沥青混合料细观结构及三维重构

为研究AC-10沥青混合料试件的空隙率,采用SYM-457马歇尔击实仪制作AC-10标准马歇尔试件,并将上述试件按3 mm间隔进行CT扫描,应用Matlab图像处理软件对所得扫描图像进行处理,结合统计学方法计算其空隙率,同时将所得到的dcm格式的CT扫描图像导入Mimics软件中进行三维重构,通过对阈值的调整,实现对沥青混合料中胶浆、空隙、粗集料的识别与分离,最终获得沥青混合料的空隙率.结果表明:相对于应用统计学方法计算得到的沥青混合料空隙率4.7%,应用Mimics软件得到的空隙率为4.56%,与真实值4.0%更接近.     

新型随机重构微孔隙介质模型与扩散特性

提出一种使用碳纸气体扩散层微孔隙结构的真实形态参数,构建三维微孔隙结构模型的算法.此方法通过扫描真实的扩散层结构获取结构的特性参数.通过确定三维微结构内纤维系统的中心坐标,循环构建N层纤维系统,达到需求的扩散层厚度,各层纤维系统由随机分布的重叠并相交的纤维结构构成;并将成功构建的模型转换为能够用于流体仿真的数据模型,对结构模型的渗透率进行了验证.结果表明,该方法生成的模型符合真实扩散层的渗透特性.最后,利用该模型对扩散层各项特性参数的变化关系进行了分析,结果可用于扩散层的结构优化设计,更大程度增强渗透传输特性.     

基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究

为了从细观层次研究沥青混合料内部损伤失效机理,采用三维激光扫描技术获取真实集料三维形态信息,根据其形态特征参数提出一种三维随机凹凸型集料建模方法,并构建三维虚拟集料库。使用Monte Carlo方法构建AC-13三维虚拟试件,利用多刚体动力学方法模拟试件压实过程。采用截面算法获取沥青混合料二维细观模型,在模型有效性和准确性得到验证的基础上利用该模型开展虚拟间接拉伸试验,运用内聚力模型和广义Maxwell模型表征沥青混合料断裂行为和黏弹特性,引入断裂损伤指标D_m量化其内部损伤,并利用虚拟试验探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响。结果表明,在宏观层次,主裂纹不受温度影响,沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏;在细观层次,相较于沥青内部界面单元,沥青-集料界面单元更易出现损伤,更快达到损伤失效点,且受温度影响显著。     

饱和孔隙介质各向异性损伤细观模型

为研究孔隙介质的细观损伤力学及其流-固耦合特性,基于细观力学提出了一个脆性孔隙介质材料各向异性损伤细观模型。同时应用比奥(Biot)弹性孔隙介质理论框架下利用太沙基理论的有效应力概念,将孔隙介质材料各向异性损伤细观模型推广到了饱和条件,建立了一个饱和孔隙介质各向异性损伤细观模型。以法国的一种砂岩为例,分别模拟了三轴排水压缩实验、三轴不排水压缩、不同偏应力水平下增加孔隙水压的三轴压缩实验,数值模拟与实验结果吻合好,说明模型能正确地描述饱和孔隙介质的力学特性和流固耦合特性。     

油藏渗流过程中孔隙弹性模型的分析与修正

将油藏宏观渗流场与弹性波场耦合,改进孔隙弹性模型控制方程,揭示低频波动采油技术的动力学作用原理。基于低频波动采油试验机制、Biot理论模型,通过区分低渗开发储层波动采油应用时的流体渗流状态、弹性波传播方向与经典孔隙介质弹性波传播理论模型的差异,并考虑持续变化的压力对耦合物性参数的影响,建立饱和单相渗流流体孔隙介质弹性波传播理论模型,对孔隙介质弹性波传播理论模型的流体耦合运动方程、状态方程(包括骨架孔隙度和流体黏度变化)、边界初始条件进行修正,给出修正模型的计算流程,并利用算例分析验证修正模型的适用性。结果表明,低渗储层低频波作用关于孔渗的敏感性变化规律与常规试验认识一致,低频波动采油效果在低孔、低渗储层中具有较好的适用性,增渗、增压效果明显,说明修正模型揭示低频波动采油机制具有有效性。     

三维织造复合材料细观模型

以三维织造复合材料为对象,结合三维织造缠绕路径,建立三维织造复合材料细观结构分析模型,推导纤维体积分数与细观模型结构参数之间的数学关系。研究导向套直径、导向套中心距等结构参数对纤维体积分数的影响。研究结果表明:结合PAN基碳纤维T300实验研究发现纤维体积分数相对误差可控制在5%以内。通过合理的结构设计和纤维规格匹配,三维织造复合材料可达到满意的纤维体积分数和弹性模量。当PAN基碳纤维T300三维织造复合材料的导向套半径为1 mm时,导向套中心距在4~6 mm之间对纤维体积分数的变化最敏感,中心距从4 mm增加到6 mm时导向套的纤维体积分数从19.63%下降到10.19%;当导向套半径控制在2 mm以内时,导向套中心距建议选取4~6 mm之间,可有效提高纤维体积分数;导向套半径为1 mm时,6K纤维与6 mm中心距配合能达到最大限度的利用结构体积单元空间。     

灌区土体Boltzmann算法细观渗流模型

土体是岩石风化的产物,同时也是灌区输水建筑物的主要组成部分,由于渠道在灌溉过程中两侧存在水头差,渗流常常发生在灌区的输水等建筑物中,渗流破坏也是其最常见的破坏之一。本研究在总结前人研究的基础上,基于Boltzmann算法,提出了灌区土体细观渗流模型。模型证明:外界水头作用下若灌溉渠道土体中存在连通性较好的孔隙通道其渗流破坏较严重,反之孔隙通道连通性不好,则渗流破坏较小。     

砂岩孔隙结构分形模型及随机网络仿真

建立了砂岩多孔介质孔隙空间分布的分形模型，用改变粗视化程度方法导出了孔隙半径和喉道半径分布的分形模型及相应的概率模型，提出了用实际压汞实验验证上述模型及由压汞数据确定岩心孔喉大小分布分形维数的方法。所构造的网络仿真模型可以体现孔隙空间分布、孔隙大小分布以及配位数的不确定性，实现了将宏观参数（孔隙度，网络面积）与网络微观特征（孔隙结构）相结合。应用本模型可进行多孔介质的水动力学研究及油层物理研究。     

砂岩孔隙结构分形模型及随机网络仿真

建立了砂岩多孔介质孔隙空间分布的分形模型，用改变粗视化程度方法导出了孔隙半径和喉道半径分布的分形模型及相应的概率模型，提出了用实际压汞实验验证上述模型及由压汞数据确定岩心孔喉大小分布分形维数的方法。     

三维各向异性渗流模型

本文采用位置空间重整化群和蒙特－卡罗模拟方法，研究了三维各向异性渗流模型。分别计算出其临界值Ｐｃ和临界指数α，β，γ，δ，νηΔ等值。结果表明：１．三维次近临各向异性渗流问题与最近邻各向同性的渗流问题属于不同的普适类。２．临界指数仅与格点内部的联接方式有关。     

原状花岗岩残积土大孔隙细观渗流场的格子Boltzmann模拟

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)图像与格子Boltzmann方法,通过自编程序研究原状土样在大孔隙域中的细观渗流规律.结果表明:孔隙连通性好、孔径大的区域流体流速较大,且呈闪电状分布,而在孤立孔隙中流体无法流通;大孔隙渗流过程中存在明显的"指进效应",孔道中间流速最大,可达格子速度0...     

裂隙岩体随机渗流模型及数值分析

基于等效连续介质模型,先应用Taylor展开法分析裂隙岩体渗透性的随机性与裂隙基本几何参数随机性的关系,然后用一阶Taylor展开随机有限元法分析裂隙岩体渗流场的随机性.数值分析表明:隙宽的随机性对渗流场的影响最大,裂隙的迹长次之,间距的影响最小.数值分析的结果是合理的.     

岩石能量特征与其细观结构的关联性

 岩石的细观结构影响其受载过程中的能量行为。从岩石基元平均强度、均质度和细观特征尺度等3种细观特征入手,研究了其对特征能量参数和能量特征指数的影响规律。结果表明:(1)基元平均强度越大,相同应力比下的输入能量密度和积聚弹性能密度呈非线性增长;峰后所需耗散能密度变化不大,约为500～2000J/m³;弹性能转化率变小;岩样能量特征指数呈指数型增长。(2)随着均质度的升高,峰前输入能量密度和积聚弹性能密度都呈线性增长;峰后破坏所需耗散能降低;越来越多的能量转化为弹性能积聚在岩石内;能量特征指数线性增大。(3)细观特征尺度越大,外界输入能量和积聚弹性能都增大,但幅度不同;峰后破坏所需耗散能越大;弹性能转化比例越低;当细观特征尺度小于1mm时,能量特征指数大幅减小,而当其大于1mm时,变化不大。     

复杂地层结构模型三维重构与可视化方法研究

针对工程建筑、水利水电建设以及地质灾害防治等工程地质学研究中的空间结构分析与信息可视化问题,提出了一种基于单元块体的空间自动搜索地质建模方法.该方法的主要思想是:首先由地质专家充分利用工程地质勘探的资料,并结合自身经验,在交互式环境中完成2D/3D剖面解释;而后系统自动完成地质结构单元块体搜索,运用CSG集合运算并根据地质单元块体的空间拓扑结构实现复杂三维地质模型的构建.本方法通过引入地质单元体的概念,并在建模过程中融合地质专家的知识,使地质模型的建模过程得到了简化,提高了模型的精度,有效地解决了复杂三维地质模型的建模问题.     

三维应力下岩石节理面的渗流特性

基于渗流场与应力场的耦合关系,从侧向应力引起的侧向变形入手,经过合理的理论推导,给出能够反映节理面在三维应力作用下渗流特性的等效水力张开度-应力公式;根据室内物理试验数据拟合理论公式得到水力张开度的表征经验公式,给出理论公式应用于实际工程的方法,并利用数值试验佐证该公式的合理性;采用3DEC程序进行三维应力作用下节理面渗流数值试验,为利用3DEC进行类似研究提供有益借鉴。     

三维应力作用下砂砾岩孔隙型渗流

为了掌握砂砾岩在三维应力作用下的渗流规律,开展了理论和试验研究。把渗透系数设定成孔隙率变化量的函数,再基于孔隙弹性理论推导孔隙率变化量和应力之间的关系,建立了孔隙型岩石的渗流应力耦合特性关系式,其表明平均有效应力是控制孔隙型岩石渗透系数变化的主要因素。在渗流-三轴应力耦合试验机上开展的砂砾岩渗流应力耦合试验的结果进一步证明,砂砾岩渗透系数与平均有效应力成负指数函数关系。根据理论分析和试验结果建立了砂砾岩在三维应力作用下的耦合特性关系模型。     

红黏土三维孔隙结构建模与渗透性能分析

为探讨土的微观孔隙网络和渗流,通过高斯随机场二相化理论来表征孔隙介质基质与孔隙的方法,构建了满足真实土体孔隙率和孔径分布,且具有随机形态的三维孔隙模型。基于所建模型,采用数学形态学图像分析方法,提取与渗流有关的参数,并采用Kozeny-Carman方程计算了模型的渗透率。结果表明：与实验数据相比结果相近,验证了该方法的可行性。研究结果为孔隙介质微观建模与渗流分析提供了一种新的思路与方法。     

岩石孔隙结构表征与流体输运可视化研究进展

孔隙结构特征的室内测试技术主要分为间接测试和直接测试两大类。前者主要以获取孔径分布等特征统计参数为主的流体注入法及孔隙流体饱和度的反分析法。后者主要为以获取孔隙结构图像为目的的光学辐射法。微观渗流物理实验可以实现孔隙空间中流体流动形态的可视化监测与分析,获取宏观条件下难以观测的实验现象,有助于孔隙尺度下渗流及驱替过程中复杂流动行为的微观力学机制分析。基于岩芯微观孔隙结构图像的模型重建是一种实现孔隙结构精细化表征与流体输运特性可视化研究的数值分析手段。基于不同的表征思想,多孔介质内流体输运控制方程可分为分子动力学模拟、格子玻尔兹曼模拟和计算流体动力学模拟。主要通过泊肃叶定律和准静态模型实现孔隙尺度流体流动和驱替过程的模拟。     

高温下岩石非达西渗流模型

高温下岩石内部结构易发生破坏,渗流规律不再遵循达西定律。针对这一情况,从变形介质渗流理论入手,建立高温下岩石非线性渗流数学模型。该模型考虑了热压力梯度的作用,可为高温下的多场耦和问题研究提供理论基础。