 以水源热泵回灌过程中物理堵塞现象作为研究对象,利用玻璃珠和砾石颗粒作为多孔介质,以碱性氧化铝作为悬浮颗粒,利用自行研制的砂层阻塞试验系统装置模拟多孔介质中悬浮颗粒的迁移和沉积过程,试验中介质运动速度控制在20～200 cm/min。研究悬浮颗粒在玻璃珠和砾石颗粒中沉积时水压力与流速关系,对悬浮颗粒在2种不同介质中的沉积机制进行分析;同时研究玻璃珠介质在相同的流速和不同的悬浮颗粒浓度下相对渗透率与时间的变化关系;最后给出渗透系数衰减模型,模型对预见渗透系数的降低是有效的。     

渗透作用下多孔介质中悬浮颗粒的迁移过程研究

对天然硅粉悬浮颗粒在饱和的石英多孔介质中的渗透迁移特性进行圆柱穿透试验,得到6种不同颗粒粒径(10,15,20,25,33,47μm)、3种不同颗粒浓度(0.2,0.5,0.8 mg/ml)、3种不同渗透速度(0.087,0.173,0.260 cm/s)和3种不同渗透方向(即自上向下,水平,自下向上)的颗粒穿透曲线,重点研究这些因素对悬浮颗粒迁移的水动力学过程、弥散效应、沉积效应等物理机制的影响。研究表明,当渗透速度相同时,颗粒穿透过程中的浓度峰值一般随颗粒粒径的增大而减小。而随渗透速度的增大,水动力学作用对颗粒迁移的影响越来越大,此时颗粒粒径大小的影响则逐渐减小。此外,存在一个临界浓度值,当注入的悬浮颗粒浓度大于该值时,随着注入悬浮颗粒浓度的增大,出流液中的颗粒相对浓度反而有减小的趋势,这与大量的悬浮颗粒进入多孔介质造成多孔介质孔隙的堵塞有关。     

多孔介质中沉积颗粒脱离特性试验研究

开展沉积颗粒在多孔介质中脱离过程试验对研究地下水源热泵回灌堵塞过程有重要意义。利用自主研发的砂层沉积–脱离模拟试验系统,研究增加渗流速度和改变渗流方向对多孔介质中已沉积颗粒脱离特性的影响。结果表明:在改变渗流速度大小条件下,渗流速度越大,已沉积的颗粒越容易发生脱离,到达悬浮颗粒相对浓度第二次峰值所需的时间越短,而达到二次峰值时所注入的水量接近;与改变渗流速度大小相比,用改变渗流方向的方式进行沉积颗粒脱离效果更为明显,到达二次峰值所需时间更短、水量更少,但随着时间增加,多孔介质中又会出现类似渗流方向改变前的堵塞现象;渗流条件变化后的初始阶段是已沉积颗粒脱离的主要时期。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的沉积-脱离特性进一步研究奠定了基础。     

粒径对多孔介质中悬浮颗粒迁移—沉积特性的影响

粒径变化对悬浮颗粒在多孔介质中迁移—沉积过程影响的研究有重要意义。利用自主研发的砂层迁移—沉积模拟试验系统,研究不同粒径的悬浮颗粒在不同尺寸多孔介质中的迁移—沉积特性。结果表明,对于相同尺寸的多孔介质,随着悬浮颗粒粒径的增加,到达相对浓度峰值时间增加,而对应的相对浓度峰值降低;同时,对于相同粒径的悬浮颗粒,随着多孔介质尺寸增大,相对浓度峰值增加;另外,相对于多孔介质,悬浮颗粒粒径的变化对其迁移—沉积过程影响更为显著;随着多孔介质与悬浮颗粒粒径比增大,相对浓度的峰值和终值增大;根据粒径比不同将悬浮颗粒在多孔介质中的迁移—沉积类型划分为“滤饼过滤型”、“迁移—沉积型”、“自由迁移型”3种。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的迁移—沉积特性进一步研究奠定了基础。     

颗粒流模拟砂土渗流规律的适用性研究

为了详细探讨颗粒流程序在计算多孔介质渗流规律的适用性问题,采用三维颗粒流程序对不同级配砂土的渗流规律进行了数值模拟。结果表明,对于层流状态,在相同的渗透坡降下,球形颗粒渗透系数大于实际砂土的渗透系数,对其原因进行了深入分析;采用棒状颗粒并选取合适的形状系数,可大大缩小数值试样的渗透系数与实测值的差距;数值试样的渗透系数随着平均粒径和孔隙率的增大而增大,与室内渗流试验的结果一致;在用颗粒流进行渗流分析时,对于引起颗粒起动、渗透变形等的水力条件,建议选用渗透流速作为判别标准,而不是施加的渗透坡降。     

温度和pH对多孔介质中悬浮颗粒渗透迁移的影响

基于悬浮颗粒迁移的经典模型,在颗粒沉积动力学方程中考虑释放效应,求解了瞬时注入情况下悬浮颗粒的一维迁移问题的解析解,同时对两种不同悬浮颗粒(硅微粉和聚苯乙烯微球)进行室内土柱试验,得到不同pH(4,7,10)、不同温度T(20℃,30℃,40℃)和不同流速(0.042,0.127,0.212 cm/s)下的迁移曲线。利用解析解对试验数据进行拟合并确定迁移参数,讨论了温度、流速对迁移参数的影响。研究表明:温度、pH、颗粒种类是影响多孔介质中悬浮颗粒迁移的重要因素,当pH=7,T≤30℃时,悬浮颗粒排斥力起主导作用,当T30℃时,布朗运动占主导作用;同时,随着流速的增大,水动力效应增大,温度对浓度峰值的影响不明显;随着pH的增大,聚苯乙烯微球在不同温度时的迁移曲线规律与硅微粉不同。     

温度和pH对多孔介质中悬浮颗粒渗透迁移的影响

基于悬浮颗粒迁移的经典模型,在颗粒沉积动力学方程中考虑释放效应,求解了瞬时注入情况下悬浮颗粒的一维迁移问题的解析解,同时对两种不同悬浮颗粒（硅微粉和聚苯乙烯微球）进行室内土柱试验,得到不同pH（4,7,10）、不同温度T（20℃,30℃,40℃）和不同流速（0.042,0.127,0.212 cm/s）下的迁移曲线。利用解析解对试验数据进行拟合并确定迁移参数,讨论了温度、流速对迁移参数的影响。研究表明：温度、pH、颗粒种类是影响多孔介质中悬浮颗粒迁移的重要因素,当pH=7,T≤30℃时,悬浮颗粒排斥力起主导作用,pH=7,T>30℃时,布朗运动占主导作用;同时,随着流速的增大,水动力效应增大,温度对浓度峰值的影响不明显;随着pH的增大,聚苯乙烯微球在不同温度时的迁移曲线规律与硅微粉不同。     

考虑变形影响的致密砂岩油藏非线性渗流特征

致密砂岩油藏水驱渗流特征体现非线性渗流规律,存在启动压力梯度,且水驱过程中多孔介质会产生变形,岩石渗透率降低。通过电镜扫描试验研究致密砂岩纳米级微观孔隙特征,结合岩石颗粒分布特征,建立致密砂岩变形引起应力敏感理论模型,得到岩石介质变形系数,并与试验测试结果进行对比分析;建立考虑致密砂岩岩石变形影响的渗流数学模型,研究启动压力梯度及介质变形共同作用对油、水两相非线性渗流特征影响。算例结果表明,启动压力梯度与介质变形的耦合作用造成水驱渗流阻力增大,地层压降损失增大;介质变形系数越大,相同生产时间内原油采出程度越低,随着生产时间增加,地层压降损失幅度增大。     

基于渗滤效应的多孔介质渗透注浆扩散规律分析

渗滤效应广泛存在于多孔介质悬浊液渗流过程中,其直接影响悬浊液颗粒扩散迁移全过程。基于渗滤效应理论模型,研究水泥浆液在多孔介质中的运动规律,建立考虑渗滤效应的浆液运动方程。与已有研究对比,浆液运动方程不仅适用于恒速率注浆,也适用于恒压注浆。建立浆液一维渗滤扩散数值模型,与达西定律对比,结果表明渗滤效应对浆液扩散影响显著。分析渗滤效应对多孔介质孔隙率、浆液浓度和浆液压力的分布的影响规律,揭示渗滤效应对浆液扩散及有效加固范围的影响机制,对多孔介质的悬浊液注浆理论与实践具有借鉴意义。     

基于格子Boltzmann方法的多孔介质渗流特性模拟

为研究随机多孔介质内部的渗流特性,采用基于蒙特卡洛方法随机生成的多孔介质结构结合格子Boltzmann方法的D2Q9模型模拟压力驱动时多孔介质内的渗流,发现多孔介质内的平均流速与压强梯度严格成正比,符合达西定律。在相同孔隙率、不同粒径的多孔介质中,渗透率的变化与粒径的平方成正比;在相同粒径、不同孔隙率的多孔介质中,渗透率的变化与孔隙率的关系式成正比;渗透率与Kozeny-Carman理论公式拟合较好,且多孔介质圆度越大,颗粒越不规则,渗透性能也越差。研究结果表明：格子Boltzmann方法可以准确地模拟多孔介质内的渗流,且多孔介质的内部结构会影响其渗透性能。     

Mixing effect and combustion efficiency in compartment fires

A new model for compartment fires is proposed in which the new concept of combustion efficiency based on the mixing process of the fuel gas and air has been considered. This new concept was formulated by the mixing parameter, μ. It was defined as μ1 − exp(−τ^*) and τ^* was related to the residence time t_R and mixing time t_M, that is, τ^* = t_R/t_M.

A simple one zone model was used in order to demonstrate the effect of the mixing process. Theoretical results were in good agreement with the experimental results of methanol and PMMA compartment fires, and especially the scale effect of the compartment was predicted successfully. Further, the similarity law for this scale effect was investigated, and the upper and lower limits of flashover were defined using a new number F. This F number was found to be the key parameter for the prediction of the compartment fire behavior.     

西北复合盐侵蚀环境衬砌喷射混凝土离子扩散研究

中国西北地区盐渍土广泛分布,侵蚀性离子与喷射混凝土衬砌接触并向其内部扩散,经过一系列物理化学作用,形成高溶解性、膨胀性及无胶凝性侵蚀产物,破坏喷射混凝土微观结构,造成衬砌结构耐久性退化。采用干湿交替制度,模拟西北地区自然环境;以5%Na2SO4+5%MgSO4+3.5%NaCl(质量百分比)混合溶液为侵蚀介质,模拟盐渍土及其地下水中的离子组成及含量,开展复合盐侵蚀喷射混凝土耐久性试验,测试混凝土pH值,水溶性Cl-、SO2-4、Ca2+含量及酸溶性SO2-4含量。结果表明：干湿交替次数增大,混凝土pH值,水溶性Ca2+含量降低,水溶性Cl-、SO2-4及酸溶性SO2-4离子含量增大。Mg2+扩散导致混凝土侵蚀区pH值明显降低。但随着深度增大,混凝土pH值快速增大继而稳定。Cl-扩散降低酸溶性SO2-4含量,而SO2-4的扩散加速混凝土pH值及Ca2+含量降低,并在一定程度上促使Cl-含量提升。喷射混凝土的水胶比、粉煤灰取代率及钢纤维掺量对离子扩散具有显著的影响。喷射混凝土中水溶性Cl-及SO2-4扩散符合Fick第二定律,并建立了考虑喷射混凝土配合比参数的离子扩散模型。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

青藏高原东缘水库绕坝基渗流化学溶蚀研究

研究了青藏高原东缘某大坝基础遭受渗流场与化学场破坏的过程。通过氯离子示踪、温度电导示踪以及人工示踪方法,确定混凝土防渗墙中存在缺陷,库水通过非全封闭式防渗墙绕坝基渗漏,渗水通过坝后区的反滤层排泄;酸溶解试验和X射线荧光分析证明,坝后区地表的白色颗粒物主要是CaCO_3;结合化学反应过程,确认析出物来自于防渗墙中的水泥,渗漏水中的CO_2与水泥中的Ca(OH)_2发生反应生成可溶性Ca(HCO_3)_2,然后被渗漏水带到地表,并在常温下分解形成CaCO_3。通过地表水中CO_2含量的测试分析发现,参与水岩反应的CO_2具有除大气降水之外的其他来源。结合地质构造推断来自深部碳库中的CO_2通过断裂带进入到了地下水与库水中,并参与了水岩反应,对大坝的侵蚀速度大幅度增加。研究表明深部CO_2进入地下水并参与渗流过程,对大坝及水工建筑物的化学侵蚀作用将大幅度增强。     

三参数强度理论及其在脆性材料中的应用

为了完善岩石、混凝土等脆性材料的强度理论,在双τ²强度理论的基础上,考虑两个较大的主剪应力和静水压力对岩石类材料强度的不同贡献,提出了一个新的含有3个参数的双τ²强度理论。推导出了该理论的数学表达式,分析了主应力空间极限面的相关特性,研究了该理论在几种应力状态下的理论预测曲线,并与一些实验数据进行了对比分析。结果表明:该理论在主应力空间的极限面为在拉伸区封闭而在压缩区开口且沿着静水压力轴不断增大的曲面,子午线为椭圆曲线,极限面的形状由材料的极限应力比α、β决定;在σ₁＞σ₂=σ₃或σ₁=σ₂＞σ₃的应力状态下,该理论的理论预测曲线与极限应力比β无关,极限应力σ₁随着压拉比α的增大而增大;双τ²的三参数强度理论与部分岩石和混凝土材料的实验数据吻合较好,完善了脆性材料的强度理论。     

Partitioning of [C]PCB between water and particulates with various organic contents

The use of [¹⁴C]PCB was an effective technique for evaluating the partitioning of PCB between water and particulates. The sorption of [¹⁴C]PCB to clay and/or organic particulates and its subsequent degree of retention on the particles in clean medium was directly related to the particle organic content. Concentration factors (PCB on particles/PCB in water) ranged from 1.1 × 10⁴ for 100% inorganic illite clay to 4.9 × 10⁴ for 100% organic matter.     

惰性介质对铝粉抑爆效果的试验研究

基于siwek-20 L爆炸测试系统,在试验分析碳酸钙、碳酸氢钠和磷酸二氢铵这3种惰性介质的惰化性能的基础上,进一步研究其介质之间的协同增效效应。结果表明：对于浓度为300 g/m³的铝粉,惰性介质能使铝粉爆炸受到明显的抑制,且随着惰性介质含量的增加,铝粉爆炸强度不断下降;NH₄H₂PO₄的抑制效果优于CaCO₃,CaCO₃优于NaHCO₃;添加CaCO₃与NH₄H₂PO₄配比的复合惰性介质和NaHCO₃与NH₄H₂PO₄配比的复合惰性介质时,铝粉爆炸受到进一步的抑制,体现出惰性介质之间的协同增效效应,其中CaCO₃与NH₄H₂PO₄按照1∶1配比的复合惰性介质抑爆性能最佳。     

应力状态下含黏粗粒土渗透变形特性试验研究

含黏粗粒土的渗透变形问题是水电工程中常见的渗透稳定性问题之一。对于含黏粗粒土来说,黏粒含量、颗粒级配及应力状态是影响渗透变形最重要的3个因素。为研究应力状态大小对含黏粗粒土渗透变形特性及临界水力梯度的影响,利用大直径渗透变形仪加载系统,完成了侧限条件下某含黏粗粒土在0.1,0.3,0.6,0.9 MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。试验结果表明：不同应力状态下黏粒含量值的大小直接影响到含黏粗粒土的渗透变形破坏类型;试件中附加应力值越大,产生渗透变形时的临界水力梯度也越大。通过对渗透变形试验过程中渗透系数的演化过程研究,提出了利用渗透系数与水力梯度关系曲线的突变关系来判断临界水力梯度的新方法。