考虑流固耦合的水中结构物地震反应方法

基于运动控制体的雷诺输运定理,采用任意拉格朗日-欧拉描述推导控制流体运动的Navier-Stokes方程;提出考虑流固耦合效应的水中结构物地震反应计算方法,并以水中垂直板的地震反应为例,阐明流固耦合体系的求解方法.分析地震动频率和水深对场地土-结构-流水构成的流固耦合系统动力反应的影响,结果表明:采用不可压缩流算法的Navier-Stokes方程能够合理模拟流场的位形变化,并保证流固耦合计算的收敛;考虑流固耦合作用使得结构地震反应幅值明显增大,并使频谱特性发生改变;水深对流固耦合效应的影响较大,并具有明显的非线性特征.     

基于SiPESC平台的机翼流固耦合分析

基于开放式有限元系统SiPESC. FEMS,构建了机翼流固耦合分析的程序框架。程序框架通过研发流固耦合界面数据交换模块来调用结构和流体分析功能.在流固耦合分析中采用高阶面元法对流体计算以获得飞行器机翼上各点处的压力系数。耦合界面交互采用径向基函数插值算法进行流固两相的载荷和位移的双向插值。进一步通过调用结构分析模块计算结构响应更新结构构型,实现机翼流固耦合整体流程分析。计算过程中各分析模块之间的数据传递均是基于大规模工程数据库SiPESC. ENGDBS来实现的。通过算例测试验证了在SiPESC平台上进行流固耦合分析的可行性。     

流固耦合作用下流体对管道抗震性能的影响分析

在地震荷载作用下输液管道的破坏受到流体的影响，因此，流固耦合作用下的管道破坏数值模拟是分析管道抗震性能的关键。通过管道破坏分析的流固耦合有限元建模，实现了流固耦合作用下地震荷载加载和断层活动约束，介绍了建模过程以及模型参数选择，分析了流固耦合作用下管道的抗震性能及管内介质和流速等参数对管道破坏的影响。依据计算结果，管道内输送介质密度和流速越大，管道越易破坏，故在地下管道设计中应充分考虑管内介质的密度与流速。针对计算结果，为输液管道抗震设防提出了几点建议。     

马尼拉地震带海啸对广东沿海影响的数值研究——潮汐与海啸的非线性作用的影响

基于COMCOT数值模型,建立了天文潮与海啸耦合数学模型,对日本"311"海啸进行了模拟验证。针对马尼拉地震带海啸,通过设计海啸震源的计算,分析广东省沿海海啸风险,从数值上得出了海啸引发的最大增水值以及海啸到达广东省沿岸的时间。     

利用流固耦合模型模拟地震和海啸全过程

海底地震引起的海啸过程在力学上是一个流固耦合问题。地震引起的海底变形会影响流体的运动,流体运动会影响地震引起的海底变形。海啸的数值模拟,通常采用浅水波控制方程,把地震引起的海底变形作为海啸波动的边界条件或初始条件,不考虑它们之间的相互作用。本文采用势流体的流固耦合有限元方法模拟了地震和海啸的全过程。地震过程的模拟与地震位错模型不同,在位错模型中,断层的位错是事先指定的;而在本文中,首先形成自重作用下的初始应力场,然后通过断层材料的突然软化引起的错动,模拟地震震源的动力学过程。模拟结果显示,在海面除了可以看到大振幅的海啸波外,还可以发现体波震相和面波震相。在600 km的海面震中距上,它们要比海啸波早到48分钟,在此处面波的最大平均振幅可达0.55 m,是相同震中距海底面波最大平均振幅的2倍。因此,海啸预警信息在海面可以比在地表更早地得到。海啸波的传播速度在水深3 km的开阔海面是175.8 m/s,它要比理想长波理论预测的大,其平均振幅为2 m,波长可达32 km. 到达大陆架后其速度、波长都减小,在岸边可以激起10 m高的巨浪,水平方向深入陆地达53 m。震中附近海面和地震断层上的最大垂直加速度分别为5.9 m/s2和16.3 m/s2,后者是前者的2.8倍。由此看来,海水是很好的减震器。海啸波的加速度到达岸边会衰减10倍。与加速度不同,海面震中处的振动速度为3.2 m/s, 是海底震源处的1.4倍。震源处的最大位移小于震中海面的最大位移, 其差就是海啸波源的振幅。值得注意的是,海底地震的最大位错在震后23 s达到,不是发生在断层滑动的开始。      

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日一欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier—Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明：流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

基于流固耦合统一计算框架的三维大规模海域场地地震反应分析?以东京湾为例

海域场地地震响应分析是确定海洋工程结构抗震设计地震动输入的重要环节。然而,针对海水、饱和土、基岩之间的流固耦合分析,目前一般通过对3种介质方程进行离散,然后整体求解或分区耦合求解的方式进行,过程复杂而低效。因此,大规模海域场地地震反应分析仍是一个挑战性问题。本文基于流固耦合统一计算框架求解海域近场波动问题,采用透射边界模拟无限域,通过将海水和基岩视为孔隙率分别等于1和0的广义饱和多孔介质,使得海水、饱和土、基岩之间的相互耦合可在统一计算框架中实现,避免不同介质求解器之间的数据交换。采用集中质量显式有限元并行计算,不同进程之间采用MPI进行数据交换,提高计算效率;采用逐元技术,按单元类别存储单元刚度,大大节省了内存,便于大规模计算。通过自编程,输入界面高程数据和材料参数,实现建模-自由场-三维地震动模拟全流程自动化。以东京湾为例,使用该方法和程序在超级计算机上模拟SV波垂直入射时的地震响应,证实了该方法用于三维大规模海域地震波场模拟的高效性和可行性。     

海底地震有限断层破裂模型对近场海啸数值预报的影响

快速准确的海啸源模型是近场海啸精确预警的关键.尽管目前还没有办法直接对其进行正演定量计算,但是可以通过多源地震、海啸观测数据进行反演或联合反演推算.不同的海啸源可能导致不同的预警结论,了解不同类型海啸源适用性、评估海啸源特征差异对近场海啸的影响,无论对于海啸预警还是海啸模拟研究尤为重要.本文评估分析了6种不同同震断层模型对2011年3月11日日本东北地震海啸近场数值预报的影响,重点对比分析了有限断层模型与均一滑动场模型对近场海啸产生、传播、淹没特征的影响及各自的误差.研究表明:近场海啸波能量分布主要取决于海啸源分布特征,特别是走向角的差异对海啸能量分布影响较大;有限断层模型对海啸灾害最为严重的39°N以南沿岸地区的最大海啸爬坡高度明显优于均一滑动场模型结果;综合对比DART浮标、GPS浮标及近岸潮位站共32个站次的海啸波幅序列结果发现有限断层模型整体平均绝对/相对误差比均一滑动场模型平均误差要低,其中Fujii海啸源的平均绝对/相对误差最小,分别是0.56m和26.71%.UCSB海啸源的平均绝对/相对误差次之.3个均一滑动场模型中USGSCMT海啸源模拟精度最高.相对于深海、浅海观测站,有限断层模型比均一滑动场模型对近岸观测站计算精度更高.海啸源误差具有显著的方向性,可能与反演所采用的波形数据的代表性有关;谱分析结果表明Fujii海啸源对在12至60min主频波谱的模拟要优于UCSB海啸源.海啸源中很难真实反映海底地震破裂过程,然而通过联合反演海啸波形数据推算海啸源的方法可以快速确定海啸源,并且最大限度的降低地震破裂过程与海啸产生的不确定性带来的误差.     

大跨度柔性屋盖风振中流固耦合分析的强耦合方法

本文针对大跨度柔性屋盖风振中流固耦合作用的特点,介绍了一种计算黏性不可压缩流体与经历大变形非线性结构之间流固耦合作用的强耦合方法。本文将伪实体弹性模型引入到流固耦合问题的流体域中处理其变形,使流体和固体形成整体耦合,推导了计算流固耦合问题的整体式方程,并用Newton—Raphson法求解。文中首先用经典圆柱绕流证明了该方法的有效性,并利用该方法计算了一大跨度柔性屋盖风振的流固耦合问题,结果与已有文献中的结果符合良好。因此证明本文提出的强耦合方法用于计算大跨度柔性屋盖风振流固耦合问题是准确可行的。     

港湾中海啸流的模拟及其时空演变特征对输入条件不确定性的响应分析

一直以来,海啸波特征作为表征海啸潜在破坏性的参数指标得到了广泛应用,特别是针对近场极端海啸事件造成的灾害来说,这种表征具有较好的适用性.然而总结分析历史海啸事件造成的损失发现：在远场近岸及港湾系统中,海啸诱导的强流却是造成损失的主要原因.陆架或港湾振荡导致海啸波幅快速升降诱发强流,可能促使港工设施受到威胁及损害,进而对海啸预警服务及海事应急管理提出了新的挑战.因此,全面理解与评估海啸在港湾中诱发的灾害特征,探索港湾中海啸流的数值模拟方法,发展针对港湾尺度的海啸预警服务指导产品尤为迫切.受限于海啸流验证数据的缺乏及准确模拟海啸流技术方法的诸多不确定性,大部分海啸数值模拟研究工作主要是针对水位特征的研究及验证,可能导致对港湾中海啸灾害危险性认识的曲解与低估.本研究基于非线性浅水方程,针对夏威夷群岛三个典型港湾建立了精细化海啸数值模型（空间分辨率达到10 m）,并联合有限断层破裂模型计算分析了日本东北地震海啸在三个港湾及其邻近区域的海啸特征,波、流计算结果与实测结果吻合较好,精细化的海啸港湾模型模拟结果可信.模拟发现港湾中较小的波幅,同样可以产生强流.综合分析日本东北地震海啸波、流特征对输入条件不确定性的响应结果发现：港湾中海啸波-流能量的空间分布特征差异较大,这与港湾系统中海啸波的驻波特性相关;相比海啸波幅空间特征,海啸流特征具有更强的空间敏感性;海啸流时空分布特征对输入条件的不确定性响应比海啸波幅对这些不确定性的响应更强,海啸流的模拟与预报更有挑战性;不确定性对海啸流计算精度的影响会进一步传导放大港湾海啸流危险性的评估及对港工设施产生的应力作用的误差,合理的输入条件对海啸流的精确模拟至关重要.最后,希望通过本文的研究可以从海啸波-流特征角度更加全面认识近岸海啸灾害特征,拓展海啸预警服务的广度与深度,从而为灾害应急管理部门提供更加科学合理的辅助决策产品.     

Observations of condensation growth determined by entity type mixing

It has been speculated for many years that the development of the droplet spectra in cloud is probably influenced by mixing processes. Various theoretical attempts to broaden the droplet spectra by mixing parcels with different velocity histories has shown that that particular effect is small. Similarly, very simpleuniform entrainment procedures did not lead to cloud drop size spectra which were broad enough, although by producing cloud drop size distributions with a double mode these models did substantially improve the drop size spectra of earlier adiabatic models which only exhibited a single mode.Recently a model based on entraining entities representing moving parcels of cloud air within the cloud was detailed byTelford andChai (1980). This study showed that the mixing in of dry air at cumulus turrets could lead to vertical cycling of diluted parcels, and that this cycling, with continual entrainment across the parcel boundaries, will produce much larger drops, as well as smaller drops of all sizes, in the droplet spectra. The entity entrainment concept studied there appears to apply to the observations of stratus cloud discussed in this paper.This paper presents data taken in marine stratus off the California coast which give a particularly clear example of how such droplet spectra modification occurs in practice. Both large drops, and the spread of the spectra to smaller sizes, occur in relation to other variables in such a way as to be consistent with an entity entrainment explanation, with no other obvious possibility.In a marine stratus cloud just over 200 m thick and many tens of miles in extent we find clear evidence that dry air is mixing in at cloud tops. Strong vertical motion is to be found in the cloud, large sized drops are found in cloud parcels where the mixing gives lower droplet concentrations, and there is evidence that newly formed cloud parcels are warmer and contain many more smaller droplets.The observations show that immediately following entrainment of dry air drop diameters are not reduced appreciably, but, in the same parcels, drop concentrations have been reduced by a factor of ten or more. Further down in the cloud big drops, able to start growth by coalescence, are found associated with low total droplet concentrations.Overall, it seems likely from the consideration of these observations that the formation of the large drops which lead to precipitation processes in clouds depends critically on the mixing in of dry air at cloud tops, and very little on the size of the small drops resulting from the condensation nucleus counts. As a conclusion it appears reasonable to state that if entrainment occurs at cloud tops, then big drops will be formed!     

剪切波速和含水率双指标评价黄土震陷

为了研究地震荷载作用下黄土场地的震陷预测问题,以兰州黄土为研究对象来分析剪切波速和含水率与震陷系数的关系,并分别得出拟合函数关系。通过分析剪切波速和含水率在震陷过程中的内在联系,建立剪切波速和含水率双指标预测黄土震陷系数的方法,并依据该方法预测永登地震区黄土场地震陷量。研究结果表明:在一定的剪切波速区间内,震陷系数随着含水率的增加而增大;在一定的含水率区间内,震陷系数随着剪切波速的增加而减小。同时提出剪切波速可以反映黄土不因外部条件而变化的潜在震陷能力为绝对震陷能力的概念,相应的震陷系数称为绝对震陷系数,含水率影响潜在震陷能力的释放。通过震害实例计算验证剪切波速和含水率双指标预测方法的可行性。     

利用NOAA_16/FY_1C和ASAR数据纠正大气水汽对重轨星载D_INSAR的影响

大气水汽影响一直是造成重轨星载合成孔径雷达差分干涉测量监测结果不确定性的一个重要因素.本文以地表形变速率稳定的延怀盆地为试验区，利用ASAR数据得到该区域的差分干涉处理结果，利用与ASAR数据获取时间相近的NOAA_16/FY_1C数据对该区域的大气水汽含量进行了反演.通过这些结果，对差分干涉处理结果中大气水汽的影响进行了去除.去除大气水汽影响后得到的地表形变结果与野外考察实测结果基本吻合，从而验证了该方法的可行性.     

Making sound inferences from geomagnetic sounding

We examine the nonlinear inverse problem of electromagnetic induction to recover electrical conductivity. As this is an ill-posed problem based on inaccurate data, there is a critical need to find the reliable features of the models of electrical conductivity. We present a method for obtaining bounds on Earth’s average conductivity that all conductivity profiles must obey. Our method is based completely on optimization theory for an all-at-once approach to inverting frequency-domain electromagnetic data. The forward modeling equations are constraints in an optimization problem solving for the electric fields and the conductivity simultaneously. There is no regularization required to solve the problem. The computational framework easily allows additional inequality constraints to be imposed, allowing us to further narrow the bounds. We draw conclusions from a global geomagnetic depth sounding data set and compare with laboratory results, inferring temperature and water content through published Boltzmann-Arrhenius conductivity models. If the upper mantle is assumed to be volatile free we find it has an average temperature of 1409-1539 ° C. For the top 1000 km of the lower mantle, we find an average temperature of 1849-2008 ° C. These are in agreement with generally accepted mantle temperatures. Our conclusions about water content of the transition zone disagree with previous research. With our bounds on conductivity, we calculate a transition zone consisting entirely of Wadsleyite has <0.27  wt.% water and as we add in a fraction of Ringwoodite, the upper bound on water content decreases proportionally. This water content is less than the 0.4 wt.% water required for melt or pooling at the 410 km seismic discontinuity.     

单轴压力下有补给水岩石电阻率变化各向异性研究

将两种规格的长方体水饱和花岗岩标本，以标本一个面的中心点为中心，对称布置成互成４５°角的４条对称四极法电阻率测线。标本电极面和相邻面的一小部分用防水环氧胶密封，使标本在装有水的承压水箱中，沿标本长轴方向受压，观测标本视电阻率随压力的变化。实验结果为：（１）有补给水实验与无补给水实验，电阻率变化整体形态相似，即电阻率随压力的变化先上升，后下降，但有补给水实验的电阻率下降幅度要大一些。（２）电阻率变化出现明显的方向性，可以用电阻率变化最大的各向异性主轴方向表示；实验中，用４条测线、４种组合（每３条测线组合可以确定１个视电阻率变化各向异性主轴方向）方法确定的４个电阻率变化各向异性主轴方向基本一致。（３）加压期间，电阻率各向异性主轴方向随压力增加发生变化，这种变化不是渐变和乱变，而是有规律的跃变，即整个实验过程，多数标本只跃变１—３次，每次跃变形成一个主方向，在主方向内，角度变化不大。（４）有补给水岩石电阻率变化整体形态与美国Ｂｒａｃｅ等（１９６８）所作的围压和孔隙压的岩石电阻率变化形态相似。     

地球变化磁场的分形和混沌特征

将北京地区地球变化磁场的水平分量作为一无规时间序列，利用谱分析方法求出了１９５９，１９６５，１９７０和１９７６年时间段的分数维布朗运动（ＦＢＭ）的维数Ｄｂ。结果表明Ｄｂ值与太阳活动性呈负相关。进而利用时间延迟方法来重建该序列在相空间的吸引子，计算得到吸引子的维数Ｄ＝４．２±０．４，最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数总是正值。这表明地球变化磁场可能是混沌的。还利用一简单模型说明太阳活动性对地球变化磁场Ｄｂ值的影响。     

一维河网不稳定流模型在黄河下游枯季水量调度中的应用

随着黄河下游工农业生产的不断发展,人民群众生活质量不断提高,黄河水资源供需矛盾越来越突出.确保黄河不断流必然面临着越来越大的压力,必须提高水量调度的快速反映能力.本文讨论了一维河网不稳定流数值计算模型在黄河下游枯水演进中的数学基础、 实现方法和在此基础上建立的枯季水量调度软件的应用.从对八十年代以来的枯水年份的模拟情况来看,流量拟合结果均能达到乙级以上,这对于水资源短缺的黄河下游的引黄调度具有重要的参考价值.     

Statistical distribution of nonlinear random wave height in shallow water

Here we present a statistical model of random wave,using Stokes wave theory of water wave dynamics,as well as a new nonlinear probability distribution function of wave height in shallow water.It is more physically logical to use the wave steepness of shallow water and the factor of shallow water as the parameters in the wave height distribution.The results indicate that the two parameters not only could be parameters of the distribution function of wave height but also could reflect the degree of wave heigh...     

A low‐dimensional model of bedrock weathering and lateral flow coevolution in hillslopes: 1. Hydraulic theory of reactive transport

This is the first of a two‐part paper exploring the coevolution of bedrock weathering and lateral flow in hillslopes using a simple low‐dimensional model based on hydraulic groundwater theory (also known as Dupuit or Boussinesq theory). Here, we examine the effect of lateral flow on the downward fluxes of water and solutes through perched groundwater at steady state. We derive analytical expressions describing the decline in the downward flux rate with depth. Using these, we obtain analytical expressions for water age in a number of cases. The results show that when the permeability field is homogeneous, the spatial structure of water age depends qualitatively on a single dimensionless number, Hi. This number captures the relative contributions to the lateral hydraulic potential gradient of the relief of the lower‐most impermeable boundary (which may be below the weathering front within permeable or incipiently weathered bedrock) and the water table. A “scaled lateral symmetry” exists when Hi is low: age varies primarily in the vertical dimension, and variations in the horizontal dimension x almost disappear when the vertical dimension z is expressed as a fraction z/H(x) of the laterally flowing system thickness H(x). Taking advantage of this symmetry, we show how the lateral dimension of the advection–diffusion‐reaction equation can be collapsed, yielding a 1‐D vertical equation in which the advective flux downward declines with depth. The equation holds even when the permeability field is not homogeneous, as long as the variations in permeability have the same scaled lateral symmetry structure. This new 1‐D approximation is used in the accompanying paper to extend chemical weathering models derived for 1‐D columns to hillslope domains.     

基于EMD与关联维的储层识别(英文)

在储层发育带,通常地震波波形会变复杂,所以关联维会变小。但由于地震波是有一定带宽的信号,波形受这个带宽内所有频率成分的影响,如果直接进行关联维的计算,其结果往往不能很好地反映储层。鉴于这种情况,提出了经验模态分解（EMD）与关联维相结合的方法,利用EMD对地震波进行分解,对分解后的每一个平稳的固有模函数（Intrinsic ModeFunction,IMF）分量进行关联维计算,将计算结果与有效的IMF分量进行储层预测。利用该方法对xx区三叠系中油组进行了试算,取得了较好的效果。