中国科学E辑第31卷2001年总目次

题 目 作 者 期 页非均匀尺寸气泡形成的层流泡状流…………………………………………罗 锐 宋 蔷 杨献勇 王 洲11An/PZY/Bf/p-Si结构铁电存储ZW管存储特性……·’………………””””””””’””””””””””””””‘””””““””””””””“”””””””””’”””…………………………………… 于 军 王 华 董晓敏 周文利 王耘波 郑远开 赵建洪 谢基凡18准分子激光投影直刻微加工制作徽机械……………………………………李呈德 万 盈 陈 涛 左铁创113机载与星载雷达的电波传括大…     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

常重力和低重力条件下气液两相流实验研究

实验研究了常重力和低重力条件下水平方管内水气两相流型特征及其相互转换条件, 实验中均观察到了泡状流、弹状流、弹-环状过度流及环状流等流型. 发展了半理论Weber数模型以计入截面形状对弹状流-环状流转换的影响, 较好预测了实验观测结果. 此外, 滑移流率模型可成功预测大Froude数水平两相泡状流-弹状流间的转换边界.     

光滑明渠内正弦型非恒定流传播特性试验研究

建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,并进行了多组正弦型明渠非恒定流试验以详细研究明渠非恒定流的传播特性.通过试验数据分析获得了明渠非恒定流的传播速度、波的变形率、波峰和波谷的外包线等参数的变化规律.结果表明：（i）明渠非恒定流的传播速度可以用波峰时的微波波速及流速之和来表示;（ii）非恒定流传播过程中会发生时间尺度上波的变形,上升段变短而下降段变长,但总的时间仍然保持不变,变形率是传播距离、周期和流量波幅的函数;（iii）波峰、波谷的水深同周期关系密切,当周期减小时,波峰、波谷水深均逐渐靠近平均流量对应的均匀流水深,当周期变大时,波峰水深靠近最大流量对应的均匀流水深,波谷则靠近最小流量对应的均匀流水深;（iv）非恒定流传播过程中,流量随不同周期的变化规律同水深变化规律基本类似.     

非恒定流作用下的推移质泥沙输移实验研究

非恒定流条件下的推移质运动研究无论是在泥沙运动理论还是在实际工程应用中,都具有重要的意义.基于波流水槽实验,对不同速度偏度的非恒定流作用下的推移质运动开展研究.主要通过泥沙粒径、速度偏度等因素对输沙率影响分析,探讨了非恒定流作用下的均匀沙与非均匀沙的运动情况,阐述了恒定流与非恒定流对输沙率影响的差异性,建立非均匀沙输移粗细质量比公式.在此基础上开展理论推导,从受力机理上对实验过程进行了分析.实验结果和理论分析表明,相对于恒定流,非恒定流作用下的泥沙颗粒更易起动和输移.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

管内核心流强化传热的机理与数值分析

提出了管内核心流强化传热的方法，其原理是通过在充分发展的管内层流核心流区域采取强化传热措施，从而在管内壁附近形成一个等效的热边界层，以加大壁面附近流体的温度梯度，达到强化表面换热的目的，但又不显著地增加流动阻力．对空气和水2种流体的分析比较和计算结果说明：管内核心流传热强化的原理和方法对指导高效一低阻热交换器的设计具有一定的意义．     

分叉网络的启动压力梯度研究

要高效地开发低渗透油藏,就需要充分认识低渗透油层自身所具有的特殊规律和性质,并准确地描述低渗透油藏的渗流力学规律.本文以低渗透油藏中可能存在的裂缝网络为研究背景,采用理想的分叉网络模型,研究非牛顿流体中的Binghan流体流过裂缝分叉网络时的启动压力梯度.研究表明低渗透分叉网络油藏中Binghan流体流动的启动压力梯度是流体的屈服应力和分叉网络微观结构参数的函数.本文建立的模型没有经验常数,每个参数都有明确的物理意义.本文的模型有助于进一步深入探讨裂缝网络型多孔介质的渗流机理.     

基于Favré平均的高超声速可压缩转捩预测模型

本文在Favré平均的框架下推导了可压缩层流脉动动能输运方程,并根据一定的假设和尺度分析封闭了该方程.通过将Favré平均层流脉动动能方程与Favré平均Navier-Stokes方程联合求解,构造了适用于高马赫数的层流-湍流转捩位置预测模型.应用所发展的可压缩模型及不考虑其显式可压缩项的模型对来流Mach数为5.91的裙锥绕流进行了数值模拟,给出了不同壁面条件下边界层的转捩位置,并与现有的基于参考温度进行可压缩修正的转捩模型计算结果以及实验结果进行了对比,表明所发展的模型在高超声速流动转捩预测上具有更高的精度.     

等热流圆管内潜热型功能热流体层流换热的内热源模型及应用

从对流与导热的相似性出发, 揭示了潜热型功能热流体强化换热的物理机制. 针对平均比热容模型的局限, 发展了内热源模型, 优化了其数值计算方法, 对影响速度充分发展的等壁温圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析, 弄清了影响换热强化的主要因素及其强化换热的机理, 提出了表征功能热流体换热强化程度的修正Nu数.     

纳米流体的格子Boltzmann模拟

纳米流体是由流体与纳米粒子组成的胶体悬浮物, 与普通固液两相流相比, 其传热性能明显增强. 悬浮在流体中的纳米粒子会受到运动阻力、Brown力、粒子间扩散力、重力等内力或外力的影响, 因而其运动规律极其复杂. 根据纳米流体中粒子和液体介质的受力关系, 建立了纳米流体的格子Boltzmann流动与传热模型, 并用于分析纳米粒子的动态分布.     

多尺度非均质多孔介质模拟及参数灵敏度分析

针对多孔介质非均质固有的多尺度性和单一观测资料的局限性, 提出了将确定性和随机性方法相结合以模拟非均质体, 并以海岸平原沉积环境为例, 来说明并检验. 首先, 依据转移概率矩阵, 判断和划分非平稳不整合面, 并综合水文地层学分析, 建立了区域(大)尺度确定性层序模型. 其次, 利用岩心记录剖面和CPT资料, 确定了水文沉积相的水平平均长度, 建立了各沉积系统的Markov模型, 得到了局部(中等)尺度随机水文相模型. 最后, 层序模型和相模型相结合, 生成了融合定量与定性观测资料,兼具确定性与随机性的多尺度非均质模型. 此外, 为进一步研究模型参数的不确定性对溶质运移的影响, 重建了代表两类非均质模型的多个虚拟体, 并分别用来模拟地下水流和污染物运移的过程. 灵敏度分析表明, 水文相水平平均长度的拉长, 一般会导致污染物弥散云的第1, 2阶空间矩趋于增大.     

深层油气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟

深层油气藏水力压裂过程中的岩石变形,不仅要考虑弹性变形还要考虑塑性变形的问题,以往的裂缝扩展数值模拟都没有考虑塑性变形.文章基于Drucker-Prager屈服准则和相关联的流动法则建立了弹塑性水力裂缝扩展的数学模型.模型使用润滑理论描述裂缝内流体流动,耦合岩体变形,采用内聚力模型对裂缝扩展过程进行描述.基于有限元方法编制了数值求解器,通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型和算法的正确性.研究结果表明:相比于弹性水力裂缝,在流体注入量相同时,弹塑性水力裂缝长度短,裂缝宽度大,扩展时需要更高的流体压力.由于塑性应变的存在,缝内流体返排后,弹塑性水力裂缝不会完全闭合.随着岩石摩擦角的增大,弹塑性水力裂缝的宽度减小,所需流体压力增大.相对于理想弹塑性,硬化岩石介质中的水力裂缝宽度较小,所需流体压力较大.     

空间均化分层土壤入渗模型

以通用Green-Ampt模型为基础,用概率密度函数和垂向分层分别描述了土壤饱和导水率在水平和垂直方向上的空间变异性,通过面积均化建立了宏观尺度上的空间均化分层土壤入渗模型（SAI模型）.针对典型土壤入渗过程的数值实验表明了SAI模型具有较高的精度,能够充分反映饱和导水率空间变异性对入渗的影响.分析表明在暴雨期土壤的平均入渗率随水平方向的变异性增强而减小,目前采用的垂向平均方法将低估入渗量.SAI模型本身包含了土壤的非均匀性,是一个宏观尺度的模型,在保持模型物理机理和参数物理意义的同时,有效避免了由于入渗模型非线性和土壤非均匀性引起的模型适用尺度和应用尺度不匹配问题,在空间均化水文模型中的初步应用表明,SAI模型可以用于宏观尺度水文或气象模型中暴雨期或者灌溉条件下的入渗模拟.     

非均质底水油藏水平井沿程水淹模型

地层非均质性和井筒压降是水平井沿程见水不均匀的两个重要影响因素.本文建立了底水油藏地层两相渗流与水平井井筒变质量流的耦合模型,并给出求解方法.保持井筒沿程平均渗透率和变异系数不变,构造不同的渗透率分布,并以此为基础,利用所建模型对井筒沿程产液剖面与渗透率剖面关系、井筒沿程含水率变化规律和水平井井口含水率变化规律进行分析.研究表明,由于井筒压降的作用,沿程渗透率分布对水平井含水率的变化有很大的影响,井筒沿程产液剖面与渗透率剖面相关性沿流体流动方向逐渐变差;在井口定产液量的条件下,高渗带与跟端距离越近,高渗带处产液量越来越大、水平井见水越早、井口含水率上升得越慢、开发效果越差.     

孔隙网络模型模拟人工裂缝渗流研究

传统支撑剂导流能力试验需要耗费大量时间和成本,设备复杂并且对不同流体的适用性较差,基于支撑剂的排列分析和孔隙网络模型的基本原理,本文提出用孔隙网络模型模拟人工裂缝的思想,并建立了模型.以实测支撑剂渗透率作为指导,通过调整模型参数使模型预测结果与实测数据相符;并用所建立的模型对支撑剂的渗透率进行预测,达到较好的效果.针对压裂液和稠油等非牛顿流体,利用调整好的模型研究了非牛顿流体在人工裂缝中的流动特征.本文证明了孔隙网络模型模拟人工裂缝内渗流的可行性,相对于传统支撑剂导流能力试验,本方法经济高效,并且针对不同的流体有更广泛的适用性.     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

微管内流场的可视化实验研究

以蒸馏水作为工质, 龙胆紫溶液作为着色剂, 对内径为520和315 μm的石英玻璃管内的流动做可视化实验研究以研究其流态. 经光学显微镜放大后由CCD相机拍摄, 得到了在不同Reynolds数下, 石英玻璃管内流动的流型图, Re数在200~2300间的微管进出口压力差也同时被测量来表征微管内的摩擦阻力系数. 实验结果清楚表明, 微管内部流动处于小Re数时, 微管内部的流动基本处于层流态, 其摩擦系数与常规尺寸下的经典理论解基本一致. 当Re数大于1200~1500时, 微管内流态已经由层流向紊流开始转变, 同时, 其摩擦阻力系数已偏离经典层流理论解. 当Re数达到1500~1800左右时, 微管内的流态基本上全部处于紊流态.     

箍筋约束混凝土方柱轴压破坏尺寸效应细观数值研究

钢筋混凝土构件尺寸效应行为源于混凝土材料的非均质性及钢筋/混凝土复杂的非线性相互作用.通过建立反映上述特征的约束混凝土方柱3D细观数值模型,开展轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究,探讨体积配箍率对箍筋约束混凝土方柱轴心受压力学行为及尺寸效应的影响机理,并与试验结果进行对比分析.基于Baznt尺寸效应律,开展约束混凝土轴心抗压强度尺寸效应理论分析.研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合良好,构建的钢筋混凝土柱细观力学模型能够准确地描述箍筋约束混凝土构件的破坏行为及尺寸效应规律;体积配箍率增加,约束混凝土柱的名义强度增大、破坏呈现更少的脆性,尺寸效应现象减弱;Baznt尺寸效应理论能够对约束混凝土柱轴心加载下的尺寸效应行为做出合理解释.