基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

最少变量数边界元提取三维VLSI互连电感与电阻

为得到高频复杂结构三维互连电感与电阻需求解电磁场涡流问题. 提出一种三维涡流计算模型, 在导体与无限大自由空间中利用矢量磁位表示其中的电磁场, 得到间接边界积分方程, 并利用边界元离散化技术进行求解. 这种方法避免对导体体积区域进行离散; 作为一种间接边界元方法, 它具有最少的变量数; 由于不对导体中的电流方向进行限制, 可以计算互相垂直导体之间的互电感和互电阻. 数值计算结果利用2-D解析解进行了验证; 计算了互相垂直导体在不同频率和间距下的互电感和互电阻.     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

受限空间内多孔介质材料对瓦斯爆炸特性的抑制作用

为研究多孔介质材料抑制瓦斯爆炸传播特性,基于瓦斯爆炸链式反应理论,采用47步反应机理,建立了填充有多孔介质材料的二维管道瓦斯爆炸数学模型。利用Fluent软件分别对充满体积浓度为9.5%甲烷-空气的空管道和铺设有多孔介质材料的管道模型进行数值模拟与对比分析,以研究瓦斯爆炸过程中火焰传播速度和爆炸压力波受到多孔介质材料的影响。结果表明:多孔介质材料的复杂孔隙增加了自由基与孔壁的碰撞几率,使能够参与反应的自由基减少,抑制火焰传播;一部分爆炸波被多孔介质材料吸收,且在微小孔洞中经过多次反射和散射,造成能量损失,使爆炸压力波降低。     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.     

基于均匀化理论的缝洞型介质渗透性分析

针对缝洞型介质的特点,提出了离散缝洞网络宏观流动数学模型.该模型将缝洞型介质划分为岩块系统,裂缝系统和溶洞系统,其中裂缝和溶洞嵌套于岩块中,并相互连接成网络,岩块和裂缝系统视为渗流区域,溶洞系统视为自由流动区域.基于均匀化理论对离散缝洞网络宏观流动数学模型进行了尺度升级分析,推导得到了大尺度上的等效Darcy流动方程,并给出了缝洞型介质等效渗透率张量的理论求解公式.通过算例验证了本文方法的正确性,最后分析了不同缝洞结构多孔介质的渗透性.     

微波冷冻干燥过程的升华冷凝现象

提出未饱和含湿多孔介质的冷冻干燥过程的升华冷凝模型,分析了模型中的传递系数,对未主含湿多孔介质的微波冷干燥进行了数值模拟,结果表明：与传统升华面模型相比升华冷凝区对干燥过程传热传质有重要影响。     

多孔介质发动机压燃着火的数值研究

多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧．为加深对多孔介质发动机特性的了解,用改进的KIVA-3V对一种形式的多孔介质发动机燃用气体燃料的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度和多孔介质结构及燃料喷射时刻对多孔介质发动机实现压燃着火的影响．针对Zhdanok等人的甲烷预．空气预混合气过滤燃烧的实验,用改进的KIVA-3V进行了数值计算以检验模型的合理性,燃烧波的计算结果与实验结果吻合得很好．计算结果表明在压缩比一定时,多孔介质初始温度是决定多孔介质发动机能否压燃着火的重要因素;改变多孔介质的结构会影响多孔介质内气固两相的换热和多孔介质的弥散作用,多孔介质孔隙大小是影响多孔介质发动机压燃着火的主要因素;在上止点附近起喷燃料不能实现多孔介质发动机的压燃着火．     

温度场与温度梯度场的均匀化

基于模拟退火算法和仿生优化方法,分别以均匀化温度场和均匀化温度梯度场为目标,对二维导热问题进行了数值研究,优化了高导热材料的分布．研究结果表明：这2个优化目标之间存在一定的一致性,而仿生优化方法可以有效的节约计算时间;此外,对2个优化目标而言,高导热材料的填充量和导热系数比都存在阈值,高导热材料的填充量和导热系数比超过阈值后,其增加对均匀化温度场与均匀化温度梯度场的作用不再明显．     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.     

竖直壁面敷设多孔层强化膜状凝结传热的分析

基于多孔介质的弥散特性,建立了坚直壁面上利用多孔层强化膜状凝结传热的物理数学模型,通过数值模拟研究了多孔层厚度,有效导热系数的影响考究了多孔层强化凝结传的特性。孔层厚     

用颗粒流方法研究裂隙对岩石力学性质的影响

岩石力学参数受其组成材料的细观力学性质和含有的裂隙控制。本文采用颗粒流方法,以校核试验参数的方法确定模型细观参数,进而建立不同高度和半径的圆柱模型,然后根据试样体积,在模型中添加不同数量的随机分布裂隙,研究裂隙对宏观力学性质的控制作用,发现:1)对于不含有裂隙的试样,圆柱试样的高度和半径对单轴抗压强度和弹性模量的影响较小,但试样半径对宏观力学性质的影响比高度明显;2)对于含有裂隙的试样,试样单轴抗压强度和弹性模量受试样半径和高度影响明显,表现为单轴抗压强度和弹性模量随高度或半径增加而呈现指数形式衰减;3)不同尺寸的裂隙试样应力-应变曲线在峰值轴向应力之前,曲线斜率与试样尺寸有较为明显的相关性。     

基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

基于均匀设计法的有限元网格划分与精度提高

本文首次运用均匀设计法的理论到有限元网格划分与精度提高领域,借助MATLAB程序计算,可以得出网格划分的关键点。运用二次开发的理念,在有限元网格划分时进行二次优化。具体思路是在求解同一个工程问题时,分别用均匀设计的方法计算得出结果（应力最优点）,再与有限元方法计算得出结果（应力梯度）比较,应力变化图如果吻合,可以在有限元划分网格时使用MATLAB优化的关键点来加密网格。因为结果相等说明均匀设计得到的优化点等价于变化梯度大的点,加密梯度变化大的点当然精度更高。后面的计算结果证明均匀设计法相对自适应网格划分时的优越性,为全部单元都加密时带来结果失真的问题提供了一种有效的解决方法。     

利用分形方法确定聚氨脂泡沫塑料的有效导热系数

聚氨脂泡沫塑料是一种多孔介质, 它的不规则泡孔结构对导热过程有重大的影响. 本文利用局部面积分形维数来描述聚氨脂泡沫塑料的泡孔结构, 计算了沿发泡方向和垂直发泡方向的局部分形维数, 构建了当量元泡. 根据截面分形空隙分数, 提出了一个计算聚氨脂泡沫塑料导热的简化分形导热模型, 导出了多孔泡沫材料分形导热系数的计算公式. 模型的预测值与聚氨脂泡沫塑料样品的实测值吻合.     

基于格子Botlzmann方法的三维多孔介质中多相导热过程的研究

建立了模拟三维多孔介质中多相导热过程的格子Boltzmann模型,结合三维多孔介质重构算法,从孔隙尺度对CPL／LHP毛细芯中的瞬态导热过程进行了模拟,计算了不同条件下毛细芯内温度分布,分析了热负荷、孔隙率等因素对导热过程的影响,并计算了三维多孔介质的有效导热系数．     

一种新型双弹簧、双活塞本构模型在聚合物黏弹性质描述中的应用研究

推导了双弹簧、双活塞黏弹性力学模型的本构方程.在CETR UMT-2型试验机及LKDM-2000轮廓摩擦磨损仪上考察了尼龙PA66、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛和聚醚型聚氨酯等材料的静态蠕变特性、松弛特性.分别利用标准线性固体模型和新型本构模型对实验材料的蠕变、松弛特性进行了表征.实验事实及理论计算结果表明,相对于标准线性固体模型而言,该力学模型能更好地反映聚合物材料的蠕变、松弛等黏弹性质.