基于Grasselli模型的一个新的岩石节理三维粗糙度指标

岩石节理粗糙度是影响岩体剪切力学特性和渗流特性的关键因素。为了获得一个具有各向异性特征且能够反映节理剪切机制的三维粗糙度指标,采用三维激光扫描仪对4组砂岩节理开展了形貌扫描试验,结合Grasselli模型的思想,提出了一个新的三维粗糙度指标θ_R~*。为了验证新指标的合理性,将其与其他3种模型进行了对比,分析结果表明:相较于Grasselli模型、Liu模型以及Tian模型,新模型与形貌测试结果更加吻合。首次提出了迎剪侧视倾角密度函数的概念,并发现Liu模型实质上遵循Weibull分布。相较于Grasselli模型、Liu模型以及Tian模型的理论密度函数,新模型的密度函数与试验实测结果更加吻合,从而证明了新模型的合理性。新的粗糙度指标更为简单,仅考虑迎剪侧视倾角的作用,量纲和物理意义明确,且和节理的粗糙度呈正相关,试验结果也表明新指标能够较好的反映节理粗糙度的各向异性。     

基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究

传统线性元件组合模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段特性,给工程应用带来了巨大困难。提出一种新的应变触发非线性黏壶元件,并将其与Bingham模型串联,建立了可以描述岩石等速和加速蠕变特性的一维本构模型,进而推导出相应的三维蠕变本构模型,再将三轴压缩过程中岩石弹性模量的衰减方程引入该三维蠕变本构方程,得到一个能反映岩石蠕变全过程特性的三维非线性黏弹塑蠕变本构模型,根据泥岩蠕变试验数据对该模型参数进行了辨识。模型理论计算值与泥岩蠕变试验数据的对比表明改进的Bingham模型不仅可以充分反映软岩的等速蠕变特性,还可以很好地描述软岩的衰减和加速蠕变规律,且模型元件少,组合形式简单,为软岩非线性蠕变本构模型研究提供了新的借鉴。     

三峡水库蓄水初期近坝区淤积形态成因初步分析

三峡水库蓄水运用后,库区泥沙淤积将显著增加.基于三维水沙数值模型及实测资料分析,对水库蓄水初期近坝区泥沙淤积形态的成因进行了初步探讨.研究结果表明坝前淤积形态的成因既与坝前水流流态的三维特性有关,又与水库蓄水初期坝前淤积物颗粒特性有关.水库蓄水初期沉积在近坝区的泥沙颗粒较细,初始干容重较低,使得淤积物表现出一定的浮泥特性.坝前淤积总量较大主要是宽谷河段水流特性造成的;而基底深槽处淤积物厚度较大、淤积面呈水平状的主要原因则是浮泥状淤积物在重力作用下向河底运动、并沿深泓线在基底深槽中汇集.     

广义自相似性原理与模型

为了理解各式各样的具有广义自相似性特征的尺度不变性系统, 提出了1个称之为GSI (generalized scale invariance) 的理论体系.它阐述了大小尺度可以相互关联而不需要引入任何1个特有(具体) 尺度的最普通情形.在二维线性GSI理论的基础上, 形成了2个重要的各向异性尺度不变性量化模型: SIG (scale invariant generator) 模型和S-A (spectrum-area) 模型.SIG模型通过在频率域中估计GSI理论中代表旋转和层化程度的尺度不变性生成元的参数来量化各向异性尺度不变性.而S-A模型通过从二维频率域中能谱密度大于P元素集的面积与P之间关系的非参数模型对各向异性尺度不变性进行量化.如果研究的对象是1个混合模式(多个不同尺度的过程或作用叠加而形成的), S-A模型不仅可以对异性尺度不变性进行量化, 还可以对该混合模式进行分解.系统阐述了GSI理论、SIG模型和S-A模型, 并将SIG模型和S-A模型结合提出了既能对混合模式进行分解又能对分解后模式的各向异性尺度不变性进行量化的模型.      

龙首二级面板堆石坝三维真非线性地震反应分析和评价

基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,建立了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性动力分析方法.利用坝料动力特性的大型三轴试验成果,分析计算了龙首二级(西流水)面板堆石坝的地震反应,主要包括加速度反应、堆石体应力反应及坝体单元抗震安全系数、面板应力反应和变形及接缝位移、高趾墙动力反应等.为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的应力-应变规律有重要影响,而建立在各向同性假设基础上的常用土体本构模型并不能反映土体的这种特性,因此需要分析土体各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响。采用各向异性非线性弹性模型,对水荷载作用下粘土心墙坝进行有限元数值分析,并与邓肯模型计算结果比较。结果表明,各向异性模型考虑了蓄水期间从小主应力方向加荷引起的土体应力各向异性,计算得出的小主应力σ3较邓肯模型的大,且相应抗水力劈裂能力亦大,则邓肯E-v模型由于不能模拟蓄水期土体各向异性特性,对于水力劈裂发生的评估可能偏于危险。     

基于RNG湍流模型的双向泵站出水流道流动计算

低扬程双向流道泵站是我国独创的泵站型式,为深入了解其流道内流场特性,首次运用基于壁面律的RNG κ-ε的湍流模型对流道进行数值模拟。计算采用交错网格的有限体积法求解三维不可压Navier Stokes方程。提出优化出水流道的目标函数,并依据数值模拟结果,预测出水流道水力损失。根据经验公式计算的水力损失和预测的出水流道水力损失两者较为接近,表明通过采用基于壁面律的RNG湍流模型能较好地预测出水流道的水力性能。考虑壁面律的RNG湍流模型在泵站流道内特性数值模拟和外特性预测研究方面有较好的推广价值。     

柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析

在分析柱状节理不连续性和各向异性的工程特性基础上,对某拱坝及坝基的柱状节理岩体进行三维数值模拟分析。考虑河谷初始地应力场和岩体各向异性力学性质,采用各向同性本构和各向异性弹塑性本构进行对比分析。计算表明,坝基柱状节理岩体各向异性特性对工程整体应力、变形的影响比较明显,采用各向异性弹塑性模型计算更能反映柱状节理的特殊性。其结果为该坝区岩体工程各向异性力学分析提供了示例。     

循环荷载作用下饱和软土的各向异性边界面模型

在临界状态弹塑性力学的框架内,建立了可以考虑循环荷载作用下各向异性对饱和软土力学特性影响的边界面塑性模型。该模型采用非关联的流动法则,引入了反映土体各向异性的内变量,利用该内变量的初始值描述初始各向异性,采用一种理论更为严谨、模型参数确定更为恰当的旋转硬化法则描述循环加载过程中各向异性的演化,利用更新映射中心的径向映射法则和与塑性偏应变路径长度有关的塑性模量插值规律,保证模型能够模拟循环加载时应力-应变响应的非线性、滞回性、应变累积性等基本特性,解释了模型参数的物理意义和确定方法,特别是给出了一种合理确定描述土体初始各向异性状态变量方法。通过文献中等压固结和偏压固结饱和黏土的循环三轴试验结果与模型预测结果的对比验证了模型的合理性。     

水库防洪优化设计模型

针对水库防洪设计常用的设计洪水地区组成法所存在的问题,应用概率论原理,建立了考虑水库泄流和下游区间洪水洪峰流量的各种可能遭遇情况,提出了水库防洪优化设计概率约束规划模型,并应用求解有约束非线性规划问题的可变容差法进行模型求解.实例计算结果表明,所建立的模型是合理的,求解技术可行且结果正确.     

随机分布裂隙煤岩体模型及其应用

煤层中随机裂隙展布模拟技术是瓦斯抽放数值模拟中的关键技术。利用Monte-Carlo模拟技术模拟实际煤岩裂隙的随机性,建立了随机分布裂隙煤岩体模型,并在Matlab平台下开发了二维随机裂隙煤岩体生成程序RFSS 2D。在煤岩实测数据和统计分析的基础上,利用编制的程序不仅能生成与实际煤岩具有相同统计分布裂隙网络的虚拟煤岩体,而且能实现有限元网格自动剖分。以辽宁某瓦斯抽放试井作为数值算例,依据实测和统计数据建立了随机裂隙分布的煤岩体模型,模拟了瓦斯压和应力的演化规律,结果表明,与瓦斯抽放井连通的裂隙对瓦斯运移影响很大,与瓦斯抽放井不连通的裂隙对瓦斯运移也有影响,但影响有限。     

Finite element simulation of fluid flow in fractured rock media

Fluid dynamics models are used by the petroleum industry to model single- and/or multi-phase flow within fractured rock formations, in order to facilitate extraction of fluids such as oil and natural gas, and in other areas of engineering to study groundwater flow, as well as to estimate contaminant seepage and transport. In this paper, the numerical modelling software Comsol is used to simulate air and water flow through a specimen of granite with a single vertical fracture subjected to triaxial loading conditions. The intent of the model is to simulate triaxial test findings on a rock specimen with a natural fracture. Fluid flow is simulated at various confining and inlet pressures using the cubic law. Model results were in good agreement with laboratory findings. Pressure distribution along the fracture and across the specimen are as expected with a near linear pressure distribution along the length of the fracture. A drawdown effect on pressure distribution across the specimen in the vicinity of the fracture is also observed. Pressure gradient was largely uniform; however, some localised zones of high gradient along the fracture are observed.     

采用RNG紊流模型计算静止环境中圆形负浮力射流

基于RNG方法的κ-ε湍流模型,运用混合有限分析算法对静止环境中圆形负浮力射流进行数值模拟。从射流的最大入侵高度、流速矢量图、温度等值线、湍动能等值线、横断面上的流速和温度分布以及轴线上温度变化等方面与有效的试验资料进行了较为全面的对比验证。两者的良好吻合表明,基于RNG方法的紊流模型和混合有限分析法的结合能较好地模拟变密度流动。     

单井注水改变填埋场中垃圾土温度的模拟

为了加速填埋场降解的稳定化,渗滤液回灌常被应用在工程实践中。使用竖井进行回灌是较为有效的方式之一。伴随着液体的注入,由于对流的产生,垃圾土温度势必会发生改变。基于无锡填埋场注水试验,对该现场试验过程中垃圾土温度的改变进行模拟。为此,建立了考虑渗透系数和孔隙率随深度变化的渗流模型,以及考虑渗流影响的热对流-热传导模型,并利用数值计算方法进行求解。在对比计算值和试验值之后,发现所建立的模型能较好地模拟注水期间渗滤液水位和垃圾土温度的变化规律。结果表明：在离注水井超过6 m处的位置,显现的液位相对滞后,至少滞后0.15 d,而且距离越远滞后的时间越长;在液位以下,注水井周围的垃圾土温度均低于初始温度。但是在径向上远离注水井3.6 m之外的垃圾土温度并不是全低于初始温度,在新老垃圾土交界处之上2 m范围内,会出现温度高于初始温度的现象,温度差可达3 ℃;新填垃圾土的已降解时长对单井注水工况下温度分布的影响较为显著。     

基于DEM的分布式流域水文模型及应用

提出了一个基于数字高程模型(DEM)的分布式流域水文模型,主要用来模拟湿润地区的蓄满产流机制。通过建立土壤蓄水能力和地貌指数的关系来描述蓄水能力的空间分布。坡面流流向采用多向流法来决定。应用结果表明,该模型模拟流量过程的精度较高,与三水源新安江模型、TOPMODEL基本相当;而且模拟的土壤蓄水量的空间分布也基本符合水文规律。     

斜坡上异重流的三维数值模拟

针对异重流的流动特征,建立了适用于具有各向异性浮力紊动特征的三维异重流运动的数学模型,并模拟了异重流在15°斜坡底面上的潜行过程。计算结果准确地模拟了异重流的运动特征和形态,其前锋的潜行速度与实验结果相当吻合。该模型采用非结构同位网格上的SIMPLEC算法能适应复杂边界和地形,可应用于自然界实际环境中异重流的演进计算。     

Comparison of a karst groundwater model with and without discrete conduit flow

Karst aquifers exhibit a dual flow system characterized by interacting conduit and matrix domains. This study evaluated the coupled continuum pipe-flow framework for modeling karst groundwater flow in the Madison aquifer of western South Dakota (USA). Coupled conduit and matrix flow was simulated within a regional finite-difference model over a 10-year transient period. An existing equivalent porous medium (EPM) model was modified to include major conduit networks whose locations were constrained by dye-tracing data and environmental tracer analysis. Model calibration data included measured hydraulic heads at observation wells and estimates of discharge at four karst springs. Relative to the EPM model, the match to observation well hydraulic heads was substantially improved with the addition of conduits. The inclusion of conduit flow allowed for a simpler hydraulic conductivity distribution in the matrix continuum. Two of the high-conductivity zones in the EPM model, which were required to indirectly simulate the effects of conduits, were eliminated from the new model. This work demonstrates the utility of the coupled continuum pipe-flow method and illustrates how karst aquifer model parameterization is dependent on the physical processes that are simulated.     

基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模拟

为了分析将子域解析元素法应用于煤矿地下水流场模拟的可行性,并探究如何提高此方法的模拟精度,首先推导出了强度非线性变化的高阶线汇的复势表达式,分析了其流量势与流函数的空间分布特征,在此基础上应用python语言构建了基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模型并应用于求解某煤矿放水试验后水位分布问题.模拟结果显示,模拟水位与观测孔水位偏差绝对值范围为1.36~5.27 m,模型外边界（实际定水头边界）上的水位接近实际值（900 m）,且通过模型外边界（实际隔水边界）的流量近似为零.对模拟原理及模拟结果的分析表明,基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模型在全域上满足质量守恒及达西流梯度场,在全域内任意一点的水位可通过该点所处的子域所对应的流量势函数求得,因此应用子域解析元素法进行煤矿地下水流场模拟是可行的,而且将代表模型边界的非线性强度线汇剖分为更短的长度可进一步提高模拟精度.      

Ocean model derived global surface circulation and Vertical velocity

In this article, the authors examine Sea surface temperature (SST), Sea surface circulation (SSC) and Vertical velocity (VV) fields from simulation of 25 layers coarse resolution Modular ocean model (MOM version 3.0) with prescribed wind forcing for the region 74.25°S to 65°N, 180°W-180°E. It is found that distribution of SST simulated by the model shows its consistency with the observed climatology. However, simulated SST in the areas of Arabian Sea, Bay of Bengal, Indonesian Throughflow (ITF) region and east of North America near equator exhibit slight warming with respect to observation, which may be due to model deficiency and forcing problems. Circulation features suggest that one of the strongest current viz. Antarctic circumpolar current (ACC) along with other major current systems viz. Gulf stream current, North and South Pacific current, Agulhas current, Labrador current, Canary current, etc are captured well by the model. In the Indian Ocean and other ocean basins, current patterns are well captured by the model simulation. Intense upwelling as well as downwelling areas is marked in the horizontal distribution of VV, which is as expected. VV show quasi-stagnant and convergent regions suggesting that floating materials may be accumulated during January/July in the real ocean and wind driven circulation may act as an important contribution for such transport of floating materials in these regions. An attempt has also been made to understand the fluctuations of the SST in NINO 3.4 region during the period of model simulation using SST anomalies.     

基于LBGK方法的粘性流体晃动问题大涡模拟

LBGK结合大涡紊流模型方法应用于粘性流体运动的数值模拟,并在LBGK方法中引入VOF概念,用于跟踪自由表面的运动.利用这种方法计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及非线性激励下的一阶模态晃动,得到了侧壁上压强分布,并拟合了压力和弯距的估算公式.分析和实践表明,该方法对带自由表面不可压缩流体的数值模拟具有较高的精度.