水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

盐岩水压致裂溶解耦合数学模型与数值模拟

在建立岩盐水压致裂、溶解、固-流-传质耦合数学模型的基础上,对其进行了相应的数值模拟。数值模拟结果表明,在水力压裂过程中,岩盐水力裂缝呈扇形张开,其裂缝宽度与离开注水井口的距离及时间成非线性关系;随裂缝的扩展及裂缝宽度的变化,裂缝中压力在逐步降低同时向缝尖转移,同时裂缝具有阶段性扩展的特征;在压裂过程中,井口压力的实测结果与数值模拟结果吻合较好。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

超高层建筑风荷载数值模拟研究

针对某超高层建筑,采用流体动力学计算软件对其弹性模型的风荷载进行了数值模拟,选用剪切应力输运模型SST对建筑周围的风场进行了模拟,得出了流固耦合条件下该建筑表面的风压分布以及风压时程数据,最终得出该建筑物的位移时程曲线。     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

空中爆炸数值模拟的空气单元划分研究

为研究流固耦合算法下空气单元划分方法及尺寸对空中爆炸冲击波传播的影响,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了无限空气域的空中爆炸数值模型,通过不同单元划分模型及不同单元网格尺寸模型的结果和经典经验公式进行对比分析,得到适用的空气单元划分方法和尺寸,其结论可为相关研究提供依据.     

龙潭隧道页岩段施工优化数值模拟

选取龙潭隧道右线页岩地段为研究对象,用有限差分程序研究了该段施工过程中,不同开挖方法条件下围岩的受力和变形特征,通过对比分析,确定了该段施工的优化方案,方案安全有效,对类似工程具有一定的借鉴意义。     

考虑风荷载湍流影响下的框架结构流固耦合作用数值模拟分析

根据CFD数值模拟的基本原理和方法,研究框架结构的涡激振动及其绕流场控制原理,揭示湍流来流条件下框架结构涡激振动的基本特点以及规律,系统地研究了框架结构流固耦合效应及其流场主动控制方法与机理,其结果可为框架建筑结构的绕流场及其风致振动效应的分析提供理论依据。     

某地铁站台膜结构平均风压分布系数数值模拟研究

膜结构比较轻柔,为风敏感性结构。膜结构在风荷载作用下的变形和振动会影响到结构表面的风压分布情况,即会产生流固耦合效应。在结构设计中,平均风压分布系数在强度设计中具有非常重要的作用。本文采用通用有限元软件ADINA进行了考虑流固耦合作用的地铁站台屋盖膜结构平均风压分布数值模拟。数值模拟简洁、高效,可以供复杂工程的风荷载设计参考。     

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义.本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSC-SP程序的对数学模型进行数值求解.通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义.     

流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟

针对深部煤层处在较高地应力和孔隙压力环境下，煤层渗透率降低和瓦斯运移表现出非达西渗流及受煤岩体变形耦合作用明显的特点，建立反映深部低渗透煤层特征和瓦斯流动特性的气水两相流流固耦合模型。以耦合模型为基础，通过数值模拟对深部低渗透井群开采煤层气进行较系统地研究，得到不同渗透率和不同井群间距条件下开采煤层气的储层压力、气和水产能大小、压降漏斗、水饱和度、甲烷浓度和井群干扰的变化规律，考虑较高地应力储层变形影响的流固耦合模型的模拟结果比不考虑耦合作用的结果偏小，对于深部煤层气开采必须重视耦合作用对产量造成的不利影响，制定合理的生产制度和布井方案，尽可能保证储层渗透特性受弱化的程度最小。研究成果对深部低渗透煤层气开采有重要意义。     

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。     

U型地埋管三维非稳态流固耦合换热数值模拟研究

利用商用CFD软件Fluent6.3对U型地埋管三维非稳态流固耦合换热问题进行研究。为减少计算资源,首先对流场计算采用稳态计算方法,待流场计算收敛后,再单独对流固耦合换热非稳态温度场进行计算。比较了多层土壤结构与土壤物性参数加权平均后单层土壤结构的换热差异,结果表明换热差别在6％左右;研究了不同流速下,U型管的出口水温变化、不同截面处的换热量以及平均换热量,探讨了热短路现象发生的可能性,最后讨论了不同井深情况下的U型管的换热特性。论文的研究工作对今后U型管简化计算提供必要的依据。     

不同位移模式下挡土墙的模型试验及数值模拟

 使用角钢和高强度的有机玻璃,结合按照原型比例设计的尺寸,自制挡土墙模型箱。测试挡土墙在不同运动状态下,墙后土体的水土压力分布,获得剪切带的细观参数。在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对砂土挡土墙进行离散元仿真模拟。研究不同位移模式：平移(T)、绕墙底转动(RB)、绕墙顶转动(RT),以及2种组合位移模式：绕墙底以下某点转动(RBT)、绕墙顶以上某点转动(RTT)下挡土墙被动破坏机制。分析挡土墙运动过程中侧压力的变化、土体位移场和变形以及挡土墙到达一定位移时颗粒集合体内部的剪应变率分布。通过对比分析模型试验结果与数值模拟结果,结果表明,墙后土体水土压力的模拟结果与试验结果吻合很好,反映水土压力的分布规律。     

膜结构风致振动响应的数值分析

膜结构属于张拉力结构,质轻而柔且不具有抗弯刚度,外荷载作用下结构的变形比较显著,这些特点决定了膜结构对风荷载十分敏感。利用ANSYS仿真软件对膜结构的流固耦合现象进行分析,研究了结构流固耦合效应的分压分布规律,同时给出具有柔性边界的流固耦合效应。     

深基坑降水流固耦合数值模拟及敏感性分析

基于比奥固结理论,对武汉长江隧道基坑明挖段JB02节基坑降水工程进行了三维流固耦合数值模拟计算.综合分析了存在止水帷幕情况下的地下水渗流场规律,阐述了粘土层的释水固结特征.在合理的数值模拟计算的基础上,采用正交试验的方法,重点对渗透系数、变形模量、抽水量、井点深度、帷幕深度和井点布置等6大影响地面沉降的因素进行了敏感性...     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

车—桥碰撞的数值模拟研究

利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了汽车—桥墩碰撞的有限元模型,通过对汽车—桥墩的碰撞过程进行数值模拟分析,得到了碰撞过程中的碰撞力、碰撞能量和桥墩墩顶位移,分析了桥墩受撞破坏的机理,对车—桥碰撞研究具有十分重要的意义。