基于SDOG-ESSG的地球系统元胞自动机框架及其应用试验

元胞自动机结构简单且具备模拟复杂系统的能力,已被广泛应用于大气、流体力学、地球物理等领域。然而,现有元胞自动机以欧氏空间为约束进行地球系统过程模拟,忽略了地球重力等天然约束,导致计算过程中元胞状态的传递方向与真实运动的趋势方向不相符,一定程度上扭曲了最终的模拟结果。本文提出了地球系统元胞自动机这一概念,并从元胞表达及构建、邻居模型等方面设计了基于SDOG-ESSG格网的地球系统元胞自动机框架。由于演化规则取决于不同的应用,因此本文进一步以地壳的热传递为例,通过对热力学方程离散化设计了相应的演化规则。最后,借助公开的数据源开展了地壳热传递元胞自动机模拟的初步试验,并与一定区域下的数值模拟结果展开了比对。试验表明,与数值模拟方法相比,本文方法的模拟结果相对误差控制在27%以内,具备一定程度的可行性,可作为地球系统过程模拟的一种新思路。     

城区内涝淹没模拟算法

针对城区内涝淹没范围和水深模拟问题,该文提出了一种基于约束Delaunay不规则三角网与三棱柱的城区内涝淹没模拟算法。该算法以沿地面三角形的顶点垂直向上引垂线形成的三棱柱为计算单元,通过"等体积"的方法,建立时间序列切片下的淹没水深和积水量的关系,据此实现淹没范围和水深模拟。以北京师范大学(简称"北师大")主校区为例,对单汇水区的水面高程上升模拟结果与实际观测值进行对比,基本吻合;并与传统栅格DEM的淹没效果进行了对比,表明该算法正确有效。     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究

揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。     

均生函数与BP神经网络耦合模拟预测模型(MGF-BP-I)的建立与应用

水文气候因子模拟预测对气候变化研究、农业墒情预报、生态环境改善、水资源合理开发利用等具有一定参考意义。均生函数、BP神经网络及其结合改进方式在模拟预测中各有优点,被广泛应用,但仍有进一步改进空间。针对MGF、MGF-OSR、MGF-OSR-BP等方法粗选因子集、粗选集组合筛选、收敛适应性、精度控制等可改进空间,进一步发挥均生函数和BP神经网络优势,建立了MGF-BP-I模拟预测模型。利用MGF-OSR、MGF-OSR-BP、MGF-BP-I对科尔沁沙地区域平均年降水进行了模拟预测。结果表明,建模期MGF-OSR-BP、MGF-BP-I拟合效果均较好,MGF-BP-I建模阶段最优模式精度优于MGF-OSR-BP,MGF-BP-I整体同时最优模式结果也非常好。检验期,MGF-BP-I检验阶段最优及整体同时最优两种模式拟合效果最好,相比其他模式精度有所提高。MGF-BP-I考虑更加全面,充分发挥了均生函数和BP神经网络优势,精度远高于MGF-OSR和MGF-OSR-BP,MGF-BP-I整体同时最优模式更符合实际应用,效果理想,可用于水文气候因子模拟预测。     

尕斯库勒盐湖中CO_2-卤水-盐岩相互作用模拟研究

利用PHREEQC软件模拟CO2侵入后,尕斯库勒盐湖中CO2-卤水-岩盐之间的相互作用。CO2侵入卤水层后,卤水中元素的化学形态种类和大小发生变化,特别是碳酸盐型的络合物形态增多。CO2侵入后,除了碳酸盐、石盐和硫酸盐矿物达到饱和被析出外,其余矿物的不饱和程度加剧,卤水的TDS增大,pH值减小。卤水中U的含量在CO2侵入后发生沉淀而减小。研究成果对深入评估区域内盐水层CO2地质封存的环境风险和利用CO2分离提取盐湖卤水中的铀元素提供理论依据。     

琼州海峡潮流能资源的数值模拟评估

近年来,我国能源消耗量不断的增长使我们更加重视可再生能源的开发利用,而我国近海拥有复杂的海岸线和广阔的大陆架,其中许多海域蕴藏着丰富的潮流能资源。潮流能资源评估则是其电站站址选择、发电量预测等工程设计的首要工作。结合两个站位的潮流实测数据,本文利用FVCOM海洋环流数值模式较好的模拟了琼州海峡潮波传播状况,分析了该海域潮流能资源水平分布规律和时间变化特征,初步估算了该水道的潮流能的理论蕴藏量,并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明,琼州海峡中心海域功率密度高,两岸资源低;可能最大流速、大潮年平均最大功率密度、小潮年平均功率密度和年平均功率密度等特征值分布基本相似;其丰富区域出现在海峡东口南部海域以及海峡中部海域,其中东口南部海域可能最大流速可达4.6 m/s,表层流大潮年平均最大功率密度为5996 W/m²,小潮平均最大功率密度仅为467 W/m²,年平均功率密度为819 W/m²,代表点超过0.7 m/s的潮流流速年统计时间约为4717 h;海峡潮流能资源理论蕴藏量为189.55MW,利用FLUX、FARM、GC方法得到该水道的潮流能可开发量分别为249GW/yr、20.2GW/yr和263GW/yr。     

春季黄海海雾中的激光衰减特性研究

海雾严重影响舰艇航行,而且在雾中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此,研究激光在雾中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式,对2015年3月28日-4月1日的海雾过程进行模拟分析,发现使得海雾维持的是黄海南部输送来的暖湿气流,随后一个很强的冷高压使得风向转北,干冷平流切断了水汽输送,破坏了逆温层结构,海雾消散。考虑到春季黄海海雾产生和消散的天气形势,在海雾刚产生时,下风区的激光衰减系数小;海雾维持过程中,海雾雾区的外围衰减系数小;海雾快要消散时上风区衰减系数小。研究发现,海雾可以使得10.6μm红外激光的探测距离大大减小,在浓雾情况下,探测距离仅为正常情况下的2%。     

锥形振荡浮子入水冲击问题的数值模拟研究

锥形振荡浮子在波浪能转换装置中应用非常广泛,在其服役期间,由于较小的设计吃水深度或为防避极端海况的需要,它们经常会离开水面;当其再次入水的时候,浮子底部就会受到入水冲击。入水冲击总是伴随着巨大的冲击压强以及冲击载荷,会导致浮子的结构性及疲劳性破坏,从而影响浮子的工作寿命。基于Fluent软件对锥形浮子的入水冲击过程进行了模拟仿真,研究了具有不同斜升角的锥体在入水冲击过程中所受的冲击压强、冲击载荷、冲击速度的时空变化规律,以及各冲击参数之间的关系。结果发现:(1)锥形浮子在入水瞬间的毫秒量级时间内受到极大的冲击压强和冲击载荷;(2)最大压强出现在锥顶点处,且锥顶点压强和锥表面压强之间的差距随着入水深度的增加而逐渐减小;(3)锥顶点压强峰值早于冲击载荷峰值而出现,并且两者之间的时间间隔随着锥体斜升角的增加而增大;(4)其他条件不变时,斜升角越小的锥体其所受的入水冲击越大。     

半潜平台浮子式系泊系统参数优化研究

通过在系泊缆中设置浮子可以改善系泊系统性能,降低平台运动响应。建立浮子式系泊系统的数值计算模型,验证浮子式系泊系统数值计算方法,详细分析浮子设计参数(设置位置和净浮力大小)变化对系泊缆张力特性与平台运动的影响规律,并根据得到的规律选择了优化的浮子系泊系统方案。最后对优化方案进行评估,表明优化方案可以显著降低系泊中的平台水平运动,尤其是低频运动,同时系泊缆张力变化不大,仍满足安全要求。研究结果可为今后浮子式系泊系统设计提供参考。