电磁波在介质分形表面的散射特性

1带限分形函数经典的几何学都是以规则而光滑的几何形状为其研究对象,而对于一些极不规则和极不光滑但又具有“自相似性”特征的对象,即分形结构,近期发展起来的分形(fractal)几何学为该类对象的研究提供了有力的帮助.所谓“自相似性”就是局部的形态与整体的形态相似,或者说,在每一个放大的级别上,这些曲线形状都是相似的.大量事实证明,分形现象在自然界中广泛存在着、本文定义并利用一带限分形函数来模拟介质粗糙表面,从而通过控制该函数的某些参量而达到模拟不同介质粗糙度表面的目的,并对各种情况下的散射系数进行观察和分析.下面给出带限分形函数(以下简称分形函数)的表达式     

孔隙尺度下岩性分类及参数粗化

随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形态学函数值,采用K均值聚类得到水平层理,并通过空间插值和K均值聚类确定出岩石不规则层理.对于水动力学岩性分类,计算逾渗几何参数,使用有监督无监督高斯混合模型进行分类,分类结果与连通孔隙结构性质匹配良好.基于层状层理、不规则层理、水动力学岩性分类结果提出相应参数粗化公式,计算局部岩样渗透率、电导率反推整体岩样渗透率、电导率.研究结果发现基于水动力学岩性分类结果建立的参数粗化公式获得的整体岩样渗透率、电导率最为准确.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.     

体育场馆火灾烟气运动数值模拟中发现的2个典型现象

通过求解流体Navier-Stokes方程对一综合体育馆火灾场景进行了数值模拟. 模拟湍流采用Smagorinsky大涡模拟方法, 模拟燃烧采用混合比例燃烧模型, 对火灾工况下的流体流动做了低马赫数假设. 通过对数值计算结果揭示的流场速度、温度、组分浓度等物理量的的分析, 发现在火灾发生后, 利用自然通风或机械通风排烟过程中, 存在门效应和烟气堵塞两种不利于烟气控制的重要现象. 在这两种效应的作用下, 不合理的通风口位置, 甚至机械通风的引入都可能导致排烟效果的恶化. 分析了两种效应的产生原因和作用机理, 最后对消除这两种现象提出了参考性体育场馆火灾通风设计.     

天体物理和空间物理中辐射磁流体动力学数值模拟研究现状与展望

宇宙中超过99%的重子物质都是等离子体,磁场在其中广泛存在且与等离子体相互作用.另外,辐射也往往对于这些等离子体的动力学起着重要影响.因此,完整描述这些等离子体的基本物理规律依赖于辐射磁流体动力学.由于非线性以及物理上多尺度耦合的特征,数值模拟在求解辐射磁流体动力学方程中起着重要的作用.近年来,由于技术及软硬件的快速发展,数值模拟的作用越来越显著,已经与观测、理论一起,发展成为了3种主要的研究方法.本文综述辐射磁流体动力学的数值模拟在天体物理(包含太阳物理)以及空间物理领域的研究现状,并对未来的发展进行展望.     

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

磁性液体数值模拟研究进展

磁性液体(magneticfluid)是一种力学性能受磁场调控的磁流变智能材料,在医学与工业生产中有广泛应用.近年来,随着计算机性能的发展,数值模拟日益成为研究磁性液体力学行为细观机理的重要方法.本文综述并评价了磁性液体理论与数值模拟领域的最新研究进展,介绍了磁性液体在剪切、挤压和阀模式3种工作模式下的力学模型,对磁性液体的现有模拟方法进行了总结,讨论了磁性液体数值模拟的研究现状,并展望了数值模拟的发展前景.磁性液体的数值模拟亟待开展以下三方面研究:(1)建立涵盖多种微观相互作用的精细理论模型,研究颗粒表面包覆、添加剂等非磁性成分对磁流变效应的影响;(2)将不同数值模拟方法相结合,建立磁性液体的多尺度模型,进一步提高模拟精度,利用机器学习协调不同尺度的数值模拟,压缩计算量,已成为一种可行思路;(3)将力学模型与电、磁学模型相结合,发展多尺度、多物理场耦合的数值模拟方法,模拟磁性液体其他物理性能.最终为高性能磁性液体的研制及其应用研究提供技术和理论支撑.     

页岩气渗流数学模型

针对页岩气藏流体运移机理复杂、传统模型难以准确描述的难题,本文综合考虑页岩气在孔隙中的黏性流动、Knudsen扩散以及吸附气的表面扩散和因岩石变形引起的滑移分别建立自由气和吸附气扩散方程,建立页岩气在基质与裂缝中的渗流数学模型,并采用非线性非平衡Langmuir吸附理论分析页岩气渗流过程中的解吸附机理.通过数值模拟方法研究了不同流动机制对页岩气产量的影响,结果表明,吸附气的表面扩散与滑移对页岩气产量的影响均在0.1%以下,可以忽略;黏性流动与Knudsen扩散主导页岩气的渗流;非平衡吸附速率对页岩气产量影响较大,吸附速率越大,产量越大.本文建立的模型能较好地揭示页岩气的复杂渗流机理,并为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.     

CMP中接触与流动关系的分析

分别考虑抛光垫基体和粗糙峰变形建立化学机械抛光(chemical mechanical polishing/planarization, CMP)的一维两层接触模型和抛光液流动模型, 分析了CMP中接触压力和流动的关系, 利用数值方法模拟了抛光垫基体和粗糙峰变形情况, 以及接触压力和流体压力的分布情况. 分析表明在晶片入口区附近形成了发散间隙, 从而抛光液流体出现负压, 在晶片边缘形成了高应力集中导致的过度抛光, 解释了CMP的这两个基本特征.     

Noah-MP陆面过程模式在雅鲁藏布江流域径流模拟中的适用性评估

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点. Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径流模拟能力进行过系统性评估,限制了模式在该区域的水文应用.本研究基于中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动Noah-MP模式,对雅江流域2000～2018年的径流进行时空分辨率为3 h/5 km的数值模拟;选取与流域径流产生机制相关的10个主要物理过程,评估了16种参数化方案组合对于径流模拟的影响,并确定了最优参数化方案组合.结果表明:(1)采用默认参数化方案, Noah-MP在奴下站的月尺度模拟纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe efficiency)为0.23、偏差百分比PBias为–35.79%,而采用基于临界温度的雨雪分离方案、改进的二流近似辐射传输方案以及基于BATS的产流方案后, PBias分别减少至–2...     

高分子流体动力学问题的数值模拟与实验研究

数值方法在高分子流体动力学研究中占有十分重要的地位,但理论予示与实验事实之间仍存在着较大的差距。文章扼要地论述了高分子流体动力学问题的数值模拟方法,及实验验证方面的主要问题。强调实验流体及相应本构方程的选择,流场几何与流体动力学条件的严格控制在研究中的重要意义,并介绍了这方面的研究动向,和作者在这方面的研究结果。     

基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

沉积盆地泥质岩石的水力破裂和幕式压实作用

近年来,沉积盆地中幕式流体活动是人们十分关心的热点问题,其主要活动形式有伴随泥或盐底劈活动,沿先存断裂系统突破和水力破裂.水力破裂(Hydrofracturing)是低渗的泥质岩石中幕式流体活动的主要途径之一,它是由于孔隙空间中流体压力的增大而导致泥质岩石内的破裂,这种破裂面通常形成于异常高的流体压力背景.水力破裂大大改善了沉积物的渗透性,这样孔隙中流体的流动远远大于没有水力破裂时的情形.因此,低渗泥质岩石中的水力破裂不仅影响油气的运移,而且还影响沉积物的压实作用迄今为止,水力破裂现象已经在世界上的许多沉积盆地中见到,如墨西哥湾盆地北海盆地以及我国的莺歌海-琼东南盆地.但有关水力破裂的定量模拟的文献极少,与之相伴生的幕式压实作用也很少提及.     

含源汇非定常对流扩散问题紧致四阶差分格式

对流扩散乃流体流动与传热传质的基本过程。作为提高其数值模拟可靠性的根本途径,对流扩散方程的高精度数值方法愈受重视。其中紧致差分(compact difference)以其实用、省时和高整体精度等特性倍受青睐。Dennis四阶紧致格式,一维情况可推广至非定常问题,但处理较繁;更为遗憾地是其格式未能充分反应对流的“迎风”效应,不适用于对流占     

潜热型功能热流体层流强化传热分析新模型

建立了分析潜热型功能热流体的层流强化传热的新模型. 该模型的主要特征是: (1) 应用新推导的潜热型功能热流体定压比热公式; (2) 考虑了真实的相变传热过程, 即, 相变微胶囊与单相工作流体间换热, 壁面与两相混合流体间换热; (3) 用新建立的轴对称双倒易边界元和有限差分联合的数值方法求解该数理方程. 新模型的可靠性用已有实验结果进行了验证. 得到了一些新的物理结果, 如定压比热在空间与时间随相变传热过程变化的特征, 捕获了相变界面随时间推进图像, 等等, 还数值分析了影响潜热型功能热流体强化传热的几个主要物理因数, 对该功能流体强化传热机理获得了一些新认识.     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.