二维粒子图像测速实验中三维涡旋可测性分析

现今二维粒子图像测速（PIV）广泛应用,为进一步提高PIV测量结果对紊流及水流和泥沙相互作用机理的理解,分析了二维PIV中三维涡旋的可测性。结合涡旋识别的旋转强度方法、坐标旋转定理和紊流经典Burgers涡模型,推导得出:二维PIV能否检测出三维涡旋,主要受涡旋环量和旋涡与测量平面之间的倾角两个因素影响,且仅当涡旋环量大于某一特定值（为倾角的函数）时,三维涡旋才可以被测量出。利用广泛使用的直接数值模拟（DNS）槽道紊流数据统计分析,得出了该条件下倾角和环量的相关曲线与拟合方程;结合环量概率密度累积分布可知,在常规二维PIV实验中,涡旋被测量出的概率越大,相应的倾角也越大,其中以90%、50%和10%的概率被测量出的三维涡旋与测量平面间分别呈20°、11°和5°的倾角。     

岩体结构面产状测量的钻孔摄像技术及其可靠性

针对钻孔摄像技术对结构面产状测量只限于垂直孔的现状,以钻孔孔口圆心为原点,建立空间左手直角坐标系,对倾斜孔中结构面产状的确定方法进行了详尽的阐述和推导,得出了精确的解析计算公式,并基于C#语言进行编程,开发了IDOIB软件,通过测试表明此方法及其程序的正确性.采用PVC管模拟钻孔孔壁,进行钻孔摄像技术用于结构面产状测量的可靠性试验研究,结果表明:(1)对于垂直孔,测量结果的倾向绝对误差为[-3°,4°]、倾角绝对误差为[-1.5°,1.0°],说明该技术用于垂直孔进行结构面产状测量是可靠的,能满足工程应用精度.(2)当PVC管的倾伏向为270°、倾伏角为25°时,结构面产状可靠度为0.10;倾伏向为176°、倾伏角为60°时,结构面产状可靠度为0.67.PVC管倾伏角的不同导致结构面产状可靠度的差异.(3)一般岩体工程的结构面产状测量结果应具有高等级可靠度(不小于0.8),即须在倾伏角不小于71°的钻孔内采用该技术进行测量.      

基于无人机摄影测量的露天矿边坡数值模拟

数值模拟是露天矿山边坡稳定性分析的常用方法,边坡模型构建是数值模拟的基础,地形测量的准确性对于边坡稳定性分析精度具有十分重要的影响。近年来,低空低速小型无人机(UAV)被广泛应用于地质调查中,为复杂条件下地形快速测量提供了一种可行的方法。针对露天矿山边坡坡形更新快、地形复杂、人工测量困难的情况,采用搭载单镜头小型无人机,对露天矿山边坡进行低空摄影测量,并通过飞行试验,对比研究了无人机搭载镜头旋转角度对边坡测量精度的影响,最终得到高精度边坡数字高程模型(DEM),并通过Surfer、Rhino等软件转化为三维FLAC模型,实现从无人机测量到三维数值模型的快速建立。得到以下可供参考的研究结论:在目标边坡坡度小于45°时,无人机搭载镜头旋转角度不同对边坡测量精度有较大影响,当镜头旋转角度介于70°~90°时,获得的测量精度较高;与人工测量相比,无人机摄影测量获得的边坡坡形更符合真实边坡实际坡型;无人机航拍照片经过PhotoScan、Surfer、Rhino等软件的转化,能够快速建立三维数值模型,并获得更好的数值模拟计算结果,满足边坡稳定性分析需要。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

激电中梯装置测量长方异常体的三维正演模拟及启示

激电扫面实际测量时,由于测线布设方位和地下地质异常体的走向不尽一致,从而导致测量结果不同,给物探异常的解释带来了困难,甚至会引起误导,因此这里利用数值模拟方法,计算了激电中间梯度法测量条件下二度异常体在不同方位测量条件下的三维响应规律。首先实现了有限单元法三维正演的公式推导及其数值解求解;其次通过一维模型计算了数值解和解析解的误差,验证了本文中理论计算方法的有效性;最后设计了三维模型进行了理论计算,发现了激电中间梯度装置条件下二度异常体的走向和测量剖面方向成不同夹角时的面上响应规律。研究结果表明:随着两者夹角的增加,激电异常体的规模和形态逐渐与设计异常体一致,且两者夹角在60°~90°之间探测的实测数据较为可信。     

基于Poynting矢量的逆时偏移去噪

因为逆时偏移采用双程波动方程的缘故,加之利用零延迟互相关成像条件,由此带来了不可避免的低频成像噪声。基于Poynting矢量进行去噪的方法可以有效地去除这类低频噪声,该方法利用正常反射成像点与异常成像点处的炮检波场传播方向间夹角的不同来达到去噪目的。对于波场传播方向间的夹角,利用波场的Poynting矢量方向与传播方向一致这一特点来进行求取,而在求取Poynting矢量的过程中,针对无法利用原有公式求取Poynting矢量的部分,采用平滑处理的方式;对于额外增加计算量这一缺陷,使用了CPU/GPU异构并行计算。利用上述方法,对双层速度模型及Marmousi速度模型进行了去噪测试,模型试算结果显示:文中所采用的平滑方法可有效提高Poynting矢量求取的稳定性,引入CPU/GPU并行计算可大幅提高计算速度;双层速度模型在最大去噪角度为70°时去噪效果较好,Marmousi速度模型在最大去噪角度为100°时去噪效果较好。     

顺层岩质边坡静力开挖物理模拟试验研究

利用大型室内模型试验,开展了含软弱夹层顺层岩质边坡的静力开挖试验,试验结果表明:随着开挖角度的增大,边坡完成开挖卸荷松弛的时间大幅缩短。开挖角度为47°时,边坡位移稳定时间为214.56 h;开挖角度为60°和72°时,边坡位移稳定时间缩减为107.28 h。随着开挖角度增大,坡面位移稳定值逐渐增大,且位移稳定值随着高程的增加而增大。通过布设于坡体内部的位移传感器可以获得边坡在开挖过程中坡内及坡面的位移场,分析不同高程水平参考线处坡体位移分布曲线,并结合位移限制值可以得到边坡开挖位移松弛区范围。通过试验研究发现,含软弱夹层顺层岩质边坡开挖松弛区范围随着开挖角度的增大不断向坡脚和坡顶延伸,开挖松弛区范围增大。     

地质钻探复杂地层固壁堵漏新工艺

基于现有地质钻探护壁堵漏技术手段的局限性和约束性,本文提出一种新的复杂地层固壁堵漏工艺。在钻遇松散破碎地层的孔段时,将一个喷嘴下入孔内,到达松散破碎段附近,然后把浆液高速、均匀地喷射在其周围,达到加固孔壁、堵塞漏失通道的效果。通过三维建模软件Solid Works建立此喷嘴的4种模型,并使用CFD软件Flowsimulation对4种模型进行了模拟和分析;通过改变喷嘴出口角度,对喷嘴内流体流场速度、压力等物理量进行仿真分析。结果表明:进口体积流量为50 L/min时,除了出口角度为60°的模型出口端泄压较为严重外,其余3种模型喷嘴内部压力分布基本无变化;出口角度不同的喷嘴其喷射速度差异明显,出口角度为30°时,喷嘴的喷射速度最大,达到1.25 m/s,使浆液能够喷射渗入地层进行有效地固壁堵漏。     

三轴试验下结构面倾角对制备岩样力学特性的影响

结构面倾角对岩样的力学特性有很大影响。人工制备了结构面倾角为15°、30°、45°、60°（水平面为0°面）的单贯通结构面岩样和完整样,并进行了单轴压缩试验和围压为100、200、300 kPa的三轴压缩试验来探讨结构面倾角对其力学和变形特性的影响。试验结果表明：①当倾角小于等于30°时,出现了岩样应力-应变曲线中典型的4个阶段。而当倾角等于45°和60°时,最后阶段变为先软化再硬化的特征;②结构面岩样均先体缩再体胀。随着围压增加,体缩最大值接近,而体胀呈明显减小趋势。随结构面倾角增加,体缩呈缓慢增长趋势,并在30°和45°时出现体缩突变。而体胀显著的减小。最后,指出了耶格尔单结构面判据的不足,并对其进行了修正,验证结果表明改进的耶格尔判据与试验结果吻合较好。     

腾冲科学钻探孔非弹性应变恢复法三维地应力测量

用非弹性应变恢复法(简称ASR法)进行了腾冲科学钻探孔地应力测量。基于岩芯测量的ASR法是近年来发展起来的深部三维地应力测量的一种经济实用的新方法。使用该方法进行了720 m至1098 m深处的三维地应力测量,获得了该深度范围的地应力状态。测量结果表明:最大和中间主应力近于水平,最小主应力近于铅直。最大水平主应力方向为30°到45°。测量结果与地震机制解进行了对比。对比表明,ASR法得到的结果与地震机制解非常吻合。应力状态有利于高角度断层产生走滑运动,低角度断层产生逆冲运动。这与腾冲地区的地震断层活动性质一致。测量结果对地震机理的研究有意义。     

30°分水角明渠水流紊动特性试验研究

灌区分水口多为直角, 附近普遍存在冲刷、淤积及结构破坏现象。天然河流分、汇流多为锐角, 为探索非直角分水口区域明渠水流紊动特性, 以30°分水角明渠为研究对象, 采用声学多普勒点式流速仪测量各断面上的三维瞬时流速, 分析典型断面上的时均流速、环流强度、紊动强度、紊动能和床面剪切应力分布规律。试验结果显示: 分水口处水流横向流速沿渠宽方向变化较大, 易形成环流, 导致局部冲淤现象明显; 靠近口门侧水流紊动强度变化剧烈且分布无规律, 最大值出现在口门上唇断面; 分水口处下层水体紊动能明显大于上层水体, 紊动能较大值多集中在口门附近; 口门断面下唇附近床面剪切应力较大, 易出现冲刷侵蚀, 破坏渠道稳定; 与直角分水口相比, 分水角为30°时, 泥沙颗粒不易进入侧渠道, 水流对渠底及边壁侵蚀速率较低。研究结果可为灌区渠系设计及运行提供参考。     

储层岩石表面接触角的不确定性研究

本文指出，储层岩石表面粗糙，非均质性及高的能量，使我们难以用接触角来量度它的润湿性质，由于储层岩石孔隙结构不符合毛管束模型，使得Laplace公式仅在表现接触角趋于2度或180度时可用于根据毛管压力曲线计算储层岩石的孔径分布，好在由于储层岩石表面粗糙使我们常常会遇到这一极端情况。     

侧向水平进水孔口立轴旋涡的试验研究

通过自制模型对侧向水平孔口的立轴旋涡进行基础试验研究。使用有色颜料追踪旋涡表面的质点运动,观测到其轨迹线为多圈螺旋流,并根据这一特性采用摄像法和图形处理技术对时均速度进行测量,与理论结果对比证明这种简单经济的方法是可行的。通过改变试验装置分析来流方向对旋涡的影响,表明进口轴线与来流方向之间的夹角过大是形成立轴旋涡的诱因之一。根据试验结果得出不同来流方向的临界淹没水深计算公式,并对公式进行推广,可作为设计时的参考依据。     

浅水障碍绕流的数值模拟

浅水流绕过岸边和固壁时常出现分离生涡、脱涡和周期流现象.文中提出参数化局部涡模型和新生涡在背景流场中输移演化及其相互作用的算法,成功地对三峡水库坝区水流横向摆动进行了数值模拟.     

弯道取水口河冰运动特性及导冰筏优化设置

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到弯道取水口处水流水力特性、不同角度导冰筏下河冰运动规律及其受力情况。结果表明河冰靠弯道凹岸一侧运动,并在取水口附近及其下游堆积,横向环流对河冰运动影响可忽略,取水口上游设置角度和长度合理的导冰筏可有效阻止河冰进入引水渠。但是,下游也需设置导冰筏来防止河冰在取水口下游堆积及向上游延伸到取水口。     

芦山Mw6.6地震序列的震源机制及震源区应力场

为研究2013年4月20日芦山M_w6.6地震的发震构造及孕震机理, 基于4月20日—6月1日地震序列中114次M≥3.0余震震源机制解, 深入分析了余震震源机制及震源区应力场的时空分布特征, 获得的主要认识如下: (1)芦山M≥3.0余震以逆冲型为主, 走滑型次之, 正断型最少, 震源机制P轴方位一致性较好, 以近NWW-SEE为优势方向, 倾角分布在0~30°, 表明余震活动主要受龙门山断裂所在的区域应力场控制; (2)芦山余震区压应力S1方位存在明显的局部空间分区差异, 以主震震中为界, 余震区南边S1方向总体呈NWW方向, 而余震区北边S1方向表现出由NW经EW向NE的逆时针旋转, 可能反映了余震区北边发震断层错动以逆冲为主兼有一定的走滑分量; (3)压应力S1方位随时间的变化不明显, 呈近NWW方向, 但其倾角逐渐变水平, 应力张量方差逐渐变大, 震源机制错动类型始终以逆冲为主, 随时间变的相对紊乱, 反映了震源区应力场随时间的调整变化特性; (4)深度剖面结果显示压应力方位与发震断层走向的夹角在80°~120°, 即近乎垂直, 震源断层面向NW倾斜, 芦山余震活动受控于近垂直发震断裂的挤压作用, 属于典型的逆冲断层.      

基于耦合方法的挡土墙地震响应的数值模拟

为有效描述动力灾变过程中挡土墙附近土体的细观特性,并大量减小离散元模拟的颗粒数目,节省计算时间,利用离散-连续耦合动力数值模型,模拟了已有离心机试验中重力式挡土墙的地震响应。靠近挡土墙的土体区域用相互作用的离散颗粒模拟,远离挡土墙的土体采用连续模型模拟,编写结构的动力有限元程序并嵌入离散元软件中来模拟挡土墙。通过离散元软件PFC2D和有限差分软件FLAC2D的交互运算实现耦合过程。耦合方法的核心在于:①在离散-连续土体的交界面保证连续性;②模拟中离散区域土体的宏观性质与连续土体模型一致。为进一步满足以上两点,分别提出了新的边界耦合力提取方法和自振柱模拟方法。研究表明耦合方法可以从细观尺度上有效描述土体与结构的相互作用和关心区域的土体特性。     

Using zero-thickness elements to simulate suspended cut-off walls in a regional seepage field

A regional seepage field is usually simulated by 2D horizontal seepage finite element method (FEM). However, the Dupuit assumption means that it does not take into account hydraulic head loss caused by vertical flow. In order to simulate a regional seepage field containing suspended cut-off walls by 2D horizontal FEM without any loss of accuracy and efficiency, a zero-thickness element is introduced. The zero-thickness element is used to model suspended cut-off walls and take into account the hydraulic head loss caused by vertical flow near the walls. The matrix equation is deduced. The deduction is based on the resistance coefficient method and the analytical solution of flow near suspended cut-off walls under plane condition. The accuracy of the method is assessed by comparing with 3D FEM results. These coincide with each other both in discharge and hydraulic head. The method is an effective way to simulate a suspended cut-off wall in a regional seepage field with 2D horizontal FEM.     

辽宁区域性冷空气多时间尺度变化特征及影响因子

使用辽宁省58个气象观测站1961年9月-2015年4月气温资料、国家气候中心气候监测指数和NCEP分析资料,分析了辽宁区域性冷空气的多时间尺度变化特征及影响因子.结果表明：辽宁区域性强冷空气、寒潮年总频次都呈下降趋势,而中等强度冷空气年总频次呈上升趋势,冷空气强度有减弱的趋势.区域性冷空气过程年总频次存在11a、6a和3a的变化周期,并且1964年发生突变.秋季冷空气活动最频繁,冬季冷空气强度最强.区域性冷空气初日多年平均值是9月23日,终日多年平均是4月5日,初、终日都出现提前趋势.北半球极涡面积指数与辽宁寒潮频次呈明显正相关关系,寒潮偏多月份极涡较气候平均位置偏南、50°N附近70°～180°E之间纬向风明显偏大,是辽宁寒潮增多的影响因子.