高温岩体热流固耦合损伤模型及数值模拟

高温岩体地热开发过程中存在渗流场、应力场、温度场3场耦合效应。针对目前考虑损伤作用和热对流影响的3场耦合模型、关于热储层特别是人工储留层周围高温岩体的热破裂、温度场的变化和热对流交换规律的研究以及原位试验方面的资料较少的现实,建立了高温岩体热流固耦合损伤模型,并将上述模型用于高温岩体地热开发中。通过数值模拟,揭示高温岩体地热开发过程中高温岩体的热破裂机理、温度场、渗流场的变化规律以及人工储留层中热流体的对流规律,所得研究成果对高温岩体地热开发具有理论意义和实用价值。     

多孔介质内预混合燃烧的二维数值模拟

为了研究预混气在多孔介质内过滤燃烧特性,根据多孔介质燃烧理论,建立了甲烷/空气预混气在堆积床内燃烧的二维双温模型。给出了当量比、入口速度和小球直径等参数对温度分布的影响,分析了燃烧器内氧化铝小球的蓄热特性。结果表明:火焰面的前缘呈抛物线形状,燃烧波波速在0.1 mm/s数量级;随着当量比增加,波速度减小,燃烧区域范围扩大;随着入口流速增大,燃烧最高温度升高,火焰面宽度变窄,燃烧波波速增大;随着氧化铝小球直径增大,火焰面厚度变窄,燃烧波速度增大;氧化铝小球在过滤燃烧中体现出良好的蓄热能力。     

基于ADINA的多孔介质流固耦合分析

基于流固耦合的研究理论,根据多孔介质(过滤板)中流体与结构之间的耦合关系,以有限元分析软件ADINA为平台,建立多孔介质(过滤板)的三维有限元模型,计算得到多孔介质(过滤板)在流固耦合作用下应力分布及变形情况.计算结果表明流固耦合作用对多孔介质(过滤板)变形破坏有重要的影响.针对计算结果,为过滤板的设计提出几点建议.     

局部热非平衡多孔介质圆管非达西强迫对流换热分析

对流体饱和多孔介质圆管内局部热非平衡情形下非达西强迫对流的换热性能进行数值模拟.首先利用Brinkman流动模型和局部热非平衡模型建立研究问题的数学模型,预测强迫对流换热.然后使用COMSOL Multiphysics仿真软件对模型求解,获得无量纲渗流速度场、固体骨架温度场、流体温度场和努塞尔数(Nu).此外,详细分析Nu对某些关键参数的依赖性.研究发现,随着达西数(Da)和毕渥数(Bi)的增加,Nu先增加后趋于渐近值;贝克来数(Pe)的增加会导致Nu单调增加;相反,流体有效热导率与固体骨架有效热导率之比(即导热比κ)和流体有效动力黏度与实际动力黏度比(即黏度比M)的增加将导致Nu先减小后趋于渐近值.所得模型和数值结果既可用于提高工程中多孔介质圆管换热能力,也可为相关实验和解析研究提供参考.     

幂律流体饱和多孔介质平板通道流动特性分析

针对幂律流体在填充多孔介质平行板通道中强迫流动充分发展的流动特性问题,基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,通过假定边界层内速度分布经验关系式,采用边界层动量积分方法,推导出边界层厚度、轴向流速及压力降的无量纲计算表达式。比较了线性、抛物线两种速度分布模型与分析解的接近程度,并讨论了达西数Da、综合惯性参数F'、粘性比M、孔隙率φ及幂律指数n等对无量纲轴向流速分布和压力降的影响。计算结果表明,在非达西流区抛物线速度分布模型的精度更高,除M外,Da、F'、M、φ及n对无量纲轴向流速分布和压力降均有较大影响。     

饱和多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合分析

利用混合物理论,推导出裂隙岩体等效连续介质温度场、渗流场和应力场三场耦合的全耦合数学模型及其控制方程.采用全耦合求解法给出了控制方程的有限元表达式,编制了相应的二维有限元程序.给出的应用算例计算结果较好地反映了渗流、应力及温度场耦合作用下位移、孔隙水压力、温度的变化规律,表明了该计算模型与所开发的数值计算程序是合理和实用的.     

基于多孔介质理论的饱和土中球形空腔的稳态响应

将土体视为液固饱和2相多孔介质,利用多孔介质理论描述饱和土的宏观力学行为,运用势函数和贝塞尔函数的性质求解了饱和土体中球形空腔的稳态响应问题,得到了简谐动荷载作用下球形空腔的径向位移、径向应力和孔隙水压力的解,分析了饱和土液固耦合系数对球形空腔稳态响应的影响,并分析了径向位移、径向应力和孔隙水压力沿半径方向的消散规律.     

基于热流固耦合的分级注水泥器失效分析

针对分级注水泥器在实际固井使用过程中出现的循环孔打不开、关不上等失效问题,基于热流固耦合分析理论和CFD数值模拟方法,结合某油井的实际固井数据,建立从井口到分级注水泥器位置处的完整三维有限元模型.运用流体计算软件得到不同流体在不同井深位置处产生的压力与温度,将流体域求得的压力与温度传递到固体域,对分级注水泥器变形进行分析.结果表明,固井过程中注入不同流体产生的压力不同,压力对分级注水泥器的变形量有较大影响,本体与滑套的变形是导致循环孔无法正常打开或关闭的主要原因.     

燃烧模型对多孔介质内预混燃烧的影响

采用二维非稳态数学模型研究燃烧模型多孔介质内预混燃烧影响.燃烧模型分别为单步和多步化学反应动力机理（17种组分,58个反应）,CH4/空气当量比的范围为0.55～1.0.对比分析两种燃烧模型下燃烧器中心处的温度、组分浓度分布曲线.结果表明,多步燃烧模型对燃烧器内温度、组分浓度分布有更准确的预测,并与文献结果比较,证实了二维非稳态数学模型的正确性.此外,将二维的温度场进行比较,结果表明单步化学机理的反应区域小,温度梯度大,而多步化学反应由于各反应步骤存在时间尺度的差异,反应区域大,温度梯度相对较小,与实际燃烧情况能很好的吻合.     

Numerical investigation on failure behavior of steel plate under explosive loading

The failure behavior of metal materials under strong dynamic loading such as explosive and impact loading has important applications in the fields of defense in...     

平面应变条件下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于Hvorslev面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出在不排水和排水固结条件下饱和黏土的应变局部化分叉条件,分析不同渗透系数、排水路径长度和应变速率对分叉的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体应变局部化分叉随着孔隙水的流动程度发生显著变化.利用嵌入上述本构模型的有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对加载面排水的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析.结果表明：当排水路径长度和应变速率一定时,渗透系数越大,应变局部化分叉出现得越早;当渗透系数一定时,排水路径长度和应变速率越大,应变局部化分叉出现得越晚;当时间因数一定时,应变局部化分叉出现时对应的剪应变一定.     

大孔隙对多孔介质导热性能影响的数值分析

采用有限体积方法求解Laplace方程,对非均匀多孔介质中大孔隙对导热性能的影响规律进行数值分析。研究结果表明,有效导热系数随着大孔隙的形状、排列方式、连通性和方向的不同呈现出很大的波动性,其中大孔隙的连通性和方向对多孔介质导热性能的影响尤其严重。研究结果可为非均匀多孔介质导热性能预测模型的改进提供参考依据。     

钢板移动式感应加热的多场耦合数值分析

针对钢板的感应加热弯板成形问题,利用ANSYS软件的物理环境法建立了钢板移动式感应加热的电磁-热-结构耦合分析的数值模型。为了实现移动加热的模拟,采用节点约束方程解决了钢板、感应器和空气间隙组成的求解域的多场耦合问题,数值计算结果与实验数据吻合,验证了数值模型的正确性。然后,对钢板感应加热过程进行了数值分析,得出结论:感应加热过程中,涡流集中分布于感应器前端的钢板金属,有利于钢板快速升温,并迅速进入准稳态加热状态;在加热结束时,磁通密度外扩形成感应加热过程所特有的端部效应,从而影响钢板端部的温度分布及最终的板边变形。     

滑移边界条件下的渗流基本微分方程

首先根据牛顿流体的应力和应变的关系,以及在层流条件下,在固壁附件滑移长度和滑移速度的线性关系,得到了在层流条件下,具有滑移边界的圆管中的速度公式和流量公式;然后采用毛细管束模型,推导出了在多孔介质中具有滑移效应的渗流速度方程,和滑移渗流的基本微分方程.方程中的渗透率由非滑移渗透率和相对滑移渗透率组成,相对滑移渗透率的数值取决于毛管半径R和滑移长度b.     

土体固结与溶质运移三维耦合模型

考虑堆场上覆堆积体自重引起的土体固结与溶质运移的耦合效应已成为环境土工领域中的热点问题。在 Biot 固结理论和溶质运移理论相结合的基础上,以孔隙率作为耦合参量,将固结方程与运移方程相联系,考虑土体固结对溶质运移模型参数的影响,建立了溶质在固结变形土体中运移的三维耦合模型。采用多场耦合有限元软件 COMSOL Multiphysics 对模型进行了数值求解。数值模拟结果表明,土体固结变形对溶质运移过程具有较强和持久的阻滞作用,导致溶质运移深度以及污染羽范围的减小,在模拟运移20 a 时,运移距离减小率已高达27．75％,且随着时间的增加而逐渐增大;溶质在水平方向的迁移距离不可忽略,随着横向水力梯度的增大而增大。     

油介质下轮轨粘着特性数值分析-研究生论坛

基于二维滚动接触理论和部分弹流理论,建立了微凸体接触情况下的稳态部分弹流数值模型,运用多重网格法对油介质工况下的轮轨黏着特性进行数值仿真研究。利用所建立的数值仿真模型研究了轮轨接触压力分布情况,分析了滚动速度、载荷、轮轨表面粗糙度等参数对轮轨黏着特性的影响。结果表明:油介质条件下轮轨接触区的宽度比干态下要宽,是干态下接触区宽度的1.5倍左右;油介质下的轮轨黏着系数明显小于干态下的黏着系数;轮轨黏着系数随着速度的增加逐渐减小,随接触压力的增加而降低,随轮轨表面粗糙度的增加而增大。