水合物加热开采时土体变形数值分析

天然气水合物是未来的一种新型能源,但水合物的分解可能使地表产生较大的变形,从而影响到开采平台及地面建筑的稳定性,甚至带来环境灾害.基此,文章利用有限元法对水合物的加热开采过程进行了热力耦合分析,得到了水合物开采过程中土体的变形规律.计算结果表明:水合物加热开采时,土体变形量随着分解半径的增大而非线性增加;当水合物分解半径为40m时,地表最大沉降迭0.38m,最大水平位移为0.12m.     

可燃冰沉积物制备、分解及力学特性测试装置北大核心

研制了含可燃冰沉积物室内制备、分解及力学特性测试装置。该装置由低温-高压三轴压力室系统、甲烷气体注入-控制系统、甲烷气体监测预警系统与数据采集系统4部分组成,可物理模拟可燃冰赋存的低温、高流体压力和高应力的复杂地质耦合环境,采用原位生成法成功制备胶结型含可燃冰沉积物,并通过可燃冰生成过程中甲烷气体的消耗量完成可燃冰饱和度的精准计算;以黏质粉砂和甲烷为材料制作了含可燃冰沉积物三轴压缩试样和剪切试样,结合升温开采技术实现可燃冰分解,由此开展分解前后含可燃冰沉积物压缩和剪切力学特性测试,验证了仪器的可靠性。该装置实现了含可燃冰沉积物室内制备、分解及压缩、剪切力学特性测试,为科研辅助教学提供了良好的测试平台。     

天然气水合物沉积物体变实验本科教学探索

天然气水合物分解可能引起海底滑坡、生产平台倒塌等灾害,在对其进行商业化开采之前,必须对天然气水合物储层的力学特性进行全面的分析研究。体变是建立土体本构模型必不可少的参数,对评估储层稳定性具有重要意义。通过设置天然气水合物沉积物体变测试实验课程,将国家重大科研项目与本科生实验教学相结合,可以使学生接触和了解国际前沿研究课题。介绍了低温、高压水合物三轴仪的设计原理和功能,然后对比分析了排水法、单层压力室法以及双层压力室法测体变的原理、优点和不足,最后提出了采用双层压力室法测量天然气水合物分解过程中沉积物体变的方案,培养学生主动思考和解决问题的能力。     

天然气水合物开采方法的研究进展

在世界范围内气体水合物最为广泛分布的位置为海洋沉积物和极地永久冻土带。为了缓解全球能源紧缺危机,对天然气水合物的开采方法的研究空前活跃,目前国内外所提出的天然气水合物的开采方法还只处于模拟试验阶段,所提出的天然气水合物开采路线分为固态开采和地下分解开采两种:固态开采效率高,但技术难度大,适用于浅埋藏,高饱和度的水合物藏开采;地下分解开采研究得最多,开采的传统方法均是基于使水合物的温度和压力条件降低到平衡条件以下,从而破坏水合物的相平衡,而使水合物分解,可归纳为热激发法、降压法和注入化学试剂法三类。     

重金属污染物运移耦合模型研究新进展

针对尾矿库、垃圾填埋场底部土层受荷后的力学变形特性,以及考虑土体固结变形与重金属污染物运移转化模式、途径的不确定性与模糊性,通过分析国内外有关污染物运移模型,以及考虑土体固结变形与重金属污染物运移耦合模型的研究现状,指出现阶段研究中存在的不足,并提出考虑土体固结变形与重金属污染物运移转化相互耦合时应加强考虑传输介质间的非均相、非线性,建立综合考虑应力场、渗流场、浓度场、化学场,以及双电层引力场的重金属污染物运移转化模型,特别是在特殊土(如膨胀土、红黏土等)中建立土体固结变形与重金属污染物运移耦合模型以及计算方法,是今后研究工作的研究重点与发展方向。     

新海27块水平井套损防控研究

基于新海27块注蒸汽开采水平井受力状况,根据热力学、渗流力学、固体力学相关理论建立热一流一固耦合方程,计算、分析、研究水平井蒸汽吞吐过程中井眼附近渗流场、应力场和温度场动态变化规律,分析套管温度、地质构造等因素对套管应力的影响,得出热采水平井的套损防控建议。     

电-声-热多参数联合测试系统开发

讨论了国内外典型水合物模拟装置中的测试系统、测试方法以及存在的问题,开发了新型的电声复合传感器以克服现有传感器测量区域不一致的问题,开发了阻抗谱测量技术以全面刻画被测介质的电学特性,开发了测试系统软件、实现"分时轮流"的传感器激励与数据采集工作模式、信号处理算法、物性参数计算方法和数据保存功能,最终形成了一套电-声-热多物理参数多点同步联合测试系统,能够获得水合物合成分解过程的多物性参数数据,为各类不同用途的天然气水合物模拟实验装置的开发提供了有益的借鉴。     

止水帷幕作用下基坑渗流场特性分析

基坑开挖卸荷导致土体应力场和地下水渗流场发生改变.为了分析止水帷幕对地下水渗流的影响,选取典型的基坑计算模型,利用FLAC3D对止水帷幕作用下基坑开挖过程进行三维流固耦合计算.分析得出基坑开挖过程中孔隙水压力、渗流场的速度特征、地表沉降量、坑底隆起量等的变化规律.结果表明,加宽止水帷幕的宽度,加深插入深度可以有效地控制这些地下水的不利因素,降低基坑开挖对周围环境的影响.     

软粘土弹塑性大变形的求积元法分析（英文）

目的:考虑几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响,提出一种大变形固结问题的求积元求解列式,以提高数值方法的计算精度及计算效率。通过数值算例研究几何非线性及非线性渗流定律对软粘土固结的影响,为工程实际提供参考。创新点:1.提出一种大变形固结问题的高阶数值求解方法;2.在固结问题求解中同时考虑几何非线性及非线性渗流定律。方法:1.基于初始构型,采用完全拉格朗日格式,建立大变形固结问题求解列式;2.基于变形梯度乘法分解,得到大变形条件下的土体本构模型;3.基于指数关系的渗流定律,建立渗流连续性方程;4.通过数值算例验证方法,研究几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响。结论:1.所建立的求积元方法的收敛速度要远远快于有限元法,降低了问题计算规模;2.在小变形条件下,最终沉降随外荷载线性变化,而在大变形条件下,随着载荷的增大,沉降相对于小变形条件有所降低;3.当考虑非达西渗流定律时,软粘土的固结速率随着非达西渗流参数的增加而降低。     

桩锚复合支护深基坑变形的流固耦合分析

深基坑开挖降水过程中,坑内外压力差可能引起严重的工程事故。本文通过有限元软件MIDAS/GTS,采用渗流应力耦合理论及摩尔库伦模型,结合某桩锚复合支护深基坑工程实例建立三维有限元模型分析了该深基坑工程的变形情况,并与不考虑耦合的基坑变形情况进行对比,主要包括锚杆轴力图、桩剪力图与弯矩图、基坑地表沉降、坑底回弹、侧向位移等。结果表明:在两种不同的有限元模拟条件下基坑变形形态基本一致;总的来说,流固耦合分析引起的基坑变形小于不考虑耦合分析的基坑变形,支护结构的受力变形也较小,更接近实际情况。考虑地下水流固耦合分析对基坑变形的影响不容忽视,对实际工程的设计优化有一定的参考意义。     

板材热轧过程速度场与温度场的耦合数值解法

板材在国民经济各部门都有着广泛的用途.板材轧制是一个非常复杂的金属变形过程,主要体现在轧件变形区域的速度场与温度场之间的相互作用.为达到模拟轧制变形区真实速度场与温度场的目的,文章探讨了板材轧制过程速度场与温度场的二维耦合数值求解.做了如下工作:(1)分列咬入单元,实现耦合,并编程计算;(2)分析轧制变形区的温度场;(3)分析轧制力.     

螺旋槽机械密封环在热-力耦合下的变形特性分析

为研究机械密封环的变形情况,在Workbench平台联立热场和结构场来分析密封环在混合摩擦热和液膜环境热、惯性离心力和液膜平衡力以及两者热-力耦合效应下随转速变化的变形规律.研究表明:热作用产生膨胀凸变形,力作用产生压缩凹变形,且密封环在热作用下的轴向变形最大,热-力耦合次之,力作用最小,其中热变形为主导;动环轴向最大...     

正交各向异性土石坝非饱和稳定渗流分析

基于固定网格有限元法和土体基质吸力与饱和度之间的相互关系,推导了基质吸力的渗流控制方程,对渗透系数各向同性与各向异性的均质土石坝进行了稳定渗流场的数值模拟,研究水—土特性模型参数对渗流的影响,分析了基质吸力、流速矢量、孔隙压力、渗流量、渗流速度的变化规律.结果表明,坝体内的渗流量和渗透速度与土体渗透系数各向异性关系密切,Van Genuchten模型中α对吸湿曲线的影响较大.提出了在实践工程中考虑土体的非饱和及各向异性更合理,且慎重确定土体吸湿曲线的各参数.     

从物理学角度认知计算神经动力学（英文）

目的:基于物理学基本原理解释神经元电活动过程中存在的物理效应,解释突触生物功能活化过程的物理机制,以及分析神经元建模中的电磁场效应(图1)。探讨神经元建模、胶质细胞调控、突触可塑性和神经元群体电活动的网络效应。创新点:1.论证荷控和磁控忆阻器非线性函数在物理神经元模型构建中的作用。2.提出神经元突触耦合的物理机制就是电场和磁场耦合(图3)。3.研究神经元电路混合突触耦合的物理实现(图2)以及能量存储与泵浦。方法:依据物理学电磁感应定律和赫姆霍兹定理论证神经元电活动过程产生的电磁感应效应以及能量输运过程。基于忆阻器物理特性和量纲一致原理来构建物理神经元模型,从物理角度解释突触功能实现过程的物理机制。结论:在神经元电活动过程中需考虑电磁感应效应;场耦合可以调控神经元突触耦合作用;在神经元网络中信号传递需考虑物理场耦合过程。     

垃圾填埋气体传输过程的渗流模型及解析解

基于多孔介质渗流力学理论建立了垃圾填埋气体传输过程的动力学模型,采用Laplace变换对气体传输渗流场控制方程进行近似解析求解,得到了填埋气体非线性渗流的压力分布规律.由不同时间填埋气体压力随水平距离分布计算结果看出:随时间的增长,压力曲线变缓,压力增大.     

成层土中地下水渗流对盾构隧道开挖面稳定影响上限分析（英文）

目的:盾构隧道在成层土中掘进时,地下水渗流容易引起盾构开挖面失稳破坏。本文提出考虑地下水渗流的机动场模型,探讨成层土中地下水渗流规律,研究渗流对开挖面稳定性的影响,并提出渗流条件下成层土中盾构支护压力的计算方法。创新点:1.提出考虑地下水渗流盾构开挖面失稳机动场的模型;2.建立成层土中地下水渗流模型;3.推导考虑地下水渗流的盾构开挖面极限支护压力上限解。方法:1.根据已有工程案例,对渗流条件下成层土中盾构开挖面失稳进行受力分析(图5),并提出开挖面失稳机动场模型(图6);2.通过上限分析,推导得到盾构开挖面失稳极限支护压力计算公式(公式29);3.对成层土中地下水渗流进行数值模拟,并采用理论模型(图15)对渗流规律进行表征;4.研究极限支护压力对地下水渗流因素的敏感性。结论:1.地下水渗流在失稳土体内部产生渗流力作用,在盾构开挖面上也对支护压力产生抵消作用。2.提出成层土中考虑地下水渗流的失稳机动场模型,并推导出极限支护压力上限解;3.在盾构土舱未进行渗透性改良的条件下,成层土中地下水渗流在1200 s内达到稳定,其中,穿越层渗流方向主要为水平向,而覆土层中主要为竖向渗流;4.考虑渗流影响,本文上限解预测的支护压力值更为合理。     

含天然气水合物多孔介质电参数测量系统的仿真实验研究

以天然气水合物在多孔介质中生成、分解过程的科研项目为背景,将含水合物介质电参数测量系统部分研究内容引入实验教学,设计了基于有限元数值法的含水合物多孔介质电参数测量仿真实验。基于反应釜及复电阻率测量装置建立数值模型;采用全波有限元方法对模型中的电磁场进行仿真计算并获得空间电磁分量分布;通过设置不同尺寸的水合物,结合仿真结果后处理,得到不同水合物分布对应的视电学参数。     

螺旋槽密封环在热-流-固耦合下的变形研究

以螺旋槽干气密封的动静环和密封气膜组成的系统为研究对象,在Solidworks中建立密封环三维耦合模型,Fluent中计算获得流场动压微气膜分布,将得到的微气膜数据载入Workbench平台的结构场和温度场,设置相应的刚性约束和边界条件,基于热-流-固耦合变形理论来分析密封环在热-流-固耦合下的应力、变形情况,研究不同压差下应力、变形的遵循规律。结果表明：动静环的应力在密封环外径处较大,热-流-固耦合下变形最大区域在中径处。随着压差的增大,密封环的应力、变形均增大,在一定压差范围内动环的应力大于静环,而静环的变形大于动环。     

基于Matlab GUI的渗流力学虚拟仿真实验平台开发

为了改变渗流力学实验内容单一的教学现状,进一步推广渗流力学的可视化教学,基于Matlab2015a平台,使用有限元方法,分别对不同求解域和边界条件下的稳态和非稳态渗流数学模型进行求解,开发了各种渗流力学虚拟仿真实验平台。该虚拟仿真实验平台分为:单井、双井、井网和复杂井4个渗流模块,学生可以通过图形用户界面,与内部的Matlab代码进行人机交互,对不同渗流模型下的渗流场进行数值模拟,从而完成渗流力学虚拟仿真实验。相对于传统的渗流力学教学实验——水电模拟实验,虚拟仿真实验平台具有内容丰富多彩、可视化效果好、造价低廉、节约实验耗材、低碳环保、课时安排灵活等优点,应用于渗流力学教学过程中,有助于学生理解复杂的渗流过程和渗流机理,加深对流体渗流的感性认识,进而提高课堂效率,具有较高的实用性和较广的推广前景。     

岩土工程中的多场多尺度模拟（英文）

在岩土工程领域,许多应用都涉及到多尺度和多物理场,例如内部侵蚀、水力压裂、能源桩、城市垃圾处理、非常规油气藏的生产、天然气水合物的热激法和降压法开采、路面的冻融循环、放射性废物处理、污染物运移和二氧化碳封存等等。在文献中,这些多物理场通常可能包括以下两个或者两个以上方面：固体变形、流体流动扩散、热传导和热对流、化学/生物反应、电场等等。此外,所研究的空间尺度可以从纳米级到微米级到数百公里级,时间尺度也可以从纳秒到数百或数千年不等。近些年来,受益于计算能力的持续发展和对精密设备制造的大量投资,数值模拟和多尺度实验室测试已成为地质力学及其相关领域的主流方法。科学家们为了求解多尺度和多物理场过程,已经开发并成功应用了不同的本构理论、控制方程模型、数值离散方法、求解器等等。为此,本专题收集在该研究领域具有代表性的研究成果,涵盖用计算流体动力学和离散元法进行多层土的潜蚀模拟、裂缝变形滞回曲线对二氧化碳吞吐的影响、盐碱岩和石膏岩的溶解、射孔围岩水力压裂的起裂过程这四个方面。我们希望通过本专题,能帮助读者加强对各个研究领域的理解,进一步推动多场多尺度问题的应用和发展。