变形条件下孔隙岩石CH_4微细观渗流的Lattice Boltzmann模拟

岩体开采变形对流体渗流性质的影响是煤瓦斯共采、油气资源开发、CO2地质封存及地下水资源保护等关注的重要问题.本文基于砂岩孔隙结构CT图像,发展了一种孔隙岩石CH4微细观渗流的LBM模拟方法及适合于大尺度孔隙模型的并行算法,运用此方法模拟分析了孔隙砂岩CH4微细观渗流性质及孔隙结构特征的影响,并与实验结果进行对比,验证了LBM方法的可靠性.利用LBM+FEM方法分析了应力作用下孔隙结构变形对CH4渗流的影响机制.结果表明:该方法可以直观定量地描述岩石微细观孔隙结构特征、渗流速度场空间分布、渗透率以及应力作用下孔隙结构变形对渗流速度场、有效孔隙度和渗透率的影响.不同孔隙度砂岩渗透率的LBM计算结果与实验值具有较好的一致性.     

数字体图像相关方法研究进展

数字体图像相关方法是可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学方法.通过匹配由数字体成像设备获取的被测物体变形前后的两组数字体图像,该方法能够获得物体内部亚体素精度的三维位移场和全场应变.得益于新型体成像设备的不断涌现、图像配准算法的持续改进以及高性能并行计算技术的快速发展,数字体图像相关方法已在生物医学、固体力学、岩土力学、材料科学等领域获得许多令人瞩目的重要应用.本文对过去20多年数字体图像相关方法中出现的各种位移和应变测量算法进行了系统回顾和评述,分析了该方法当前的局限和所面临的挑战.可以预期,数字体图像方法在实验力学领域中将扮演更为重要的角色,并有望在更多科研和工程领域中获得应用.     

基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数计算

研究刻画岩石类材料中的孔隙结构特征对于揭示岩石的各种力学行为具有重要意义,为此将分形理论与数字图像处理技术相结合, 针对工业CT 扫描得到的岩石切片图像进行了分析, 从中提取研究了岩石的孔隙结构特点, 讨论了孔隙率和分形维数之间的关系. 岩石CT 图像中各像元的灰度值是对应岩石微元中各物质衰减系数的综合反映, 可以反映出岩石中各种尺度孔隙的影响. 结合实验测定的孔隙率, 采用逆分析的方法可以确定出分割阈值的大小, 从而得到岩石孔隙结构的二值化图像, 为进一步研究孔隙拓扑结构提供基础. 随着孔隙率的增大, 孔隙结构的分形维数也变大. 而且在孔隙率相同的情况下, 孔隙结构的分形维数也不尽相同. 孔隙结构越复杂, 其分形维数越大. 实验证实, 基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数是岩石孔隙率等参数的有效补充, 可以更好地表征岩石孔隙结构的分形特征.     

光学相干层析及其在实验力学中的应用

光学相干层析(optical coherence tomography, OCT)是一种基于低相干干涉原理的层析成像方法,具有非侵入和快速成像等优点,可用于透明和半透明生物组织和材料内部微米级分辨率和毫米级深度的层析成像.与数字图像相关方法或位相测量等技术相结合之后, OCT还可作为一种弹性成像方法,用于载荷作用下物体内部位移与应变的全场测量,且灵敏度可分别达到纳米级和微应变级.目前, OCT弹性成像已广泛应用于眼角膜、皮肤、肿瘤、高聚物、复合材料等多种生物组织与非生物材料的测试,为定量评价组织与材料内部微观力学特性的分布提供有效的实验手段.本文在介绍OCT成像原理、位移与应变场重构方法的基础上,总结了OCT在实验力学中的典型应用,并探讨了该方法目前存在的问题与挑战.     

螺旋结构日珥宁静和爆发的判据

不少作者从观测上或理论上研究过螺旋结构日珥的演化规律和特征.我们早先对几个螺旋结构宁静日珥和爆发日珥的分析,已确认Lundquist场是描述螺旋结构日珥内部磁场分布的合适位形.本文利用能量原理讨论Lundquist场的稳定性判据,并与28个螺旋结构日珥的观测资料进行比较.不仅进一步证实Lundquist场与螺旋结构日珥之间的密切关系;更重要的是找到了螺旋结构日珥宁静或爆发的判据,以及日珥爆发的物理原因.     

基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法

准确表征与直观显示岩体复杂的内部结构与应力场是解决诸多地下工程问题的基础和关键.本文运用CT成像、三维重构和3D打印技术制备了包含复杂裂隙的天然煤岩模型,借助三维应力冻结和光弹技术,直观定量地显示了单轴压缩载荷作用下复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征.研究表明:通过3D打印技术制备的煤岩模型具有与天然煤岩一致的裂隙结构特征;3D模型的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩;在不连续裂隙周边的高应力分布区域以及应力级差等方面,3D模型的实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;该方法能够直观定量地显示不连续不规则裂隙对煤岩的强度、变形以及应力集中区的影响.3D模型打印与应力冻结技术相结合为实现地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化,以及印证数值模拟结果提供了新途径.     

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.     

储油岩心的核磁共振微成像

核磁共振(NMR)微成像是一种正在兴起的快速、无损、直观显示和监测多孔非均匀介质内部结构和微观动态过程的现代分析测试及基础研究手段,在油藏描述与强化采油机理研究中具有广阔的应用前景,是世界石油工业的前沿技术.本工作旨在探索适合于各种类型储油岩石结构描述的NMR微成像实验方法.     

基于毛玻璃的全日面太阳像平场测量和改正方法

全日面太阳光球像和色球像是监测太阳活动的主要数据,对望远镜观测的原始图像进行平场改正是数据处理过程中的基础工作.本文尝试利用毛玻璃测量全日面太阳光球和色球像的平场,通过理论模拟和实地测量验证了该方法的有效性.首先,模拟计算了太阳经毛玻璃扩散后在观测视场内形成的面光源的均匀性,其均匀度为99%,可以用来测量平场.其次,在全日面太阳光球和色球望远镜上的实验结果表明,本方法获得的平场像能够改正原始观测像中高频的脏点和光路不均匀性,因平场观测和常规观测图像中杂散光影响不同,导致平场改正像存在低频失真,但可通过理论临边昏暗图像对平场改正像进行低频信息修正.修正后的平场改正像与理论临边昏暗像相关系数达到0.99以上.最后,以HMI发布的光球像和GONG发布的色球像作为参考像,选取活动区所在小视场和宁静区大视场,分别与利用本方法实验改正后的光球像和色球像进行了结构相似度等方面的量化对比.对比结果表明,改正像的各项指标均优于原始像.本文提出的平场测量和改正方法简便易行,且容易实现自动化测量,为全日面太阳望远镜的平场测量和改正提供了新方法.     

超塑性金属与超塑性陶瓷

回顾SP超塑性的研究过程,从理论上大致可分为宏观变形力学规律和微观变形物理机理两个方面.力学规律的研究,又可分为有限元法和力学解析法两个主要分支.前者虽然能给出比较精确的定量结果,但不能给出力学量与参数间的函数关系.后者能给出力学量与参数间的函数关系,这便有利于对变形过程规律性的了解和对生产工艺规范的制定.变形微观机理的研究,对于揭示变形的物理本质、研制新材料和简化SP预处理等有重要意义.宏观研究和微观研究的进一步互相结合、彼此左证,必将把SP的研究和开发推向更深更广的层次.     

肿瘤微环境中的定量工程生物学

定量工程生物学在定量刻画肿瘤微环境方面起到了重要的作用,也推动了肿瘤免疫疗法的机制研究.然而在肿瘤免疫治疗的临床应用中,大部分病人对免疫治疗无响应.因此,免疫治疗的响应机制是研究肿瘤免疫疗法的重点和难点.其中,肿瘤微环境被认为是该研究领域的重要突破口之一.针对肿瘤微环境的定量测量与定量数据分析对肿瘤免疫疗法的机制研究产生积极而深远的影响.例如:利用定量生物学手段解析肿瘤微环境中的细胞种类、基因和蛋白的表达、各种细胞的空间位置、物理和化学因素、细胞外基质等,并建立这些因素与肿瘤免疫疗法效果之间的定量关系;运用工程生物学手段开发嵌合抗原受体T细胞、T细胞受体工程T细胞、树突状细胞疫苗等免疫疗法.本文将主要介绍定量测量方法在肿瘤微环境前沿研究领域内的应用,以及工程生物学在肿瘤的细胞免疫治疗中改造肿瘤微环境的应用.     

中国大陆区现今地壳运动的GPS研究

利用国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”1998－2000年间81个GPS测站的观测资料，初步获得了中国大陆及周边地区现今地壳水平运动的统一速度场。该速度场比较清楚地勾画出了中国大陆及其内部活动地块在欧亚板块框架下的现今运动和变形状况，现代大地测量第一次比较全面、直观地展示出中国大陆地壳受印度次大陆向北推挤所形成的大幅度水平运动及变形方式，为模拟大陆岩石圈动力过程提供了基础性的运动学约束条件。     

二维场的一个校正函数

由数字-模拟系统控制的二维偏转场的畸变校正,是束(电子束、光子束等)微细加工的重要技术,其关键问题是如烘给出一个近似的校正函数,一般文献中多采用整式函数.实际的偏转场,不仅存在几烘象差引起的畸变、偏转系统的不对称性等原因,会形成各种畸变的叠加,所以需要校正的畸变往往是很复杂的.虽然如此,但由于畸变的总尺寸可以精确的测量,因此,本文用曲线坐标变换的原理描述畸变现象;依据测量的结果,用分离子场的数字校正法推演校正函数,结果是分式线性函数,较整式函数具有计算简单且运算误差小等优点.     

用数字相关方法研究滑坡变形场

三峡大坝建成及动态蓄水运行后,滑坡成为库区地质灾害的主要形式之一.库区滑坡发育受大坝每年的蓄水泄洪周期及降水等因素影响.本文选择湖北秭归县卧沙溪滑坡作为研究对象,利用数码相机作为采集设备采集了2015年4月和5月的滑坡图像观测滑坡地表,用数字相关方法对滑坡图像进行处理得到滑坡位移场.位移量达到50 cm,但滑坡体表面各部分的位移量和方向不尽相同,滑坡运动是不均匀性的、非刚体运动.综合运用散斑法、灰度特征搜索等系列相关方法,成功处理了小形变关系、大位移量移动等滑坡特征问题,采用数码相机观测作为一种新的观测手段,还解决了采集图像的配准、灰度同级化等问题,并计算出滑坡体上各个点的方向和位移变化量,得到所有点的滑坡位移分布图,通过室内标定实验,误差在可接受范围内,验证了此方法的有效性.在满足滑坡监测要求的前提下,该方法操作简便、成本低、采集数据信息量大、可同时获取滑坡地表变形信息,有很好的推广前景.     

基于椭圆形微裂纹演化与汇合的准脆性材料本构模型

微裂纹演化与汇合是导致准脆性材料损伤及破坏的主要因素.采用复势函数法求解了受远场载荷作用下代表性单元中椭圆微裂纹的变形,讨论了椭圆微裂纹初始取向的变化对微裂纹尺寸增长和偏转角度的影响,并结合微裂纹扩展准则推导了损伤起始的临界应力.基于翼型裂纹扩展过程的能量守恒方程,建立了损伤阶段的本构关系.对裂纹汇合模式进行了讨论,建立了翼型裂纹汇合的几何模型,由翼型裂纹汇合的临界条件给出了断裂失效应变,最后给出了与细观结构演变过程相对应的本构模型,并应用该模型计算了岩石类材料单轴压缩下的应力应变曲线,与实验结果吻合良好.     

高能散射强相互作用唯象学研究进展

高能散射是研究物质基本结构及其相互作用规律的基本实验手段,探索新物理必然涉及的强相互作用唯象分析和精确计算尤为重要.本文围绕强子产生介绍高能散射强相互作用的最新唯象学研究进展,主要包括量子色动力学微扰计算概述、强相互作用软硬界面的预禁闭结构(色连接、重子数涨落等)、色单态预禁闭集团的强子化物理图像及重要的强子化模型(弦碎裂模型、集团碎裂模型、夸克组合模型等)、强子产生涉及的相关强子结构和强子波函数的研究与应用等.     

岩石探针和地震探测手段约束华北深部地壳结构组成及演化

厘清大陆深部地壳形成、演化及其动力学过程,对于了解板块构造、揭示壳幔相互作用至关重要.针对华北深部地壳物质组成、结构及演化等问题,本研究在限定其地震学结构特征基础上,结合深部地壳岩石捕虏体的来源深度(定深)、化学和物理性质(定性)和形成年龄(定年)的研究成果,构建了华北深部地壳多维度物理、化学结构模型.结果表明:华北陆块地壳厚度变化于30～48 km,全地壳和地壳内部各层均呈现东薄西厚特征.东、西部地壳虽然厚度上有明显差异,但内部结构特征有一致性,即整体上较少典型的高速基性下地壳,平均P波波速(～6.3 km/s)、密度(2.72～2.78 g/cm3)并呈中性岩石特征.深部地壳岩石捕虏体除斜长角闪岩外主要成分包括基性和酸性的麻粒岩.中生代时期华北陆块部分地区地壳存在榴辉岩捕虏体,指示了当时局部地区曾存在厚达45 km的地壳,但现今地震学剖面并未显示;此外,有些地区(如汉诺坝)基性岩石捕虏体揭示出新生代基性岩浆底侵,难以在地震学模型中识别.因此,岩石探针与地震探测结果的结合,将更有助于全面认识深部地壳结构组成和演化.     

数字化天顶望远镜观测图像及数据处理

中国科学院国家天文台与山东科技大学合作,于2011年底成功研制出了中国第一台数字化天顶望远镜样机(DZT-1).与经典天体测量望远镜相比,DZT-1具有体积小、自动化程度高和测量精度高的优点.可用于经典的天体测量观测和大地测量领域的垂线变化及垂线偏差观测,在天文学及地球科学相关领域具有重要意义.DZT-1的测量原理和方法与经典的照相天顶筒有某些类似,但又有较大区别.本文主要介绍DZT-1观测恒星位置图像及数据的处理原理、方法和过程,介绍利用观测资料实时归算出天文经纬度的应用软件,以及该应用软件的特点和使用方法.最后介绍了该仪器的试观测情况及试观测结果.试观测结果表明,该仪器的单次观测精度可达0.2″~0.3″,单组观测精度为0.07″~0.08″.所编写的数据处理软件满足DZT-1观测图像及数据处理的要求,为仪器的自动化及高精度测量提供了保证.     

地球物理矢量场磁测技术的研究进展

矢量磁测技术是工程和环境地球物理勘探中最有效的方法之一,与传统总场强度或总场梯度测量相比,可同时获取地磁场模量大小和方向信息,有效减少反演中的多解性,有助于对磁性体的定量解释,获得更多更准确的反映场源的信息,提高目标体的探测分辨率和定位精度.本文根据不同应用环境,介绍了地面矢量磁测、井中矢量磁测、海洋矢量磁测、航空矢量磁测及卫星矢量磁测等技术的应用情况和技术特点,综述了各矢量磁测仪器装备的国内外研究现状.最后,分析了矢量磁测技术的发展趋势,即由单一的总场或总场梯度测量,转向为多信息的矢量场测量或多参量测量;从低效率、探测深度浅的地面磁测转向高效率航空、大深度井中或深海目标体的快速定位与探测,并逐步发展为地面、井中、海洋、航空、卫星联合磁测和解释.通过各磁测技术和方法的优势互补,提高地球物理磁场测量精度和反演分辨率.     

细菌微室

长期以来,人们认为细菌的细胞没有细胞器,但是最近20年细菌微室的研究颠覆了这一传统观点.微室是细菌的细胞器,由壳蛋白和酶蛋白通过自组织形成.细菌微室与病毒在外观上很像,为100～200 nm的多面体.细菌微室的系统性研究源于沙门氏菌1,2-丙二醇分解代谢途径的研究.该途径相关基因形成pdu操纵子, pdu操纵子中除了酶蛋白外还有一些结构基因编码微室壳蛋白.细菌微室的生理功能是由蛋白质壳形成一个防止分子扩散的屏障,将内部环境与细胞质进行物理隔离,使得含有易挥发或有毒化合物的代谢反应容易进行.细菌微室在细菌中广泛分布,种类繁多,目前已经在分布于45个门的细菌中发现68种微室基因簇.细菌微室的生理功能具有高度多样性,在二氧化碳固定和多种化合物分解代谢中具有重要生理功能.本文主要就细菌微室的结构、生理功能、主要类别以及细菌微室在生物工程领域的应用前景等进行介绍.