降雨渗流作用下残积土边坡的数值分析

介绍了某残积土边坡受降雨影响的变形特点及边坡渗流分析计算理论,得到了残积土边坡降雨作用下的稳定渗流场,编制了考虑降雨渗流引起渗透力作用的边坡非线性有限元计算程序,计算模型采用Duncan非线性弹性模型和修正v值的Duncan模型。根据计算结果,分析了降雨渗流对残积土边坡的应力和变形的影响。边坡应力水平较小,但应重视边坡变形引起裂缝的防治。     

降雨条件下泡沫轻质土渗流特性研究

为了揭示道路改扩建工程中泡沫轻质土层的降雨入渗特性,基于Richards方程,采用COMSOL Multiphysicis有限元软件分析不同降雨强度、降雨时长以及渗透系数对泡沫轻质土层水分渗流场的影响。结果表明：（1）当降雨时长相同时,随着降雨强度的增大渗流场的入渗深度随之增加,且小型雨或中型雨情况下降雨入渗速度缓慢,由大型雨增加至暴雨时,降雨入渗深度显著增加;（2）当降雨强度相同时,渗流场中入渗深度随着降雨时长的增加而增加,但入渗深度的增加速度随时长的增加而减小,最终入渗深度随时长的增加逐渐趋于稳定;（3）当降雨强度和时长相同时,随着泡沫轻质土渗透系数的增加,渗流场中入渗深度的增加速度呈减小趋势,且随着泡沫轻质土渗透系数的增加入渗深度趋于稳定。     

管道渗流对表层土壤影响的数值模拟

采用有限容积法建立埋地管道泄漏多孔介质流固耦合相变数学模型,对油品管道下侧泄漏进行压力场和体积分数的数值模拟。研究表明管道泄漏后,压力对于表层土的影响极小,可以忽略不计。体积分数经过一定时间后,等值线形成一个正苹果形。由于重力作用y轴比x轴扩散快,之后油品最外层等值线到达表层土下缘,油品开始渗入表层土,密集的等值线继续向上扩散,当等值线前锋到到表层土上缘时外界就会发现有泄漏现象发生,但是最大等值线前锋并没有到达表层土。当表层区域都向表层有油品输出,并且比较密集的等值线前锋已经处在表层土,这时地表应该会出现油品液体的流动。再经过一段时间,外层等值线到达土壤最下缘,这就意味着开始有油品开始污染地下水。     

开采扰动下小湾沟铁矿渗流稳定性数值模拟分析研究

针对具有涌水风险的地下矿山,开展开采扰动影响下井下渗流稳定性和潜在的涌水风险分析对矿山井下涌水风险防治及安全开采具有重要意义。本研究以吉林省辉南县小湾沟铁矿为工程背景,通过FLAC3D渗流计算分析渗流稳定性,对井下矿体开采过程中预留保安矿柱的防水安全性、采场涌水风险进行了模拟,结果显示各中段采场开采后孔隙水压力均为0,表明小湾沟铁矿地下开采过程采场受河流水位渗流的影响较小,无潜在涌水风险。     

水分对渗流管道周围土壤影响的数值模拟

采用有限容积法建立埋地管道泄漏多孔介质流固耦合相变数学模型,对油品管道下侧泄漏进行压力场和体积分数的数值模拟。通过对比多孔介质中含有10%的水分和90%空气以及只含空气两种情况进行对比,研究表明管道泄漏后,速度等值线随时间变化极小,可以忽略不计,但不含水的情况比含水的情况压力波扩散要快很多,而且时间越久表现越明显。体积分数在两种情况下差别很大,而其中含水的情况扩散速率更慢,与实际情况更接近。     

采动影响下前方岩层支撑影响区数值模拟研究

开采扰动影响下工作面前方上覆岩层将产生位移和应力的重新分布,针对这一问题,利用FLAC3D模拟软件模拟了工作面回采后煤壁前方的支撑影响区的范围。模拟结果表明,工作面推进距离超过60m后,支承压力影响区范围基本稳定,影响范围达采煤工作面前方85m左右,其中支承压力峰值应力在煤体前方约10m左右。通过对采动后工作面前方的瓦斯抽采效果考察,工作面前方实际支撑影响区的范围与数值模拟结果相吻合。     

河流水体中石油类污染物迁移的数值模拟

建立了一个平面二维数学模型,以浐河下游河段为例,模拟在点源污染情况下石油类污染物在河水中的迁移,分析其流场与质量浓度场分布规律。采用交替方向隐式技术（ADI）和双扫描法（Double Sweep）求解质量守恒方程和动量方程,采用以QUICKEST格式为基础的三阶有限差分显示格式求解对流扩散方程。结果表明：数值模拟很好地反映了石油类污染物在河水中的迁移扩散情况。该河段流速分布较均匀,只有个别河道狭窄处流速较大;发生点源污染时,大概140min可以形成1km长的污染带,石油类污染严重区域超标18倍以上,下游大多数区域污染超标在2.5～3倍之间,在河水流速增大时,污染范围将更大。     

疏松砂岩气藏水敏及微粒运移对地层渗流条件影响的实验研究

针对疏松砂岩结构疏松、强度低的特点,利用真实的松散岩心,制作人工填砂岩心柱,进行不同含水饱和度下的比表面测试和不同含水饱和度及流速下的渗透率测试。实验结果表明：随着流速的增加,岩心渗透率先增大后缓慢下降;不同含水饱和度下及流速下的岩心渗透率改善程度振荡变化,整体概括为＂两头大,中间小＂;比面改善的变化趋势与渗透率的变化一致。     

非均质移动颗粒床的渗流换热模型与数值模拟

针对非均质移动颗粒床的换热过程,建立了其渗流换热的数学模型,提出了COADI-GS算法,采用此算法对移动颗粒床的气固换热过程进行流热耦合数值模拟。通过对均质与非均质这两种不同移动颗粒床换热模型的仿真结果进行比较,发现两者的床内温度分布有较大差异,非均质移动颗粒床模型能更为准确地描述床层内的渗流换热过程。计算结果表明,供风压力的增加虽有利于熟料颗粒的冷却,但会降低回收风的温度;颗粒温度随床层移动速度的增加而升高,近似为线性关系。     

水性聚氨酯膜渗透蒸发分离苯/环己烷的条件及过程

以聚己二酸1,4-丁二醇酯二醇（PBA-2000）和甲苯二异氰酸酯（TDI）为主要原料合成水性聚氨酯膜,并对苯/环己烷混合液渗透蒸发性能进行测试,讨论了苯/环己烷混合体系的渗透蒸发分离过程特点。结果表明,当膜厚度增大时,分离因子提高而渗透通量随之下降,这个变化趋势在膜较薄时很明显,达到一定厚度后则变化比较平缓;膜下游侧真空度提高会同时提高膜的分离因子和通量;增大料液中苯的浓度,提高料液温度会提高通量并降低分离因子。液体被分离组分在渗透蒸发膜中经历了吸附溶胀-膜内汽化-气体扩散的质量传递过程,“干区”对分离的影响作用更加显著。     

石油有机组分在包气带水土中残留和迁移差异

引言石油作为主要的能源而被不断开采并广泛应用于各个领域,此过程中造成的石油有机物因意外事故或管理不当而散落于地表的情况在世界范围内频繁发生[1-3]。地表的污染物又可通过入渗的方式经过包气带土壤而最终进入到地下水中[4-6]。这些污染物质中含有大量"致畸、致癌、致突变"的"三     

焦耳热效应对毛细管电泳中样品区带传输的影响

毛细管区带电泳过程中产生焦耳热效应会改变溶液的黏度,进而改变样品区带到达检测窗口的时间。建立了一个包含电势分布方程、连续性方程、动量方程、能量方程和样品组分迁移扩散方程的数学模型,应用有限元数值模拟的方法,对这些耦合的方程进行了求解。计算结构分析了在考虑和不考虑焦耳热的情况下样品组分区带的传输过程。结果表明,毛细管内径、对流换热系数及缓冲溶液浓度都会影响样品区带在毛细管中的运动速度,进而改变其到达检测窗口的时间。     

埋地输油管道泄漏污染物地表运移特征

输油管道泄漏受到人们广泛的关注,泄漏污染物地面特征是输油管道泄漏检测技术应用的基础。建立了埋地输油管道泄漏二维模型,模拟埋地输油管道泄漏污染物地表运移过程,研究不同泄漏孔径和位置对埋地输油管道泄漏污染物地表运移特征的影响。结果发现：泄漏初期,污染物所受阻力均匀,向四周均匀迁移,而且迁移速度前期快,后期逐渐减小;泄漏孔径越大、泄漏孔位置越靠近地表,石油污染物到达地表的时间越短,水平最大位移量越大,地表特征越明显。     

双室蒸发分离室内流动及蒸发过程的数值模拟

掌握双室双管程蒸发器分离室内汽液二相流动及蒸发过程特性是其进一步结构优化的基础,应用STARCCM+软件对分离室内隔离板上平衡孔的形状和位置对汽液二相流动及蒸发过程的影响进行了数值模拟。模拟结果表明:分离室内隔离板上平衡孔较佳的形状为圆形孔,其适宜的设置位置为距分离室底部与距汽液入口处距离之比在2∶3—2∶1之间。设置在该区域时,分离室内流场均匀,流动阻力损失较小,推动力较大;在平衡孔形状及位置较佳的情况下,分离室一内液位高于分离室二,隔离板两侧温度分布相对比较均匀,并能够建立起稳定的温度差和浓度差,在分离室上方汽液能够实现较好的分离;模拟结果进一步证实了双室双管程蒸发器实际操作的可行性。     

区域熔融法提纯工业黄磷的数学模型与实验研究

为了满足高纯磷酸以及半导体等行业对高纯磷的需求,采用了区域熔融法对工业黄磷进行提纯,分析了区熔法提纯工业黄磷的原理,并根据所测有效分布系数建立整个区熔过程中杂质分布的数学模型.实验考察了熔区长度以及熔区移动次数等对杂质分布的影响,研究结果表明,采用区域熔融法提纯黄磷具有良好的效果,能有效地脱除所考察的13种杂质(Fe, Ca, Co, Mg, Cr, Cd, Mn, Ni, Cu, Pb, Zn, Al, As);当熔区为区熔管长度的0.1倍时,熔区移动速度为5 mm·h~(-1),经过10次区熔后,60%的黄磷产品纯度达到99.99999%(7N),完全能够满足半导体行业以及高纯磷酸对磷的纯度要求;所建立的杂质分布数学模型能够很好地描述杂质在区熔过程中的分布情况.     

Numerical simulation of hydration-driven moisture transport in bulk and interface paste in hardening concrete

In real concrete two types of cement paste can be distinguished, i.e., bulk paste and interface paste. Initially the paste in the interface zone will generally contain more water than the bulk paste and will therefore hydrate differently. Differences in relative humidity and associated differences in pore water pressure will result as well. If the interface paste and the bulk paste could hydrate individually, a situation will result where a relatively porous water-rich interfacial zone coexists with a relatively dry bulk paste. However, due to gradients in porosity, permeability, relative humidity and pore water pressure, a flow of moisture will start from the water-rich interfacial zone to the bulk paste. It will be shown how the moisture transport can be simulated numerically and how this transport phenomenon influences the overall rate of hydration of cement in concrete. Numerical results are compared with experimental data presented in literature. The relevance of modelling of this kind of transport phenomena is briefly dealt with.     

正渗透过程中水与溶质的传递现象

正渗透是一种利用渗透原理的新兴膜技术,近年来在国内外受到了广泛的关注。解析该过程中溶剂水的传递和驱动溶质的反向传递对其发展和应用至为关键。首先开展了两种膜的取向下,正渗透过程中的水通量和溶质反向摩尔通量的实验研究。当驱动溶液在膜分离层侧时,水通量更高,而溶质反向摩尔通量更低,表明水的传递对溶质的反向传递有限制作用。而后分别考察了不同的单一溶质和二元混合溶质作为驱动溶质时,水和溶质的传递现象。当单一中性溶质或电解质作为驱动溶质时,水通量和溶质反向摩尔通量均随驱动溶液浓度的升高而增大;在相同操作条件下,驱动溶质的扩散系数越小,溶质反向摩尔通量越小;中性溶质与电解质混合溶液为驱动溶液时,溶质分子之间存在耦合传递效应。     

Numerical simulation of cement-to-formation interface debonding during hydraulic fracturing of shale gas wells

Abstract

The hydraulic fracturing process involves high pump pressure and large displacement, which increase the risk of debonding on the interface of the cement sheath and rock formation. Therefore, in this study, a three-dimensional numerical calculation model of casing-cement sheath-formation assembly was established, and the failure mechanism of the bonding surface caused by fracturing due to fluid migration was investigated. The effects of the cement sheath’s Young’s modulus and Poisson’s ratio, bonding strength, perforation azimuth angle, and non-uniform in-situ stress on the anti-debonding ability of the cement-to-formation interface were analyzed. Finally, the following conclusions were drawn: The calculation results show that the failure of the bonding surface is greatly affected by the bonding strength, and its anti-debonding ability significantly increases linearly with increasing bonding strength. Furthermore, while increasing the Young’s modulus improves the anti-debonding ability, the Poisson’s ratio of the cement sheath and the perforation azimuth angle have little effect. Under non-uniform in-situ stress, the anti-debonding ability decreases with the increase of the difference between the horizontal and vertical in-situ stress. Thus, the non-uniform in-situ stress accelerates the failure of the bonding surface.     

气浮接触区气泡聚并行为的数值模拟

在气浮接触区内,聚并会导致气泡直径增大,对分离效果产生影响。采用相群平衡模型对接触区气泡聚并行为进行数值模拟,研究了气泡聚并发生的原因及来液流量、回流流量对气泡聚并的影响。首先分别应用Schiller-Naumann、Grace和Tomiyama3种曳力系数模型进行模拟,所得气泡直径均与实验值吻合,无明显差异,选定Schiller-Naumann曳力系数模型对气浮中两相流动进行模拟。通过对模拟结果进行分析,表明回流入口周围上下行流过渡区域存在较大速度梯度,是导致气泡聚并的关键因素。最后研究了来液流量和回流流量对接触区气泡尺寸的影响,接触区上部气泡直径随回流流量增大而明显增大,原因在于增大回流流量使得过渡区域速度梯度升高,气泡聚并频率提高;而来液流量对气泡尺寸基本无影响。     

电渗析脱盐过程离子传递现象的数值模拟

建立了电渗析脱盐过程离子传递稳态模型,研究了离子电荷数、离子扩散系数和离子交换膜电导率对脱盐过程传质的影响,描述了离子浓度分布、电势分布和离子传递通量分布的变化情况。研究表明:相较于一价离子,二价离子在电渗析过程中膜两侧浓度差较小,跨膜电压降较高,各项传递通量较小;当离子扩散系数增大时,膜两侧浓度差减小,跨膜电压降升高,总传递通量和电迁移通量增大;当离子交换膜电导率增大时,膜两侧浓度差增大,跨膜电压降降低,各项传递通量均增大。