基于PSO-PP的围岩稳定性评价

围岩的稳定性评价是一个复杂的不确定系统问题。结合投影寻踪方法、粒子群算法和逻辑斯谛曲线函数,建立了围岩稳定性评价的粒子群优化投影寻踪(projection pursuit based on particle swarm optimization,PSO-PP)模型。该模型一方面采用粒子群算法优化投影指标函数及逻辑斯谛曲线函数参数,确保了模型的准确性;另一方面利用逻辑斯谛曲线函数建立投影值与经验等级之间的非线性关系。模型的测试结果显示了良好的精度,实例分析结果与实际状态完全一致,表明该模型在围岩稳定性评价中的可行性和有效性。     

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

Transport in a 2-D saturated porous medium: A new method for particle tracking

A new method for solving the transport equation based on the management of a large numbe of particles in a discretized 2-D domain is presented. The method uses numerical variables to represent the number of particles in a given mesh and is more complex than the 1-D problem. The first part of the paper focuses on the specific management of particles in a 2-D problem. The method also would be valid for three dimensions as long as the medium can be modeled similar to a layered system. As the particles are no longer tracked individually, the algorithm is fast and does not depend on the number of particles present. The numerical tests show that the method is nearly numerical dispersion free and permits accurate calculations even for simulations of low-concentration transport. Because each mesh is considered as a closed system between two successive time steps, it is easy to add adsorption phenomenon without any problem of numerical stability. The model is tested under conditions that are extremely demanding for its operating mode and gives a good fit to analytical solutions. The conditions in which it can be used to best advantage are discussed.     

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM 海洋模式, 根据2008 年6 月1 日海监飞机监测绿潮所在位置, 采用拉格朗日粒子追踪法反向积分, 追溯绿潮来源。数值模拟结果显示, 回溯至5 月中旬, 绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟, 为政府相关部门了解绿潮的源头, 并采取相应的措施提供依据, 进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。     

2009-2013年普里兹湾表层水体中生物硅含量的年际变化及其与全球气候事件的关系

利用中国南极科学考察期间获得的颗粒物样品,对南大洋普里兹湾海域水体中生物硅的含量分布及年际变化情况进行了分析。研究结果显示:在2013年夏季普里兹湾表层水体中生物硅含量在0.38—8.62μmol/dm3之间变化,平均为1.55±1.86μmol/dm3。生物硅在67°S以南湾内区域表层水体中的含量明显高于67°S以北的湾外区域,最大值出现在普里兹湾陆架区,生物因子是表层水体生物硅含量分布的主控因子。根据不同年份即25、26、27、28、29次南极科学考察期间获取的数据研究显示,普里兹湾表层水体中生物硅含量存在明显的年际差异。历史数据分析结果表明,气候事件对普里兹湾海冰变化有明显的影响,因而对相应年份该海域浮游植物数量和种群结构也会产生一定的影响,从而导致表层水体中生物硅含量的年际差异。     

ATON型Hall推力器缓冲区预电离问题研究

ATON是20世纪90年代新提出的一种Hall推力器设计方案,其中的缓冲区是ATON新采用的一种结构.本文对缓冲区的作用进行分析,在此基础上提出了采用附加电源提高缓冲区预电离率的方法.并采用PIC(Particle-in-cell)粒子模拟方法对这种设计方式的等离子体分布进行数值模拟.结果表明,通过增加缓冲区内的附加电压,能够有效地提高缓冲区预电离率.     

莱州湾表层沉积物粒度和黏土矿物分布特征与运移趋势分析

运用粒度参数分析、黏土矿物含量分析、Flemming三角图示法和Gao-Collins二维的"粒度趋势分析"等方法,对采自莱州湾海域的表层沉积物样品和黏土矿物样品进行分析,了解了该研究区域的沉积环境及沉积物的运移趋势。研究区由岸向海沉积物类型大致依次为砂-粉砂质砂-砂质粉砂-粉砂-黏土质粉砂,并且研究区表层沉积物在近岸区域呈现较为明显的平行岸线的条带状特征;同时沉积物的平均粒径、分选系数、偏态、峰态等粒度参数也呈现出良好的正相关性或负相关性;研究区黏土矿物为伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石,除伊利石分布大致为黄河三角洲近岸低,向研究区东北方向逐渐升高外,其余的黏土矿物都表现出了近岸高,远海低的分布特征,且主要物源为黄河物质输入。Flemming三角图研究区所有采样点大部分分布在Ⅱ区,少部分分布在Ⅲ区,说明研究区整体水动力较强;采样点在A—E区均有分布,但在C、D两区分布最多,说明研究区沉积物粒径较集中。研究区表层沉积物整体呈由岸向海输运的趋势,具体来看,黄河沉积物入海后向北、向东、向南运移,研究区内沉积物的来源是黄河输沙以及周围入海的小河流的输沙和沿岸冲刷的物质。     

2016年夏季南海海盆水体颗粒物粒径分布特征*

颗粒物粒径分布(Particle Size Distribution, PSD)代表了颗粒物浓度与颗粒物粒径之间的关系, 影响着海洋生态环境和水体光学特性等。文章基于2016年夏季航次调查的生物光学剖面数据, 研究了南海海盆海域PSD的分布特征。研究发现, 幂律函数可以较好地拟合南海海盆区域的PSD, 对数空间中的实测的PSD与模拟的PSD平均决定系数高达0.95。PSD斜率(ξ)的分布范围为[1.27, 7.65], 均值为3.93±0.56。南海海盆区域表层水体的ξ均值与全球大洋表层水体的ξ均值相近, 但高于海湾等表层水体的ξ均值。ξ能较好地表征颗粒物平均粒径D_A的大小, 两者存在明显负相关关系, 即ξ值越高, D_A越小; 反之, D_A越大。通过分析T1断面的生物光学剖面数据及总体平均的PSD剖面数据, 发现PSD剖面分布特征如下: 1)表层水体的ξ值相对较高, 且D_A值相对较低, 推测可能是由于微微型藻类为主导颗粒物所致; 2) ξ值极小值层出现在次表层叶绿素浓度极大值层(Subsurface Chlorophyll Maximum Layer, SCML)中, 并伴随D_A极大值层的出现, 其原因可能是SCML中的大粒径浮游植物占比显著增加; 3)弱光层中的ξ值较SCML中的高, 但略低于表层的ξ值, 而D_A则位于表层与SCML的D_A之间, 这可能与浮游植物及其碎屑的絮凝、分解、沉降等过程相关。PSD特征影响着海水的固有光学特性, 分析发现: 由于SCML中的叶绿素浓度增加, 颗粒物散射系数(b_p(532))和颗粒物后向散射系数(b_bp(532))也相应呈现显著增加的趋势。弱光层中的平均b_p(532)与平均b_bp(532)最小。ξ与颗粒物衰减光谱斜率之间呈高分散性, Boss 等(2001b)的模型适合用于粗略估算区域性的ξ分布范围及均值。     

基于拉格朗日拟序结构的吕宋海峡表层水交换研究

黑潮通过吕宋海峡入侵南海呈现明显的瞬态特征。以往的研究通常将黑潮在吕宋海峡附近的流态分为几种不同类型。本文基于表层地转流计算得到的有限时间李雅普诺夫指数场（FTLE）,展示了拉格朗日视角下的吕宋海峡上层水交换特征。从FTLE场提取的拉格朗日拟序结构（LCSs）很好地识别了吕宋海峡附近的典型流态和旋涡活动。此外,这些LCSs还揭示了吕宋海峡周围复杂的输运路径和流体域,这些特征得到了卫星跟踪浮标轨迹的验证,且从流速场中是无法直接识别的。FTLE场显示,吕宋海峡附近表层水体的输运形态主要可分为四类。其中,黑潮直接向北流动的“跨越”形态和顺时针旋转的“流套”形态的发生频次明显高于直接进入南海的黑潮分支“渗入”形态和南海水流出至太平洋的“外流”形态。本文还进一步分析了黑潮在吕宋海峡处的涡旋脱落事件,突出强调了LCSs在评估涡旋输运方面的重要性。反气旋涡旋的脱落个例表明,这些涡旋主要源自黑潮“流套”,涡旋脱落之前可有效地俘获黑潮水。LCS所指示的输运通道信息有助于预测最终被反气旋涡所挟卷水体在上游的位置。而在气旋涡的形成过程中,LCS的分布特征表明,大部分气旋涡并未与黑潮水的输运路径相连通。因此,气旋涡对从太平洋到南海的上层水交换的贡献较小。     

Gradation affects basic mechanical characteristics of Chinese calcareous sand as airport subgrade of reefs

Abstract

Construction of the reefs in the South China Sea is a significant foundation to the secure stability and economic development of China. The construction of an airport runway is necessary for this realization. The calcareous sand is the main primary material in the runway construction. A certain type of calcareous sand near a certain reef of the South China Sea was studied in this paper. To investigate this specific calcareous sand, quartz sand was used as a reference for comparison. Microscopic 3-D imaging, compression and triaxial tests were conducted to test the micro, squeezing and shear properties. The effect mechanism of gradation on the calcareous sand’s compressibility and shear characteristics are discussed from a mesoscopic viewpoint using 3-D morphology. Calcareous sand particles are multiangular and flatter in comparison with quartz sand. The larger the particle sizes are, the more different the two sands’ morphologies are. The compressibility of calcareous sand is greater, and the effect of the coarse fraction (5–1?mm) content in the gradation plays the most significant role in this feature. When the coarse particles’ content is less than 25% and the mass ratio of the middle and fine particles (M) is constant, there is the worst coarse fraction content causing the calcareous sand to be most likely compressed. The worst coarse fraction content decreases with the increase in M, and an empirical formula is proposed. When the gradation, relative density and confining pressure are the same, the peak shear stress and strain of calcareous sand are all at a high level. The effect of confining pressure is manifested in calcareous sand. The shear strength and dilation of calcareous sand are also most affected by the medium coarse fraction (5–0.25?mm) content.