温度作用下煤层瓦斯解吸渗流规律数值模拟

如何提高煤层气渗透率是目前煤层气开采研究中的重要课题。基于煤层瓦斯渗流规律数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件,对流-固-热耦合条件下的非等温煤层气解吸、渗流变化规律进行了数值模拟。结果表明,在注热条件下,煤层气渗流压力随着温度的增加而下降,且下降速度加剧,压力差越大,气体从高压区域流向低压区域的渗流速度越快。气体在煤层中径向流向井口,井口附近压力的梯度增大,气体渗流速度较快;在未受到加热影响的区域,煤层气不受外加热量影响,煤层气解吸速率保持不变;注热后煤层温度升高,可以加快煤层气渗流速度、提高渗透率、增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论依据。     

膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究

对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。     

公路隧道集中排烟系统流速分布规律数值模拟研究

采用火灾动态模拟软件FDS,对独立排烟道集中排烟模式在火灾条件下的排烟情况进行模拟计算,分别研究了集中排烟中双向排烟方式和单向排烟方式下不同排烟阀设置方案工况的排烟道流速和排烟阀流速分布规律。结果表明,双向排烟方式下,排烟阀流速与排烟道流速呈对称分布;单向排烟方式下,排烟阀流速与排烟道流速呈非对称分布;当排烟道横截面面积一定时,改变排烟阀设置方案对排烟道端部流速的影响不大;随着排烟阀开口面积的增加,离风机较近的排烟阀流速逐渐降低,而该排烟阀的排烟量却逐渐增大;排烟道和排烟阀流速的大小与排烟量、排烟阀设置方案、排烟道横截面面积等参数有关。本文研究可为集中排烟系统流速的合理设计提供依据。     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

注聚合物井井下温度分布数值模拟研究

本文提出了一种计算注聚合物井井下温度分布的方法,该方法视井筒内的聚合物溶液为非牛顿幂律流体,考虑注入流体在井筒中同一截面上的速度变化,根据聚合物溶液在多孔介质中的流变性,依据广义达西定律求取渗流速度,基于能量守恒方程建立柱坐标系下注聚合物井井筒内流体、注入层及围岩的二维温度场模型.通过合理的边界条件,将三部分模型耦合起来,采用交替方向半隐式有限差分法求解建立的井下温度场模型.考查了注入量、注入时间、幂律指数和稠度系数、注入液温度等因素对井下温度场分布的影响,结果表明,当注入的聚合物溶液温度低于注入层的原始温度时,随注入量和注入时间的增大以及粘度的减小,注入层的温度降低;注入聚合物溶液温度与注入层原始温度差越大,注入层处的温度剖面异常越明显.本文数值计算结果可用于指导注聚合物井的井温测井应用.     

下击暴流风的数值仿真研究

作为自然界的一种强风荷载,雷暴天气产生的下击暴流风在世界范围内造成了大量工程结构物的破坏。研究证实,下击暴流风具有同常规的大气边界层近地风完全不同的风场特征。利用通用商业CFD(Computational fluid dynamics)软件FLUENT完成了几何缩尺比为1:2000的下击暴流过程的数值仿真。非定常的数值模拟将有助于更好地理解下击暴流风的动力特征。数值结果表明,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程进行的非定常数值模拟结果同根据实测数据提出的三种经验风剖面吻合良好,在目前实测资料稀少的情况下,有助于更好地研究下击暴流风的基本特征。     

活断层上覆盖层中土壤氡浓度分布的数值模拟

本文利用实测地质剖面建立了活断层上覆盖层中氡迁移的地质-物理模型,根据氡的迁移机理建立了活断层上氡迁移的数学模型,采用有限差分方法求解氡迁移的二维微分方程的数值解,得到了直立活断层,倾斜活断层,地堑活断层,活动断裂带或破碎带上覆盖层中氡浓度的二维断面等值图和横切断层的剖面曲线,分析了氡浓度分布的二维断面特征和剖面曲线特征,它们与氡的迁移机制及活断层调查的实测剖面曲线相符,这些为活断层的调查和进一步反演奠定了理论基础.     

断层气氡在不同类型覆盖层中 迁移规律的数值模拟

断层气氡浓度是探测断层位置与断层活动性的一种有效手段. 该文基于Abdoh和Pilkington提出的氡迁移二维偏微分方程与相应的边界条件, 建立内部含裂隙、 裂隙系-断层带和非均质等3种覆盖层物理模型, 在Matlab平台上运用偏微分工具箱(pdetool)与非线性求解函数(pdenonlin), 对模型求解以及模拟覆盖层中氡迁移. 通过对3种模型的模拟结果分析, 分别解释了地表氡异常点与断层带位置不同步现象, 覆盖层厚度对氡浓度曲线形状的影响, 以及土壤结构性质对氡异常强度和异常形态的影响.     

地震作用下碎石桩场地侧向位移规律研究

基于OpenSees有限元软件建立液化场地-碎石桩动力相互作用模型和液化自由场地模型,将两类模型的场地孔隙水压力和侧向位移反应进行对比分析,揭示碎石桩加固液化场地机理及规律,并分析场地倾角和碎石桩渗透系数对碎石桩抵抗液化自由场地侧向位移的影响规律。研究结果表明,渗透性较高的碎石桩可加快孔隙水压力的消散,减弱场地液化程度,进而减小场地侧向位移;当场地倾角较大时,随着场地倾角的持续增大,碎石桩抵抗液化自由场地侧向位移的效果逐渐减弱;碎石桩渗透系数较小时,提高碎石桩渗透系数可显著减小液化场地侧向位移,当渗透系数增至一定程度时,碎石桩渗透系数对液化场地侧向位移的影响较小。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明：当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了“狗耳”形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

Wind flow and wind loads on the surface of a towershaped building: Numerical simulations and wind tunnel experiment

Flow structure and wind pressure distribution caused by obtuse obstacles are usually the focuses in Computational Wind Engineer researches (CWE). By solving the non-hydrostatical dynamic equations, PUMA model (Peking University Model of Atmospheric Environment) was developed and applied to simulating the flow structure and wind pressure distribution around a tower-shaped building. Evaluation about the wind environment and wind loads around the building was obtained through the analysis of the numerical simulation results and wind tunnel data. Comparisons between the simulation and wind tunnel study indicate that numerical simulation results agree well in the flow field and wind pressure distribution around the tower-shaped building. On the other hand, the horizontal grid interval of 2 m and the vertical grid of 3 m were still too crude to simulate the flow structure and wind pressure distribution on the building surface more exactly in detail; and the absence of suitable pressure perturbation parameterization scheme between the solid and the adjacent space also limits the accuracy of the numerical simulation. The numerical simulation model can be used to evaluate the wind environment and wind load around high buildings.     

地震和风耦合作用下上海中心大厦结构易损性研究

随着城市人口的增加,越来越多的超高层建筑在中国各大城市涌现,在其全寿命周期内不可避免的会遭受风甚至地震等多灾害的作用。以上海中心大厦为分析模型,根据其场地条件,采用Benowitez在2015年提出的1种基于随机波的模型方法模拟不同高度处具有空间相关性的脉动风荷载时程。通过对Perform 3D有限元软件建立的上海中心大厦模型进行非线性动力时程分析,研究地震和风耦合作用下对于结构性能的影响,并基于多灾害需求生成结构在地震和风耦合作用下的易损性曲面来研究结构的抗振可靠度。结果表明:结构的响应和易损性随着风速和PGA的增大而显著增大;随着风速的增大结构的响应和易损性均有增大的趋势,但随着地震动的增大,风荷载对结构响应和易损性影响逐步减小。