非稳定温度场的三维p型有限元方法研究

非稳定温度场的边界往往是温度梯度较大的区域,需要划分较密的网格。但在三维温度应力的计算中太密的网格往往使得计算成本很高。将p型阶谱有限元方法引入温度场的计算,则可以开拓一条解决这类问题的有效途径。研究了p型有限元中的温度边界条件和初值,编制了有关程序,对同一个算例,采用不同网格密度的常规有限元法和p型有限元法进行了温度场计算分析和对比。研究结果表明,用p型有限元进行非稳定温度场计算,在网格稀疏的条件下能够达到较高的精度。     

复杂电性结构大地电磁二维响应特征

为了改进计算区域离散化问题,本文利用自适应非结构化网格有限单元法求解二维地电结构下大地电磁场满足的加权余量表达式。在有限元求解电磁场的过程中,网格剖分越精细、计算精度越高,计算量也会越大。此外,结构化网格难以适应任意地形以及复杂地质构造。而自适应非结构化网格在电性变化剧烈的区域会自动加密,在电性缓变的区域则生成粗疏的网格,从而优化网格质量与数量。因此,文中引入COMSOL Multiphysics软件,以实现若干地电模型的构建及非结构化自由四边形单元网格化。将网格数据信息导入本文算法,计算大地电磁场响应,并与解析解及数值解对比。结果表明,基于非结构化网格的正演模拟精度高、适应性强,为计算区域网格化提供了新的方法。     

有限单元法模拟地下水流的水头反常现象——对流量计算的作用

地下水流数值模拟是定量研究地下水水量和水质的重要手段。为揭示有限单元法水头反常现象形成的原因,以三维非均质模型为例,刻画了水头反常现象。储量集中法(Lumped Mass方法)是有限单元法中储释水量计算的替代算法,可以改善水头反常现象。对结点控制区域的均衡性质进行了研究,分析了使用Lumped Mass方法时的水头反常现象,结果表明:结点控制区域的对流量计算受到该结点所在层及其相邻层水力坡度的影响;在抽水初始阶段,抽水井结点水头快速下降,导致相邻层中相邻结点控制区域的侧向流入量为正值,控制区域为储水过程,结点水头上升,表现出水头反常现象。因此,有限单元法中对流量的计算是引起水头反常现象的原因。     

基于贴体全交错网格的起伏地表正演模拟影响因素

贴体网格有限差分正演模拟算法不仅能够精确模拟任意起伏地形下的波场特征,且计算效率较高,是一种很有应用前景的处理西部复杂地表问题的方法;然而,目前求解波动方程时常用的同位网格和标准交错网格,在处理贴体网格起伏地表正演模拟时存在诸多问题。为此,将全交错网格引入到曲线坐标系下,避免了标准交错网格的插值误差和同位网格中奇偶失联引起的高频振荡现象,提高了模拟精度,减小了算法实现的复杂度。在自由边界条件实施时,采用牵引力镜像法计算速度分量,速度自由边界条件配合紧致交错差分格式更新应力分量,得到了较好的效果。随后,重点研究了贴体全交错网格正演模拟算法的影响因素,考虑了网格正交性、网格间距和网格拼接等的影响,并取得了如下认识：算法对网格的正交性没有过分要求;网格间距的突变会引起虚假反射的产生;不同类型的网格拼接对模拟结果不会造成明显的影响。     

裂隙网络无压渗流分析的初流量法

借鉴初流量法的思想,引入初流速来抵消在裂隙网络干区实际不存在的流速,将Darcy定理扩展到整个区域,定义了在整个区域上的非线性边值问题,并将潜在溢出面边界条件归纳为Signorini型边界条件,建律了等价的变分不等式提法。通过结合连续型的Heaviside函数,给出了基于变分不等式的初流量有限元迭代算法,研制开发了相应的计算程序,通过两个典型算例验证了本文算法在求解复杂裂隙网络渗流自由面的有效性和鲁棒性。     

应用计算机“推导”位场水平导数公式的方法及程序

根据台劳级数展开式，将窗口内网格结点位场数据在计算点展开，且对应点两两相减，由最小二乘法求得窗口内网格结点的水平导数算子，将此算子与观测的位场数据褶积，就可求得位场的水平导数。     

应用计算机“推导”位场圆滑滤波及二次导数公式的方法

根据台劳级数展开式,将窗口内网格结点位场数据在计算点展开,且对应点两两相加,由最小二乘法求得窗口内网格结点的圆滑滤波算子和二次导数算子,将此算子与观测的位场数据褶积,就可得到位场圆滑后的数据及水平、垂直二次导数。     

中国地质调查信息网格平台构建和地质图 数据服务的实现

对组成中国地质调查信息网格平台的结点计算池的构架、机制和组成结点计算池的资源聚合器、元服务、智能服务引擎的概念进行了阐述,提出了结点自治的方案;基于资源共享、虚拟化、Web服务等创建了基于元数据服务、栅格流服务、矢量地图服务、三维可视化服务等多模式的地质图数据服务。目前已初步构建了中国地质调查信息网格,连通10个结点 ,为地质图空间信息共享和应用提供一种全新的技术解决方案,取得了良好的实际运行效果。     

流量Ⅲ型误差的分析

以表达流量精确度的综合标准差公式为依据,用置信水平85%与综合计算提高了误差指标值的安全程度和准确程度,应用15个测站296次流量Ⅲ型误差试验资料分析确定了单站计算法与综合计算法两套流量Ⅲ型误差实用方案,有效地控制了流量误差并提高了流量精度,且综合计算法优于单站计算法。分析研究成果明显改进了河流流量测验规范的相关规定,为其修订提供了重要依据。     

无网格自然单元法在弹塑性分析中的应用

无网格自然单元法在构造位移插值函数时不需要单元的信息,只需要结点的信息,在裂纹扩展模拟、材料非线性分析、几何非线性分析以及三维计算等方面具有广阔的应用前景。阐述了将无网格自然单元法应用于结构弹塑性分析的过程和基本理论,给出了其位移插值函数的构造过程,并将其结果与常规的有限单元法进行对比,证明了该方法用于弹塑性分析的优越性。     

Fully coupled hydraulic fracture simulation using the improved element partition method

The improved element partition method (IEPM) is a newly developed fracture simulation approach. IEPM allows a fracture to run across an element without introducing extra degrees of freedom. It can also simulate any number of fractures in a prescribed mesh without remeshing. In this study, the IEPM is extended to hydraulic fracture simulation. First, the seepage and volumetric storage matrix of a cracked element are derived using virtual nodes (the intersection points of a crack with element edges). Subsequently, the fully coupled hydromechanical equation is derived for this cracked element. To eliminate the extra degrees of freedom (virtual nodal quantities), the water pressure and displacement of the virtual nodes are associated with their adjacent nodes through least squares interpolation. Finally, the fully coupled equation in terms of nodal quantities is obtained. The verification cases validate the method. By using this method, the field-scale hydraulic fracturing process is well simulated. The proposed approach is simple and efficient for field-scale hydraulic fracture simulation.     

非承压和非稳定抽水试验资料的有限单元分析

在抽水条件下水位随空间和时间变化的预测,依赖于潜水层的透水率和给水度的准确测定。如何利用抽水试验资料求这两种参数也是一个关键。这种相辅相成的关系是有效地开发利用地下水资源的前提。     

饱和模型非定常渗流的数值求解方法

提出了饱和模型非稳定流的有限元算法，并对自由面流量补给项提出一种简单的处理方法，从而避免了在迭代中求解自由面的位置，最后给出了计算实例。     

基坑潜水疏干的简化计算在昊华水泥厂中的应用

以流线、流面、汇点的概念为基础,对稳定流双井干扰和直线隔水边界附近涌水量理论公式进行对比分析,提出了二个虚拟界面,其中虚拟界面Ⅰ,运用流线、流面的性质,流线方程等给出证明;虚拟界面Ⅱ则通过半无限条形降落漏斗的分析,应用元流和总流的能量方程得到流量为零,流线为零的平面。在同样条件下,条形无限涌水量是半无限潜含水层涌水量的二倍。应用总流能量方程对三种情况水头损失的分析,解释了这种关系存在的合理性,得出虚拟界面Ⅱ,并以此得出该界面内的最大残余水头计算公式。将基坑降水运用虚拟界面简化为扇形,条形半无限含水层,从而实现单井预测,该方法应用到昊华水泥厂基坑降水中,预测效果理想。     

无压渗流分析的复合单元法

针对无压渗流问题,在传导矩阵调整法的基础上,对穿越自由面的单元用复合单元来处理,每个复合单元具有两套结点水头,一套用于饱和区的水头插值;另一套则用于无水区。通过变分原理,推出了控制方程并在程序中实现。应用复合单元法可以较好地解决自由面的插值问题,消除了穿过自由面单元的水上部分对自由面附近结点水头的贡献,同时对逸出面边界条件的处理也更加方便和准确。算例表明了该方法的有效性。     

Development of deflation lag surfaces

A series of wind tunnel tests were carried out to investigate the development of deflation lags in relation to the non-erodible roughness element concentration. Glass spheres (18 mm in diameter) were placed along the complete length of the wind tunnel working section in regular staggered arrays using three different spacings (d=18, 30 and 60 mm) and completely covered with a 0.27-mm erodible sand. A pre-selected free stream velocity above threshold (8m s^?1) was established above the surface and the sediment transport measured at 2-s intervals using a wedge-shaped trap in which an electronic balance is incorporated. Throughout each test, the emerging lag surface was periodically photographed from above at two locations upwind of the trap. The photographs were electronically scanned and analysed to calculate the lag element coverage and location, as well as mean height and frontal area for each time period. Test results indicate that lag development has a profound effect on both the sediment flux and wind profile characteristics. Initially, there is an increase in sediment flux above that for a rippled sand bed because of increased erosion around and reduced kinetic energy loss in highly elastic collisions with the emerging roughness elements. With further emergence, a dynamic threshold is reached whereupon the sediment flux decreases rapidly, tending towards zero. At this point, the supply of grains to the air stream through fluid drag follows a reduction in aerodynamic roughness and, therefore, surface shearing stress. At least as important is the lesser potential for grain ejection at impact because of reduced momentum imparted from the air stream during saltation. Although recent shear stress partitioning models indicate when particle movement may commence on varying surfaces, our experimental results demonstrate that this partitioning has a further direct bearing upon the saltation flux ratio.     

不透水地基上均质土坝渗流自由面的有限元计算

为了保证土坝安全,水利工程中需要对土坝进行渗流计算,首先需要确定自由面。根据达西定律和渗流连续方程,以及水头和流量边界条件,建立了不透水地基上的均质土坝渗流的计算模型。利用Geoslope软件,采用有限元离散的方法计算了土坝的渗流自由面,并分析了土坝在不同的渗透系数情况下的自由面位置的差异。最后,解析解计算的自由面结果验证了有限元计算自由面方法是正确的。     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

无单元伽辽金法及其在瞬态温度场中的应用研究

无单元伽辽金法(EFGM)采用移动的最小二乘法构造形函数,和有限元相比,它只需结点信息而不需要单元信息.简述了无单元法的基础理论,推导出瞬态温度场的无单元法计算公式,采用罚函数法引入了第一类边界条件,编制了相应的计算程序.通过应用于经典的瞬态温度场例子,和有限元结果作比较,说明了无单元法具有精度高、前后处理简单等优越性,是一种具有较大发展潜力的新数值计算方法.     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅲ):参数化方案

以物理过程分析为基础,根据野外实测资料设计了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式中的大气辐射参数化方案,对直接太阳辐射、大气散射辐射、大气向下长波辐射参数进行处理,得到了较好的结果.在无云大气条件下,对直接太阳辐射透过率和大气散射辐射以太阳天顶角进行参数化;对大气向下长波辐射以大气等效辐射率及气温进行参数化;在云天条件下,基于晴阴比的云量参数化和基于气候资料的云天系数参数化都各有较好的效果.对土壤热通量的参数化方法和拖曳系数的取值问题进行了讨论,更完善的方法还有待于与实验测量工作相结合.