高炉内炉料流动模式及力链分布的离散元模拟

基于离散元数值计算方法,建立了高炉内炉料颗粒尺度运动行为的数学模型,主要研究固体炉料的运动模式和颗粒间相互作用力链的分布.结果表明:建立的离散元模型计算获得了炉内颗粒间的介观力链结构,炉底中心部位存在强力链结构支撑高炉料柱,最强力链结构对应于死料柱区,而且离散元模拟也给出炉内固体料运动模式由四个区域构成,分别为死料柱区、活塞流区、准静态滑流区和沟流区,而沟流区的力链最弱.     

桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模拟分析

针对桩-钢支撑支护形式的基坑工程,应用基于离散元理论的颗粒流软件PFC2D建立桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模型,对比分析有钢支撑和无钢支撑支护基坑开挖过程桩体水平位移、坑底隆起和接触力变化规律。结果表明:在有钢支撑支护的情况下,基坑开挖过程中桩体水平位移远小于无钢支撑支护的桩体水平位移;在基坑开挖过程中,第2、 3道钢支撑起到了主要作用。     

土压平衡盾构改性砂土离散元模型参数反演方法研究

首次将遗传神经网络与三轴试验离散元数值模拟有机结合,用于改性砂土颗粒离散元接触模型参数反演.反演目标是使三轴试验离散元模拟曲线与真实实验曲线误差最小,采用的求解策略是基于遗传神经网络的参数识别.三轴试验的离散元数值模拟为网络提供训练样本,遗传算法映射网络输入与输出样本之间的复杂非线性关系,改性土三轴试验的真实测量曲线为参数反演提供依据.以反演结果为接触模型参数的三轴试验离散元模拟曲线与真实实验曲线相吻合,为改性土离散元接触模型参数的确定提供了有效和准确的方法,为进一步的盾构密封舱压力分析奠定了基础.     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

水力射孔对地层破裂压力的影响研究

水力射孔辅助定向压裂可有效提高低渗透油田压裂效率,明显改善压裂效果.建立了包含地层水泥环套管的水力射孔井的三维力学模型,运用有限元数值模拟方法结合弹性力学理论和岩石的破裂机理,分析了水力射孔参数对地层破裂压力的影响.研究结果表明,沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为4 m-1、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力.研究结果可为水力射孔辅助定向压裂工艺提供参数优选的依据.     

水力射孔对地层破裂压力的影响研究

水力射孔辅助定向压裂可有效提高低渗透油田压裂效率，明显改善压裂效果。建立了包含地层-水泥环-套管的水力射孔井的三维力学模型，运用有限元数值模拟方法结合弹性力学理论和岩石的破裂机理，分析了水力射孔参数对地层破裂压力的影响。研究结果表明，沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为4m^-1、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力。研究结果可为水力射孔辅助定向压裂工艺提供参数优选的依据。     

基于混合模型的河网输水能力计算

河网水动力数值模拟广泛应用于平原河网的防洪排涝计算,水流主要由支流向主河道汇集.而河网输水则是主河道向支流扩散的非恒定流动,需考虑支流蓄水作用对河网整体输水能力的影响.在平原河网水动力混合模型的基础上提出了一种河网输水能力计算方法.基于数字化河网划分骨干河道和蓄水支流,通过时变侧向出流形式来考虑引水时骨干河道向支流扩散的水量,从而将圣维南方程中的侧向出流项由以往的常数改进为时变流量过程,以提高河网非恒定流数值计算精度.将该方法运用到某引水工程输水计算中,有效地解决了复杂河网跨流域输水时的水量分配问题.     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

致密气藏压裂倾斜缝压力动态分析

针对致密气藏斜井筒压裂形成的倾斜缝,将裂缝离散为微元,推导了裂缝内部有限导流数值解;采用倾斜板
源函数及势叠加原理得到了气藏流动解析解,通过将缝内流动和气藏流动在裂缝面上进行压力及流量耦合,建立了压
裂倾斜缝不稳定流动模型。划分了流动阶段,给出了对应的拟压力或拟压力导数解析表达式,分析了储层及压裂参数
对压力动态的影响。结果表明：不考虑井筒储存效应时,压裂倾斜缝流动形态分为：裂缝与地层双线性流、地层线性
流、早期径向流、拟复合线性流和晚期拟径向流。井筒存储效应产生的井筒续流段会掩盖双线性流。裂缝倾斜角和储
层渗透率各向异性对井底压力动态影响时间最长,会一直延续到晚期拟径向流阶段。无因次裂缝导流能力唯一决定
了裂缝与地层双线性流和地层线性流的出现与否及持续时间。随着气藏厚度的增大,早期径向流的持续时间增加,拟
复合线性流的出现时间推迟。最后,利用苏里格气田一口压裂定向井实例证明了该模型的正确性。     

轴向流中平行简支弹性薄板的大挠度流固耦合的数值模拟

分析研究了轴向流中简支弹性薄板大挠度流固耦合系统的振动响应和流场特性.板结构动力学方程采用基于位移的有限元法离散;流场采用二维不可压缩粘性流体N-S方程,并用有限体积法离散;在此基础上结合动网格控制技术,建立模拟双向流固耦合作用下轴向流中简支弹性薄板的二维数值模型.利用该数值模型得到了单块简支板随流速变化流致振动特性,研究了结构大挠度的振动稳定性,分别得到了Pitchfork分岔曲线和非线性系统结构的Hopf分叉曲线.通过轴向流恒定流速下不同间距的平行两块简支弹性薄板流固耦合的数值模拟得到了的流致振动特性.     

非水相液体传输的耦合动力学模型及数值解

基于多孔介质流体力学和溶质运移动力学原理，建立了非水相液体在地下环境系统中传输过程的多组分多相流耦合数学模型，对多相流渗流场模型和污染物传输浓度场模型分别采用了IMPES和特征有限差分方法进行数值离散，模型中充分考虑了污染物在地下环境体系中扩散、吸附解吸、界面间分配以及微生物降解等化学反应以及气相作用，并以苯在土壤中传输的浓度分布为例，验证了模型的可靠性。该数值模型较以往数值模型相比．可有效地克服在数值解过程中的弥散和振荡，对于石油工程领域中油气藏多相流数值模拟奠定基础。     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

岩土体颗粒破碎的离散元数值模拟技术综述

该文概述了岩土体颗粒破碎的理论研究价值及工程意义。结合颗粒破碎物理试验研究现状,综合阐述了目前数值模拟技术的优势和方法,并认为离散元方法的数值模拟可以更有效地对岩土体颗粒破碎进行研究。总结分析了在离散元方法中研究颗粒破碎的两种方法,黏结模型和颗粒破碎模型。     

基于颗粒离散元模型的岩石蠕变模拟试验

为了从岩石颗粒之间不连续特征的角度研究其永久变形行为,基于颗粒流理论,采用颗粒离散元方法对微观颗粒之间的接触赋予Burgers模型,进行岩石二维离散元虚拟单轴蠕变试验。采用单因素法研究分析颗粒粒径、摩擦因数、颗粒法向与切向刚度比对流变特性模拟值的影响。从单轴蠕变压缩的轴向蠕变及轴向蠕变速率曲线的离散元模拟值与其解析解对比可以看出:模拟结果与解析解具有较高的吻合性;为更加明确地表示出蠕变不同阶段,选用对数蠕变柔量来进行解析解与模拟值的比对,蠕变初始阶段,PFC压缩模型会低估蠕变柔量,而在稳定蠕变阶段,两者具有高度的一致。数值模拟与解析解结果对比验证颗粒流Burgers模型适合用于岩石蠕变试验研究中,可为岩石蠕变的后续深入研究提供有益的参考。     

砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定性理论分析

盾构隧道穿越砂卵石地层掘进施工时,由于砂卵石的地层特性及施工扰动,隧道掌子面容易失稳而引发事故。为研究砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定所需的最小支护力,结合砂卵石地层的掌子面失稳模式,在三维Murayama模型的基础上,将掌子面前方土体的滑动面形式假设为对数螺旋滑移线,结合上部松动区域的破坏机制,引入椭球体放矿理论,对传统的棱柱体筒仓模型进行改进,进一步通过极限平衡法推导出砂卵石地层的掌子面极限支护力求解公式;最后通过离散元数值模拟验证所推公式,两者的误差为3.1%。结果表明所得公式可对砂卵石地层的掌子面极限支护力进行较为精确的求解。研究成果以期为砂卵石地层掌子面极限支护力计算理论提供依据。     

复杂输水系统水力过渡的数值方法比较及适用性分析

不同数值方法在求解不同复杂输水系统水力过渡问题时,会体现出各自的特点及不同程度的适用性、因此,针对不同的输水方式和水力过渡类型来选择合适的数值方法,既可以保证计算精度,又可以提高计算速度．针对输水系统的无压流、有压流、无压接有压、明满流交替等不同过渡过程,对特征线法和隐式差分法进行了对比,分析了这2种方法的特点,研究和确定了2种方法在不同输水方式和水流状态下的适用性．     

管束间复杂区域流场的离散涡数值模拟

对管束间复杂区域流场的数值模拟方法进行了分析,针对管束绕流的具体困难,对现有基于Lagrange框架的离散涡方法进行了改进并提出相应的数值算法.改进后的算法只需用较少的涡元数量,使管束绕流的快速计算成为可能.将数值模拟结果与实验进行对比,发现无论是瞬时流场还是平均速度和脉动速度分布的结果,两者都非常吻合.证明提出的离散涡方法模拟管束间的单相流动是完全可行的.     

无压输水系统水流过渡时间的影响因素探究

为探究进口闸门开启时间和无压引水隧洞长度对无压输水系统水流过渡时间的影响,基于一维明渠非恒定流特征线法,并结合隐式差分法,建立"水库+无压引水隧洞+沉沙池"数值仿真分析模型,对含有沉沙池的无压输水系统的瞬变流过程进行了数值模拟.结果表明,进口闸门开启时间与无压引水隧洞长度均为影响系统水流过渡时间的敏感性因素.     

高压挤压防砂充填带形态仿真模拟

出砂是疏松砂岩油藏开采中经常遇到的难题之一,目前最普遍采用的防砂方法是高压挤压砾石充填防砂技术,但由于对高压挤压后的充填带形态认识不清,导致工艺技术和施工参数不甚合理。文章以离散元理论为基础,利用两维颗粒流模拟软件PFC2D,针对疏松砂岩油藏,按照胶结强度弱、中、强三种情况分别选择三口井进行数值模拟。模拟结果显示,胶结强度不同的地层在高压挤压后,其充填带形态差别较大。胶结较强的疏松砂岩地层,高压挤压后充填带的形态接近于低渗油藏,胶结弱的疏松砂岩地层,高压挤压后井眼周围岩层被压散,沿最大主应力方向地层会出现数条裂缝,按常规模型计算将带来较大的计算偏差。