田间非饱和土壤水分运动的数值模拟：——I,源汇项及上边界…

本文通过对野外实测资料的分析计算，用多元非线性回归的方法，拟合了作物根系吸水的数学模型，建立了有作物生长条件下不同生育阶段表土相对蒸发强度Ｅ／Ｅ０与表土含水率θ的经验公式，为进行田间非饱和土壤水分运动的数值模拟奠定了基础。     

土壤水分运动的数值模拟——以作物根系吸水项为例

本文通过有限差分法，用野外实测资料计算了作物根系吸水率，根据计算结果，用多元非线回归方法，得出了作物根系吸水的经验公式，并且，建立了带有作物根系吸水项的垂向一维土壤水分运动的数学模型。     

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程.用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快.以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型.     

邯郸地区土壤水入渗规律实验及数值模拟方法研究

在对土壤入渗理论进行总结和分析的基础上,依据邯郸市平原区的水文水情的基本特点,选定2~3处地点进行实验,完成了静态数据的收集和动态数据的观测,确定了实验区土壤质地类型、土壤容重等物理特性,结合实验测定的饱和导水率K、土壤水分特征曲线θ（ h）推算非饱和导水率K（θ）、扩散率 D（θ）等土壤水分运动参数。运用上述数据对Van Genuchten模型加以改进,并运用改进后的模型对实验中的水分变化过程进行数值模拟。结合实测成果和数值模拟成果,对邯郸市平原区已选定实验点土壤水入渗规律进行分析。     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

沟底膜孔灌水条件下土壤水入渗规律的数值模拟

以土壤水动力学原理为基础,研究了沟底膜孔灌水条件下土壤水分运动规律,建立了二维入渗模型。对模型检验表明,试验实测数据与模型计算值吻合较好,说明所建立的模型是可行的。     

泄洪洞整体三维紊流数值模拟

利用实用、高效的泄洪洞整体三维紊流数值模型,对滩坑水电站泄洪洞进行了数值模拟,该模型采用引入VOF方法的k-ε紊流模型,结合通用性强、易扩展的非结构混合网格。为克服网格扭曲给计算精度带来的影响,用一种改进精度的格心格式计算通量,使之具有非结构网格剖分的灵活性,程序的通用性和可扩展性,又有较高的计算精度。数值模拟结果和模型试验数据的对比分析表明,该模型是实用可靠的。     

地面核磁共振响应数值模拟研究

模型响应的数值计算是地面核磁共振勘探的一个重要组成部分，作者在本文中给出了地面核磁共振数值计算方法。在文中，作者借助直接数值积分方法，对回线源产生的磁场轴向和垂向分量进行计算，并采用不等间距空间坐标剖分技术，对地面核磁共振积分方程进行数值积分。利用这些计算方法，计算了在均匀导电半空间中的某一深度上，磁场的垂向分量沿轴向变化曲线，并给出了两层导电模型中存在一层含水层的地电模型的地面模磁共振响应的数值模拟结果。采用在本文中介绍的数值计算技术，可成功地进行一维含水模型地面核磁共振信号的数值计算。     

坡面流的 Lattice Boltzmann 方法数值模拟

以一维运动波方程为研究对象,给出Lattice Boltzmann方法的D1Q5速度模型在一维坡面流的数值模拟中的具体步骤,并将其计算结果与解析解进行比较,同时分析了步长和弛豫时间的选取对计算精度的影响。结果表明:Lattice Boltzmann方法可以较好地应用于坡面流数值模拟中,空间步长的选取对计算精度的影响较大,弛豫时间的取值应在[1.0,1.2]范围内为宜。     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

基于数值模拟的区域性地下水补给过程实例研究

研究主要目的是以数值模拟的方法,再现选定的研究区域20世纪70~90年代地下水位处于较低水平的过程并推求地下水的补给过程。研究区为某流域入海口前10×12km2的矩形区域,基于研究区土层纵断面的物理条件,在平面二维的基础上,考虑含水层垂向水收支成分,利用地下水计算的基本方程式开发地下水准三维数值计算模型,以数值模拟的方法验证模型效率。对地下水位数值模拟的结果表明,模型效率可以达到80%以上。基于1966~2005年的数值计算结果,推求了研究区各含水层的补给过程。研究结果可为区域性地下水数值模拟技术及地下水资源量的评估等研究提供方法上的借鉴。     

长江中下游水沙数值模拟研究

根据长江中下游水沙运动特征,采用水动力学、河流动力学和数值模拟技术相结合的技术途径,建立了一、二维混合的非恒定流非均匀沙非平衡输沙的数学模拟模型,对长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙运动及其河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网区内水沙动边界的处理、河网汊点分流分沙计算模式、动床阻力和河湖交换模式等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法.为了验证模型的适应性和有效性,采用1981年至1989年10年长江中下游水文资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙输运特征和河道冲淤的宏观效应.     

页岩气藏数值模拟模型研究进展

以页岩油气为代表的低品位油气资源勘探与开发不断取得重大突破,已经成为中国重要的接替性资源。开展页岩气渗流机理和数值模拟模型研究有助于实现页岩气藏开发的动态变化过程,为认识页岩气渗流规律、优化数学模型、产能评价和预测奠定技术基础。围绕页岩气多尺度多流态多重介质下的运移机理,系统地阐述了页岩气数值模拟模型的研究进展,页岩气数值模拟模型可分为等效连续介质模型、离散裂缝网络模型和混合模型,总结了这3类数值模拟模型的优缺点。等效连续介质模型原理简单,追求宏观尺度的等效,忽略了储层内部真实流态,适用于裂缝发育程度低的均质页岩气藏;离散裂缝网络模型准确反映复杂裂缝网络的渗流特征,可以描述高度离散裂缝的形态规律,适用于勘探程度高且裂缝高度发育的页岩气藏;混合模拟模型结合两者的优点,能够准确反映复杂裂缝网络和流体运移规律,在满足计算精度的同时又节约了大量的计算资源,随着计算处理能力的增强,混合模拟模型是今后的发展趋势。最后分析了页岩气藏数值模拟模型中存在的问题,并指出了发展方向。     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

月表撞击坑形成过程数值模拟理论与方法

数值模拟是研究撞击坑形成过程的一种主要方法,尤其是认识撞击坑形成机制的重要手段。撞击坑形成过程数值模拟的基本原理是用离散方法描述物质在高速撞击作用下的运动及状态,在模拟中首先将物质与空间划分成离散的网格,在每一次迭代计算中逐步求解各个网格的形变、运动与状态改变的规律。牛顿运动定律、物质的连续体模型与热力学方程是撞击坑形成过程数值模拟的理论基础,牛顿运动定律以偏微分方程的形式贯穿在离散化的网格空间中,物质的连续体模型将物质的屈服强度与破裂、温度、孔隙、振动等联系起来,而热力学方程则通过其他热力学参数计算网格单元内物质的压强与物质所处的状态。     

基于等效介质理论的碳酸盐岩储层地震数值模拟

综合考虑碳酸盐岩储层孔隙度、孔隙类型对储层物性参数的影响,对常规的Xu-White模型等效介质理论进行了改进,采用K-T理论增加多种不同类型的孔隙(如粒间孔隙、刚性孔隙、裂隙等),得到了一种新的改进的Xu-White模型等效介质理论,并提出了一套新的适用于碳酸盐岩储层的地震数值模拟方法。该方法首先采用改进的Xu-White模型等效介质理论,来计算碳酸盐岩储层的等效参数,将各向异性的储层转换为均匀介质;然后再采用声学波动方程进行地震数值模拟。模型试验的结果表明,该方法不仅计算效率高,而且可以得到高信噪比的模拟记录,其主要地层的反射波场特征与弹性波方程数值模拟完全一致,是一种简单高效的适用于碳酸盐岩储层的地震数值模拟方法。     

粘性土壤溶质运移新模型的应用

将Moldrup等提出的模拟水流和溶质运移的运动平均斜率模型和运动浓度斜率模型联合,模拟了重粘土在入渗和蒸发条件下的水盐动态并与特征-有限差分数值模型的计算结果进行了比较。在模拟过程中新模型显示出更加高效的优点,这对粘性土壤地区盐渍化趋势的长期预报具有重要的实际意义。     

改进的遗传算法在地下水数值模拟中的应用

地下水流数值模拟中的模型识别问题，可以转化为函数的最优化问题。鉴于遗传算法的特点，将之引入到地下水流数值法中，用以解决地下水数学模型的识别问题。在建立地下水数值模拟中模型识别问题的是优化模型后，采取将最优化模型中的目标函数嵌入到遗传算法适应度函数中的方法，实现遗传算法与地下水流数值法的耦合。基于优化模型和遗传算法的运算过程，编写计算程序，实现地下水数学模型的自动识别。根据在珲春盆地地下水资源评价实例中应用得到的结果，信纸证了改进的遗传算法在地下水数值模拟中应用的可行性与有效性。     

复杂地质构造波动方程数值模拟

利用全声波方程进行地震波场的数值模拟，虽然可以计算全声波波场值，但是也常常会出现层间多次波，给资料解释造成一定的困难。作者在本文中根据无反射声波方程，采用有限差分数值解法，实现了自激自收时间剖面的制作，避免了层间多次波的产生。本方法不但允许速度有纵向变化，而且允许速度有横向变化，这使得模拟复杂地质构造的地震响应成为可能。实际计算结果表明，该方法是一种行之有效的自激自收时间剖面的计算机数值模拟方法。