三维冰雹云模式对那曲冰雹天气过程的数值模拟研究

为了对西藏地区冰雹天气有更多的认识,利用三维冰雹云模式对2007年和2008年两年发生在那曲地区的冰雹天气进行了数值模拟,并以2008年8月22日发生在那曲的冰雹天气为个例进行了分析,同时探讨三维冰雹云模式在西藏地区的适用性问题。结果显示：模式能够较好地反映云体发展进程中的宏观动力学过程以及微物理过程。宏观方面：能够模拟出冰雹云发生、发展、成熟、消散的过程;微物理方面：能够模拟出各阶段的水汽混合比。模式能够应用于对西藏地区冰雹天气的研究;考虑冰项过程时,模拟的云体发展更强盛,云顶高度抬高,模拟时间更长;固态水成物粒子的积累过程和融化过程对降水有重要贡献;模式模拟的冰雹直径对预报冰雹直径有一定参考价值。     

降雨对滑坡的影响与基于ANSYS的滑坡数值模拟研究

分析了四川理县一处山体滑坡2014-08～2015-08的监测数据。结果表明,滑坡处于缓慢发生中,滑移的主要方向指向山体旁的学校;1 a中3个监测点在该方向上的累积位移量分别为180 mm、262 mm和448 mm。分析降雨量资料发现,降雨对山体滑坡有延迟的影响。利用ANSYS软件对滑坡发生的过程进行数值模拟,并计算监测点的位移,结果与实际观测情况吻合较好,得到降雨量与弹性模量、密度、粘聚力、内摩擦角之间的关系。该数值模拟实验提供了一种预测滑坡的新方法。     

流变特性对青藏高原构造变形影响的数值模拟

建立三维黏弹性有限元模型,采用标准线性固体本构关系,分析流变特性对青藏高原现今构造变形的控制作用。模拟结果显示：1）在高原地壳介质流变机制的控制下,青藏高原内部从西向东,东向位移分量逐渐增大。最大值出现在甘孜 玉树 鲜水河断裂带区域内,反映了青藏高原的物质东移运动;2）在菱形块体中南部,其东侧区域向东南方向运动,而其西侧区域则转向西南方向运动;3）中地壳强流变模型与下地壳强流变模型给出的计算结果总体特征相似,二者均能较好模拟高原物质东流以及绕喜马拉雅东构造结的顺时针转动;4）流变特性对青藏高原构造变形特征的影响较大。     

格点同化对大气波导数值模拟的影响

利用NCEP再分析资料为背景场及常规的探空资料和地面资料,以2005年6月2日出现在黄海海域的大气波导为例,运用中尺度数值模式MM5,设计了2种初始场不同的数值模拟试验:1)NCEP资料;2)NCEP资料和常规探空资料。研究结果表明:格点同化能够改善大气波导的MM5数值模拟结果,提高MM5的大气波导参数模拟精度;在大气波导分布上,格点同化对陆地大气波导影响较大,对于海上的模拟区域分布几乎没有影响。     

脉动气流对沸腾表面水分蒸发影响的数值模拟

【目的】考察脉动气流掠过沸腾水面时,流动参数对水分蒸发效果的影响,探究脉动气流强化蒸发过程的机理。【方法】建立二维物理与数学模型,采用商用软件ANSYS FLUENT 14.5进行数值模拟,研究正弦脉动气流掠过沸腾水面时水分的蒸发情况,分析一定蒸发时间内脉动气流的振幅、频率、气流速度以及温度对水分蒸发的影响。【结果】相比于匀速气流,气流脉动时沸腾表面水分的相对蒸发量提高了约50%;脉动气流的相对振幅从0增加至1.0时,沸腾表面水分的相对蒸发量提高了约1.8倍;脉动气流的频率从0 Hz增加至110 Hz时,沸腾表面水分的相对蒸发量呈现出先增加后减小的变化;气流速度从4 m/s增加至10 m/s时,沸腾表面水分的相对蒸发量提高了约15.3倍;脉动气流的温度对沸腾表面水分蒸发的影响不明显;气流脉动时,水分蒸发速率呈周期性变化。【结论】脉动气流周期性地对水面水蒸气浓度边界层进行扰动,强化了水面的对流传质,从而促进了水分蒸发。     

地形对台风影响的数值模拟研究——以台风“泰利”为例

为研究台湾岛地形对台风移动路径及结构的影响,利用高分辨率中尺度MM5V3模式,设计3组敏感性试验,对“0513”号台风“泰利”在2005年8月31日00：06到9月1日18：00（世界时）影响台湾岛的过程进行数值模拟研究。主要就台湾岛地形对台风移动路径、气压场、散度场、涡度场和降水场进行分析。试验结果表明：台湾岛地形对台风“泰利”的移动路径和中心气压的影响不显著;地形的强迫作用对台风涡度场的中心强度和非对称结构有明显的影响;台湾岛地形是形成迎风坡诱生低压和背风坡诱生高压的主要因子;地形是台风外围降水加强的主要原因。     

通海台垂直摆受建筑载荷影响的数值模拟研究

针对通海台垂直摆NS和EW测项自2019-04出现同步趋势转折变化,计算2017~2020年NS和EW测项M₂波潮汐因子。结合监测井等地下介质结构资料,构建通海台沿垂向分层的三维有限元物理模型,定量分析不同岩石参数模型下建筑载荷对通海台NS向及EW向位移影响的差异特征。结果表明：1）2019-04后NS测项N倾变化量达到约2 750 ms,而EW测项E倾变化量达到约580 ms,NS测项趋势变化量显著大于EW测项;2）2017~2020年NS和EW测项M₂波潮汐因子较为稳定,NS测项M₂波潮汐因子在0.7左右波动,EW测项M₂波潮汐因子在0.52左右波动,数据的转折变化未能在潮汐频段引起同步变化;3）位于通海台东北部的医院建筑物载荷在通海台附近产生N向和E向位移加载,与垂直摆NS和EW测项在2019-04后出现的N倾和E倾趋势转折变化较为一致,模拟得到的N向位移量约为E向位移量的3倍。     

钻孔应变观测影响因素的数值模拟分析

利用有限元数值模拟方法,研究在非均匀地应力作用下,钻孔开挖前后区域应力场的变化特征,并探讨钻孔开挖后岩石、水泥、探头的弹性模量、泊松比及水泥的厚度与膨胀系数的变化对分量应变及面应变观测的影响。研究结果表明：钻孔开挖造成区域应力场扰动的范围大概为1.5倍孔径。在“探头 水泥环 围岩”系统中,各参数的变化对应变观测的影响程度不同,但分量应变对外界载荷的响应趋势基本一致。在均匀地应力作用下,水泥厚度对应变的影响与水泥的弹性模量有关,且随着水泥膨胀系数的增加,面应变存在减小的趋势。     

滇西北地区近年来应力场的数值模拟研究

建立滇西北地区三维有限元地质模型,将2009~2016年GPS速度场数据作为数值模拟的位移边界条件,模拟获取该地区的构造应力场。结果表明,在楚雄至滇西北地区整体显示张性应力区;出现由“洱源鹤庆断裂-红河断裂-程海断裂”圈起的低值张性区,区域内部张性应力明显低于外部,这种张应力低值区尤其在区域四周断裂边界处,往往是地壳断裂活动的频发区;曲江断裂北端及元谋-绿汁江断裂南端出现张性应力集中区,是今后重点关注的断裂结点。     

储层特征对水平井多裂隙增强型地热系统采热过程影响的数值模拟研究

将石油天然气行业发展很成熟的水平井多裂隙开发技术用于增强型地热系统(EGS)可显著提高EGS的经济效益。本研究建立了三维EGS水平井多裂隙物理模型, 采用CFX模拟分析了在井间距以及裂隙间距等不同储层特征条件下EGS的运行性能, 揭示了不同储层特征对于EGS储层采热过程的影响机理。研究结果表明: ①裂隙间距是影响EGS工程运行寿命和开采率的关键因素, 在相同注水流量下, 较大的裂隙间距不易形成热穿透, 系统运行寿命更长, 但降低了储层开采率; 过小的裂隙间距易形成热穿透, 系统运行寿命短, 但开采率高。②井间距对裂隙中的流体流速影响显著, 随着井间距增加, 在相同开采时间下, 产流流体的温度不断升高, 系统的寿命也会随着井间距的增加而增加, 井间距的增大也意味着储层的体积也就更大, 从而有更多的热量可供开采, 因而提高了系统的运行寿命。研究结果可以为EGS储层的建造提供理论指导, 为实现商业化开采地热能做好理论准备。      

CO2-水-岩相互作用对盖层渗透率影响的数值模拟

针对我国江汉盆地深部含水层的基础地质和水文地质条件,运用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHREACT
建立垂向一维模型,探索研究了CO₂ 进入盖层后,CO₂-水-岩相互作用对盖层渗透率的影响。模拟结果表明,CO₂进入盖层
后,会使pH值降低,导致矿物组分和渗透率的变化。模拟5000a后,盖层底部和顶部渗透率分别增加了10%和6.7%,主要是由
石膏在该处的溶解以及菱镁矿未能沉淀造成的;盖层中部渗透率降低了约6.7%,主要是因为铁白云石和菱镁矿在后期发生了沉淀;
绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+ 和Fe2+ 离子来源,对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。      

块石定向性特征对土-石混合体强度影响的数值模拟

为了探讨土-石混合体的力学强度受块石定向性特征的影响,开发了二维椭圆块石集合体随机模型(2D Elliptic Block Collection Stochastic Model,简称EBCS2D),并在此基础上进行了双轴压缩数值模拟。模拟结果显示土-石混合体的强度受块石定向性特征的影响,该影响规律与含石量显著关联。通过对各向异性屈服面曲线方程和数值模拟结果的拟合分析,验证了该屈服面曲线方程在表达土-石混合体强度方面的适应性。通过引入土-石相互作用单元的概念,阐明了在低、中、高3种含石量下,块石孤立作用和团簇作用交替主导,造成了块石定向性特征对土-石混合体力学强度的不同规律的影响。      

TSP隧道地震预报空洞模型的数值模拟研究

采用有限元方法模拟隧道地震波场,采用波场快照与时间记录相结合的方法,研究空洞对隧道地震波场传播的影响,并对含空洞模型的时间记录进行处理,得到数值模型的速度云图和反射层位图。经数据处理表明,采用TSPwin设定默认值处理得到的速度云图与模型设定的空洞位置比较一致,在提取反射层位图上,空洞反射层呈现条带状特征,需要结合速度云图来确定空洞位置,且P波预报的准确性相对较高。对TSP系统的抗噪性进行研究,表明其具有良好的抗噪性能。最后通过对工程实例的处理,验证了数值模拟所得的结论。     

动脉内壁剪切应力动态分布数值模拟研究

针对人体动脉系统,利用心动周期内血管血液流量波建立了血管壁面切应力动态分布的求解体系,在一定的假设条件下,推导了不同Womersley数下该体系的分析解;最后采用该求解体系和分析解,利用血流动力学数据计算了猪颈动脉的管壁切应力动态分布,结果是本文的数值模拟求解计算量少,而且考虑了血管壁的弹性特性,得到更趋于合理的管壁切应力分布。     

地貌分形理论模型的数值模拟

利用简单分形模型和分数布朗运动模型，分别对分形地貌研究中的多度域分形曲线和外营力作用下地貌剖线自仿射分形进行了模拟计算。模拟结果显示，不同机制作用下的地貌形态分维值差异不大的时候，从分维结构图上无法获得相应的多度域分维值，这时需要借助其它手段进行分析；不同起伏的地表形态可以具有相同的分维值，夷平作用并不改变由地表侵蚀作用形成的分维值，表现出外营力作用的相对稳定性，要全面描述曲线的起伏特性需要引入渡越长度。     

地下水均衡过程的数值模拟

利用电子计算机对地下水的均衡过程进行数值模拟,这是提高以均衡法评价地下水资源精度的有效途径之一。论证地下水的均衡过程应以足够多的地下水位系列观察资料为基础,这也是获得的地下渗流过程的最主要的信息。数值模拟过程包括数学模型建立、参数调整(系统识别)和模型运转(水位预报)。本文着重论述参数调整(初始流场确定和参数调整)和模型运转(预报未来水位、论证和对比开采方案),基于上述工作要求,以有限差分法为基础用 ALGOL 语言编成一套计算用的序列程序——初始流场调整程序、参数调整程序和开采方案下的水位预报程序。这些程序已多次应用在 DJS—6机上,完成了大量的计算工作。     

海南岛及北部湾海域海啸数值模拟与影响分析

海底地震引发的海啸灾害,对沿海国家和地区的影响是相关领域的研究热点。研究采用COMCOT海啸数值模拟模型,对可能发生在马尼拉海沟一次地震活动（M_w=9.0级）所引起的海啸过程进行了数值模拟,并研究了该海啸传播到海南岛和北部湾的过程及其特点,分析海啸波对这一地区可能造成的影响。研究发现,传播到北部湾地区的海啸波具有明显的非线性特征,海啸发生后2 h 10 min左右到达海南岛东海岸,首轮波高达2.1 m;随着湾内水深逐渐变浅,受制于海底摩阻,及海南岛的阻隔与缓冲作用,海啸到达广西壮族自治区南部沿海地区的时间,被推迟到距地震发生8 h后,海啸波高减小到0.4 m,海啸波能量大为衰减。研究结果表明,马尼拉海沟地震引发海啸,对海南岛东南部沿海影响较大,有成灾的可能性;而对广西壮族自治区南部沿海及北部湾地区的影响较弱,一般不会造成大的灾害。     

西藏那曲一次特大冰雹的数值模拟研究

针对数值模式在模拟高原强对流天气时,如何选取各种微物理过程方案及表征量的问题。采用中尺度天气模式WRF,对2010年9月25日青藏高原那曲地区的一次午后热力雷暴及其带来的冰雹过程进行数值模拟,探讨了不同微物理过程方案在高原地区的适用性,以及高时空分辨率的诊断量对雷暴的反映。将模拟结果与实况卫星云图对比,显示当模式中微物理过程采用WSM3方案时,模拟效果较为准确。模式输出的高分辨率中尺度要素场能较准确地反映雷暴云团的位置情况,模式输出的各种参量(如CAPE,KIm,假相当位温等)随时间的变化情况,均能较准确地描述热力雷暴发生发展过程。     

介质不均匀性和断层倾角对同震位移场影响的数值模拟

利用三维有限元数值模拟方法,定量研究了介质不均匀性和断层倾角变化对同震位移场的影响。模拟结果显示：1）在均匀及纵向分层介质模型中,对于垂直走滑断层地震,水平位移场分量与介质的泊松比呈较弱的负相关,垂直位移场与介质的泊松比呈正相关,水平位移场与剪切模量呈正相关,垂直位移场与剪切模量呈负相关;2）模型介质的横向变化对同震位移场有较大影响,剪切模量的横向变化对地震位移场影响最大,且两者呈负相关,在垂直走滑断层地震中,保持断层一侧块体的介质参数不变、减半另一侧块体的剪切模量,剪切模量减半的块体中的最大垂直位移分量增大55.6%;3）倾角对同震位移场有重要影响。断层附近,倾角对位移场起控制作用,对于高倾角逆冲断层(60°~90°),上盘断层附近区域的水平位移场出现反向,反向区域的范围随倾角的增大而增大,当倾角为90°时,上盘水平位移场全部反向;断层倾角增大时,断层附近下盘的水平位移场的增大幅度较大。     

GMS在白泉湿地公园地下水数值模拟中的应用

为探究白泉湿地公园建设过程中白泉湖开挖对白泉的影响,在系统分析白泉泉域水文地质条件的基础上,采用地下水数值模拟专业软件GMS建立2012—2014年白泉泉域地下水流数值模型。在此基础上,利用10年平均和10年典型2种降雨情景对公园建成前、后白泉水位和流量进行预测。通过对比分析,结果表明公园建成后未来10年白泉可以保持持续喷涌,不会有断流情况的发生。在保证白泉湖景观用水的前提下,每天至少有100 m^3的泉水通过河道排泄到小清河。白泉湿地公园建成后,随着附近地下水的进一步减采,白泉的流量将逐渐增大,白泉湖的景观水位更加有保障。