基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

北冰洋海冰重建方法研究进展

近几十年来,伴随着全球变暖和大气中CO₂的增加,北极海冰的范围和厚度都显著衰减。数值模拟预测在未来20~50年,北冰洋中心海盆在夏季将可能成为无冰区。研究北冰洋海冰历史演变的沉积记录可以更清楚地了解现代海冰减少的控制机制并对预测未来变化趋势提供依据。文章回顾了北冰洋古海冰的重建方法,主要包括指标重建和数值模拟。用于重建古海冰的传统指标有IRD（Ice-Rafted Debris,冰筏碎屑）、微体生物化石以及地球化学指标等,北冰洋IRD和微体生物化石的记录表明北冰洋的海冰出现于大约47.5 Ma,永久性海冰出现于大约14 Ma,是北冰洋古海冰研究的重要发现。但是传统指标是间接指示海冰的变化且不能量化海冰,限制了北冰洋海冰历史演变的研究。近十几年来,海冰的直接指标IP₂₅（Ice Proxy with 25 carbon atoms）的发展,是北极海冰历史演变研究从定性到定量的里程碑,通过与海冰数值模拟结合,首次验证了氧同位素6期北冰洋在陆架边缘存在冰间湖（Polynya）。近年来,最新的气候模式结果显示中全新世北极海冰变化可以影响中低纬度及北半球气候。未来研究中,北冰洋多指标沉积记录与数值模拟研究结合,可以使我们更清楚地了解海冰变化的控制机制及其对全球气候变化的驱动。

     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

渗流的PFC-CFD耦合细观数值模拟

本文针对饱和多孔介质中渗流特点,在分析渗流连续介质力学模型的基础上,采用描述多孔介质中固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,其中固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算,并利用建议的模型对二维渗流问题进行了模拟验证。数值模拟结果表明,采用PFC-CFD耦合细观力学模型能够描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动,可以用于多孔介质中的渗流问题分析。     

SPH法在大坝表孔泄流数值模拟中的应用

主要对光滑粒子流体动力学(SPH)法进行研究,建立了大坝表孔泄流的光滑粒子模型。将SPH数学模型应用于拉西瓦水电站表孔泄流中,提出了采用补水边界的方法来满足库区恒定水位条件,模拟了表孔泄流的流场变化及粒子运动过程。通过与物理模型实测的压力值比较,堰表面压力变化基本一致。对模拟结果进行分析,表明光滑粒子流体动力学可用于高速水流的计算模拟研究。     

冰湖溃决洪水的二维水动力学数值模拟

为分析冰湖溃决洪水过程,建立了一个二维非恒定流数值模型,可以定量的开展冰湖溃决洪水预测.数值模型的基本控制方程采用二维浅水水流方程,数值方法采用可以捕捉激波的WAF TVD二阶精度格式,并用非界面追踪的方法处理干湿边界.通过理想情况下一维解析解的验证和二维复杂地形情况的数值试验,证明数值模型具有较好的精度和可靠性,并且可以适应复杂地形.将数值模型应用于一个典型的冰湖溃决事件,定量地预估了该冰湖溃决洪水过程,结果表明:水流流速很高,床面剪切应力很大,可能诱发活跃的泥沙运动,形成泥石流灾害.     

地幔对流的数值模拟方法

地幔对流的数值模拟研究为理解地壳运动、地幔内部的性质和地球的动力学机制提供了手段。笔者回顾了地幔对流数值模拟的发展,总结了各种常用的描述地幔对流的数学模型,边界条件以及数值解法。分析了级数展开方法,有限差分方法,有限元方法和多重网格方法的性质和特点,针对某些方法编写了二维地幔对流的计算机软件,使用了实际的地质参数,无穷大的Ｐｒａｎｄｔｌ数,在１０４到１０７之间的Ｒａｙｌｅｉｇｈ数,并给出了数值结果和地质解释。     

三维高阶数值流形方法研究

将三维流形单元的位移函数从一阶拓展为二阶,基于最小势能原理建立了有限单元覆盖的高阶流形方法分析格式,详细推导了三维流形单元的刚度矩阵、等效节点荷载列阵以及位移约束矩阵。计算结果表明,提高物理覆盖函数的阶次可有效提高流形方法的计算精度。     

高速远程滑坡颗粒流研究进展

颗粒流是高速远程滑坡物质演化过程的一个重要阶段,也是从细观角度揭示其超常运动特性的重要手段.颗粒流所采用的主要研究方法以及取得的重要理论成果,可以为高速远程滑坡动力学机理的研究提供重要的技术手段和理论支持.本文聚焦颗粒流研究进展,从颗粒流基本概念、流态特征及流变本构模型、颗粒流粒径分选机制等方面进行了系统梳理;进而,从理论、实验及数值计算模型3个方面对高速远程滑坡研究中颗粒流理论及方法的应用进行了系统性述评;在此基础上,提出了从颗粒流角度研究高速远程滑坡动力学机理涉及的关键科学问题:高速远程滑坡高流动性的起源涉及哪些物理过程？如何量化和模拟其多分散性和破碎过程？如何量化描述颗粒尺寸分布的时空演变及其与流动的耦合？如何从其沉积特征中探究流动的传播机制？针对这些问题,从基于沉积学特征的颗粒流物理力学过程、考虑尺度效应的颗粒流动力学特性研究、基于颗粒流力学过程的滑坡运动机理及其本构模型、新技术新方法的应用4个方面提出下一步应重点开展的研究工作.      

可靠度分析中梯度求解方法的研究

在岩土工程的可靠度分析中，功能函数的形式非常复杂，甚至是隐式的。而对于常用的可靠度分析方法，如一阶可靠性方法（FORM）、二阶可靠性方法（SORM）等，一个重要的问题是求功能函数对基本随机变量的梯度。因此，对于隐式的或复杂的显式功能函数，必须采用数值微分方法来求解功能函数的梯度。对于可靠度分析中常用的有限差分法（FDM）及有理多项式法（RPT）这两种数值微分方法，本文详细研究了二者问的异同及其求导结果与步长的关系，指出了对于相同的步长控制系数及取样方式，FDM是RPT在线性情况下的特例；对于连续的线性功能函数，可直接用3点FDM求导：对于连续的非线性功能函数，可用5点RPT求导；对于非连续的功能函数，应采用RPT求导。建议取步长控制系数等于1。     

南海中尺度涡研究进展

近20年以来,南海环流及中尺度涡的研究得到了国内外海洋学家相当的重视,取得了许多研究成果。随着高度计资料的广泛应用以及涡分辨率数值模式的发展,南海中尺度涡的研究越趋活跃。简要介绍南海大尺度环流的主要工作,并着重分析南海多涡结构观测以及形成机理研究方面的主要进展。     

近十年化探新方法新技术研究进展

本文简要介绍1987年以来地矿部物化探研究所在矿产勘查地球化学领域为寻找隐伏矿和提高其找矿效果而研究、开发的一些新方法、新技术。这里包括1:20万区域化探异常筛选与查证的方法技术,地气测量方法、金属活动态测量方法、价态金提取与测量方法、电提取方法及植物地球化学测量方法的新探索等。     

Identification of failure slip surfaces for landslide risk assessment using smoothed particle hydrodynamics

ABSTRACT

Location of failure slip surfaces plays a critical role in landslide risk assessment and mitigation, particularly for unstable slopes, because it is a key input to design of stabilisation measures for unstable slopes and it determines the volume of the sliding soil mass (i.e. landslide consequence). The failure slip surfaces in the numerical analysis (e.g. finite element/different method, FEM/FDM) are often identified using shear strength reduction (SSR) method. A careful examination of FEM results showed that, although the SSR method performs well for stable slopes, it might provide misleading results for unstable slopes. To properly locate failure slip surfaces for unstable slopes, this paper presents a particle-based numerical method called smoothed particle hydrodynamics (SPH), which is mesh-free, immune to the mesh distortion problem in FEM/FDM, and able to directly simulate large deformation of soils that occurs during landslides. A series of slope stability analyses is performed using an in-house SPH programme. Failure slip surfaces are properly identified by SPH for both stable and unstable slopes. Furthermore, because SPH provides a spatial distribution of the post-landslide large displacement of soils, the failure slip surfaces can be identified conveniently using soil displacement. A displacement-based criterion is proposed to locate the failure slip surfaces.     

南海潜在地质灾害因素研究

南海是我国海洋开发的重点海区之一, 调查潜在地质灾害因素, 科学地评价海洋工程地质条件至关重要。本文根据20多年的调查资料, 研究了南海可能产生的地质灾害类型、规模、分布特征、形成机制和诱发因素, 分析了南海地质灾害因素主要特征, 提出今后研究方向, 为科学开发海洋资源提供依据。     

用于岩土工程位移预测的软科学方法研究

位移预测对岩土工程稳定性具有重要的实用意义,近来软科学方法得到了广泛重视及应用。对常用软科学方法——灰色系统、时序分析及神经网络进行了系统分析研究,指出了它们的优缺点及适用范围,并提出了一种新型软科学预测方法——进化神经网络法。最后,通过工程实例验证了理论分析的结果。     

北京山区泥石流灾害预警方法研究

北京山区泥石流灾害较为频繁,总体以暴雨型沟谷泥石流为主,受地形、地貌、地质、降雨以及松散物类型等因素的影响比较明显。在调查分析北京山区泥石流灾害发育特征的基础上,从泥石流的形成和启动条件入手,对泥石流灾害的预警方法进行研究与探讨。     

厦门岛西水东调对海岛地下水质的影响分析

海岛是一种独特的生态系统, 由于其特殊的水文地质条件, 水资源相对比较贫乏, 一般都依靠地下水维持岛上生产生活用水, 如果地下水质受到影响, 则会带来较大的风险。岛内地表淡水湖泊水体污染严重。为了解决岛内地表淡水湖泊水体污染问题, 决定调用海水对其进行稀释, 而这一方案则有可能造成引水工程沿线海水侵入地下水问题。本文采用有限元方法分析从厦门西侧的筼筜湖经松柏湖调水到钟宅湾对周围地下水质和湖库水体的影响, 以及在丰水年和枯水年湖库水体和海水水体之间的补给关系。分析表明: 工程在一年左右对周围地下水的影响将趋于稳定, 工程沿线150～800m 范围内地下水的盐度产生了明显变化。在枯水年, 由于地下水位下降, 海水有可能会补给湖库, 引起湖泊盐度升高, 对工程沿线特别是饮用水备用水源湖边水库造成潜在的威胁。     

寻找和识别隐伏大型特大型矿床的勘查地球化学理论方法与应用

为了在广大覆盖区寻找隐伏大型特大型矿床的需要,我们探索研制了能在短期内以较少的费用迅速覆盖广大覆盖区的能觉察地下深部发出的极微弱直接找矿信息的战略性勘查地球化学新方法—金属活动态测量和地球气微量金属测量。这两种方法在各种景观覆盖区被广泛地加以试验与应用。其结果表明:(1)隐伏大型特大型矿床四周巨大的地球化学模式可以被各种营力搬运至地表,地气对超微量金属的搬运是厚覆盖区隐伏矿床在地表形成叠加含量地球化学异常的主要原因。(2)在覆盖厚度从几米至三、四百米都可以发现清晰的异常显示,因此为厚覆盖区找矿提供了强有利的工具;(3)地气与元素活动态不仅存在局部异常,而且在大型特大型矿床四周存在区域异常和地球化学省,用很稀的采样网就可以捕捉到这种大规模异常,因此这两种方法可以应用于大面积覆盖区的战略评价中;(4)地气和元素活动态所反应的指标和适用性在不同的景观、不同的矿床类型上是不同的,应根据不同的条件选择应用最佳的方法指标。地气与元素活动态配合使用所获得的深部矿化信息更稳定更可靠。(5)利用元素活动态可以近似定量估计或预测可被成矿利用的金属供应量,据此推测某一地区潜在的资源储量。     

淄博市腈纶工程水源地地下水资源开采预测的数值模拟

利用Ｒｉｔｚ有限元数值分析方法＾［１］,结合单纯形线性规划,在完成在对山东省淄博市临淄区王旺庄－朱台地段的淄博市腈纶工程水源地的水文地质模型建造的基础上,成功地对水源地进行地下水开采模拟,同时对该水源地的未来１０年开采作了两种大气降水条件下的地下水动态预测,为腈纶工程水源地地下水开采提供了充分的设计依据。     

用87Sr/86Sr研究海平面变化与全球对比问题

综述了近年来国际上在Sr同位素研究应用方面的新成果,着重讨论了如何应用海相沉积岩(物)87Sr/86Sr比值来研究海平面变化和全球对比问题。综合分析表明,海水Sr同位素组成受Sr的来源控制,海水87Sr/86Sr比值随时间变化与海平面变化有内在的联系,高频旋回(时限约2.0Ma)的87Sr/86Sr变化与三级海平面变化相对应。研究认为牙形石是分析Sr同位素组成最理想的样品,用之建立的87Sr/86Sr变化曲线最具全球对比意义。与国外相比,我国在这方面研究成果较少,但从地质条件分析,我国独有的一些地质记录,在古海平面变化和全球对比研究中占据着不可缺少或不可代替的地位,其中扬子地块西南缘二叠—三叠纪界限附近的87Sr/86Sr变化曲线,可以弥补国外一些学者建立的自显生宙以来全球海水87Sr/86Sr变化曲线在该时段存在的“断层”现象。