高填土涵洞相似材料的试验研究

基于相似理论和量纲分析法,推导出相似指标,并作为试验相似与否的判定原则.以砂、石膏、硅藻土混合物为相似材料,进行相似材料模拟试验.用正交法设计初次试验,用抗压强度相似指标控制试验的相似程度.通过极差分析,得出材料力学指标4个影响因素的重要程度,并在此基础上小范围调整配比进行二次试验,得到符合力学相似指标要求的材料配比.用上述试验设计方法替代全面试验法,可以通过最少的试验次数得到符合相似指标要求的材料配比,大大减少试验次数和时间.试验得出的相似材料配比与力学指标的变化规律,对实际工程相似材料模拟具有一定的参考意义.     

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题，在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型，通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟，得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律，确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致，进一步证实了实验的可靠性，这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。     

流固耦合相似材料模拟实验及技术

为了研究煤层开采中的流固耦合问题,在"固-液-气"三相模拟实验台的基础上进一步完善了流固耦合模拟实验平台的应力、位移、渗流测试系统及测试技术。针对富水风积沙层下采煤进行了模拟,实验中的矿压显现规律和潜水渗流规律与实际相吻合,证明了实验过程可信、结论可靠。实验设备和技术的完善突破了传统的单一固体模拟,为地下工程中流固耦合相似模拟实验取得了新进展。     

基于固—气耦合物理相似模拟的实验装置研究

采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流耦合的物理相似材料模拟实验是研究采动影响下煤岩体渗透率变化规律及分布特征的基础,文中通过研制"固—气"耦合物理相似模拟实验台,设计耦合实验中的开采系统、充气系统和测试系统,进行了相似模拟实验及渗透率测定。开采系统保证箱体气密性的同时实现了煤层的模拟开采,测试系统验证了试验箱内气体在岩层中的流动规律符合达西定律,进而验证了实验装置的可行性,从而为研究采动裂隙场时空演化与卸压瓦斯渗流耦合规律的相似模拟实验奠定实验基础。     

带压开采底板破坏规律的三维数值模拟研究

从带压开采的角度建立了带压开采的三维固流耦合数学模型及其数值解法，并针对太原市东山煤矿带压开采，进行了三维固流耦合数值模拟，对带压开采底板的应力分布规律进行了详细的探讨，为进一步防治矿井突水提供理论依据。     

矿山高陡边坡多介质复合相似材料强度对比试验

相似材料强度特性直接影响物理相似模拟实验设计和边坡稳定性预测的可靠性和准确性。以水厂铁矿为依托,通过现场地质勘察、理论计算、调控介质配比组分和试验等方法,考虑岩体脆性和延性特点,开展了多介质复合相似材料强度试验及对比分析,揭示单轴压缩下相似材料应力累积与损伤演化规律和强度之间的内在关系,确定相似材料配比参数,为大型三维物理相似模拟实验提供了依据。     

矿业工程相似材料模拟技术浅析

矿业工程相似模拟技术是研究矿山压力、围岩稳定及破坏规律的主要方法和手段。阐述了相似模拟理论的基础概念（包括相似三定理与相似三条件）,探讨了相似材料的选择与模型制作,简要介绍了离心模拟技术。     

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的"固-气"耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展"固-气"耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及"固-气"耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。     

铁精砂相似材料力学性质试验研究

依托于某工程项目,以隐晶质玄武岩为模拟原型,选择相似材料最优配比,以便后续物理模拟等研究工作。相似材料由石英砂,重晶石粉、铁精粉和松香酒精溶液混合后击实而成,该材料具有高重度、低强度的特征。从材料选择、模具设计、试样制备、室内力学试验等方面开展了综合性模型相似材料的试验研究,最终获得满足试验要求的材料组成及配比。经试验研究发现,通过改变配比,可以调整相似材料的抗压强度及抗剪强度参数,从而为以后的相似材料研究提供可以参考和借鉴的依据。     

超常参数条件下汽固两相流动的相似与模化方法探究

基于相似与模化理论和三维数值模拟方法,对超常参数汽轮机调节级喷嘴内汽固两相模化试验方法进行了研究.结果表明:马赫数和斯托克斯数(Stk)是两相流动的决定性相似准则,其对粒子与壁面撞击速度的模化误差小于5%,撞击角度的模化误差小于3°;经过多种参数组合试验才能筛选出实现Stk在相应位置对应相等的数据,数值模拟预测可减少试验模化参数选择的盲目性.对比不同反弹模型论证了粒子反弹对冲蚀喷嘴壁面影响不大,偏差小于3%.该研究扩展了汽固两相流模化理论在超常参数条件下的应用.     

固液耦合模式下采动诱发断层两盘滑移规律的模拟分析

以五沟煤矿F16断层的地质条件为背景,采用三维有限差分数值软件FLAC3D的固液耦合模式,对断层倾角、断层破碎带宽度及承压水水压不同时,在断层上盘煤层开采过程中断层界面滑移量的变化规律进行了分析,研究得出:断层界面同一标高处的垂向滑移量随断层倾角、断层破碎带宽度及含水层水压的增加而增大。断层界面的垂向滑移量越大,突水危险性越大。     

陕北矿区开采潜水保护固液两相耦合实验及分析

矿山开采中涌水突水涌沙淹井实验研究都需进行固液耦合相似材料实验,但长期来由于没有寻找到合适的相似材料,井工采矿固液耦合实验一直没有突破性的进展.通过大量试验筛选,得到石蜡适合作固液耦合实验的胶凝剂,并作出试件物理力学参数随不同相似材料配比的变化规律,从而获得榆神府矿区各岩层相似实验配比.针对榆神府矿区沙基型覆岩及富水特点,进行了固液耦合水资源保护实验,采用间歇式开采.得出了从不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距.图4,表2,参10.     

降雨条件下急倾斜煤层开采的仿真分析

基于多孔介质流体力学、高等土力学等理论,考虑降雨对急倾斜煤层开采的影响,建立降雨条件下急倾斜煤层开采的流固耦合模型,采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟。通过数值模拟,对降雨条件下急倾斜煤层顶底板附近雨水渗流以及产生的围岩变形进行深入分析,得出不同开采时步下围岩的位移情况,通过与未降雨时围岩变形的对比,得出降雨入渗导致围岩变形加剧的结论。在此基础上,提出了降雨条件下近地表急倾斜煤层围岩在开采过程中的变形情况,为安全开采与防护提供了理论基础和定理依据。     

裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

运用CFD-DEM耦合模拟计算离心泵内非稳态固液两相流动

 对于泵内固液两相流数值模拟,一般方法是将固体颗粒相视为拟流体,采用多相流的CFD 方法进行计算,但这难以体现固体颗粒形状大小、碰撞、凝聚和分离等特性。本文以工程中常用的IS 型离心泵作为研究对象,运用DEM 离散元法结合CFD 方法,采用EDEM-Fluent 耦合,模拟计算离心泵内非稳态固液两相流动,探索泵内固体颗粒群运动规律及其对外特性的影响。计算采用的固体颗粒密度为1500 kg/m³,泵入口固相体积率为15%,粒径在1.0～3.0 mm 范围内随机变化。计算得到了固液两相泵随时间的外特性变化,包括泵扬程、泵内固体颗粒体积的变化规律;得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和固相体积率分布等有价值的结果。     

嘎隆拉隧道最小注浆堵水层厚度的动态优化研究

结合西藏嘎隆拉隧道施工中出现的严重突水、涌水灾害,应用ABAQUS中的动态仿真技术,依据流固耦合理论,对注浆堵水层厚度进行优化研究。计算结果表明,当厚度超过3m时,隧道断面排水量低于150m3/d,并基本趋于一致。计算结果应用于嘎隆拉隧道工程施工中,取得了良好的堵水效果。     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

基于图形设计理论的袜子效果仿真方法研究

应用图形建模和映射理论，研究袜子效果仿真方法，提出二维平面法、基于图像法和三维空间法3种方法，在建立数学模型的基础上，给出仿真结果并进行分析和比较。     

低渗油藏水井压裂增注优化研究

为了改善低渗油藏注水井吸水状况,提高低渗油藏水驱开发效果,利用裂缝-油藏耦合技术建立油、水两相三维油藏裂缝数值模拟器,利用此模拟器模拟研究了不同条件下水井压裂对注采井组开发效果的影响,并利用正交方差分析方法对水井压裂增注效果的主要影响因素进行了显著性评价.以胜利油田史深100低渗透断块油藏为例,提出综合效果评价参数,对实际油藏注水井压裂参数设计进行了优化.研究结果为低渗透油藏注水井压裂设计和增注效果评价提供了一种研究手段,对于提高低渗透油田注水效果具有实际意义.     

基于N-S方程的储层渗流与孔眼管流耦合分析

为了实现储层渗流与孔眼管流全耦合模拟分析,应用多孔介质渗流力学、流固耦合理论,建立了应力作用下油藏流固耦合数学模型,依据流体动力学管流理论用Navier-Stokes方程控制井筒和孔眼中流体流动;采用多重物理量耦合分析软件COMSOL Multiphysic对所建的模型进行数值模拟分析,实现了对四个偏微分方程组的全耦合求解,对模拟结果的研究表明孔眼末端压降和应变最大,该处岩石容易失稳,模拟结果证明所建模型和求解方法是有效的。