各向异性双重孔隙介质有效应力定律

通过对双重孔隙介质有效应力的研究, 建立了各向异性双重孔隙介质线弹性变形的有效应力定律. 并在此基础上, 分析了横向各向同性及结构各向异性、固体材料各向同性时的有效应力定律形式. 通过对该有效应力定律进行以下两种简化: (1) 简化成各向同性双重孔隙介质有效应力定律; (2) 简化成各向异性单重孔隙有效应力定律, 并将简化后的模型分别与已有的模型相比较, 说明该模型的合理性.     

各向异性介质中地震波射线满足的改进型斯涅尔定律

各类介质中地震波遇界面时几何射线参数求取问题均涉及到斯涅尔定律的应用,各向同性介质中斯涅尔定律的应用已广为人知.由于各向异性介质中地震波相速度与射线速度即能速度强度和方向上的差异,故基于相速度所获得的经典斯涅尔关系式不适于求解各向异性介质中地震波遇界面时的几何射线参数,经典的斯涅尔定律需要修正.这对利用各向异性介     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

Biot和喷射流动耦合作用对各向异性弹性波的影响

考虑双相各向异性介质中固－流相对运动速度的各向异性,从流体质量守衡的基本原理和双向各向异性介质中的弹性波动力学方程出发,利用Ｄｖｏｒｋｉｎ等一维孔隙各向同性ＢＩＳＱ模型的思想,建立了双相各向异性介质中同时包含Ｂｉｏｔ和喷射流动机制的弹性波方程,同时考虑Ｂｉｏｔ和喷射流动作用过程时横向各向同性双相介质中波的频散和衰减数值结果表明：拟压缩波和拟ＳＶ波的衰减强烈依赖于渗透率各向异性,且高频、低频时的衰减     

多孔介质的双重有效应力

多孔介质存在两种变形机制,本体变形和结构变形;与此相对应、多孔介质也具有两个有效应力、本体有效应力和结构有效应力;本体有效应力决定多孔介质的本体变形、结构有效应力决定多孔介质的结构变形;多孔介质具有双重有效应力,这是由介质独特的物质结构所决定的固有特性.     

孔隙介质中流体渗流边界演化过程的实验研究

孔隙介质中流体渗流边界形貌的研究对石油开采、核废料处置、地下水污染等工程问题具有十分重要的意义. 以流体在孔隙介质中缓慢渗流为背景, 人工制造了6种孔隙率的孔隙介质(俗称金刚玉), 采用5种不同运动黏度的流体在6种孔隙度的人造孔隙介质中进行渗流实验, 记录了渗流实验过程, 获得了不同黏度、不同孔隙率条件下的流体渗流边界形貌演化图. 估算了流体渗流边界的平均位移和流体边界形貌的分形维数, 获得了平均速度和流体边界分形维数随时间的演化规律, 进一步统计分析了渗流边界平均速度、流体边界形貌演化复杂程度与孔隙率、流体运动黏度之间的关系. 结果显示, 孔隙介质中流体渗流边界形貌是孔隙率和流体运动黏度综合影响的结果.     

正交各向异性介质波动问题的理论与实验

建立了正交异性动态光弹性实验方法,它利用正交异性双折射材料在宏观范围研究正交异性材料的动力行为,同时,基于弹性动力学基本理论,阐述了各向异性介质的时域边界元数值计算模型,提出了结构强度分析所关心的应力计算方法,并将上述两种方法综合应用于对各向异性介质波动问题的研究。     

双重介质非线性渗流

自Баренблатт建立了双重介质线性渗流模型以来,近二十年“弱压缩液体在裂缝-孔隙介质中不定常渗流”的研究,主要沿着该方向展开,无疑,这对裂缝性油、气田的开发,有较大的理论和实际意义,但是,随着对碳酸盐岩油藏不断深入的研究,发现这类裂缝性油藏还不同程度地发育着溶洞系统,液体在裂缝-溶洞系统中流动不再符合层流线性Darcy定律,因此,很有必要研究双重介质非线性渗流模型及其解。     

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.     

旋转交错网格有限差分及其完全匹配层吸收边界条件

将完全匹配层吸收边界条件引入到旋转网格有限差分中, 用以解决在非均匀弹性和孔隙弹性介质情况下数值模拟中的吸收边界问题, 同时, 将旋转交错网格有限差分法用于数值求解等效弹性介质、孔隙弹性介质和各向异性弹性介质的波动方程. 与普通的交错网格有限差分方法相比, 旋转交错网格有限差分的好处在于不同的物理量只位于两个不同的位置: 应力和应变(或质点速度和位移)位于离散单元的中心, 而质点速度或位移(或应力和应变)位于单元的顶点. 经过这样的处理后, 弹性常数就不再需要进行平均(模拟非均匀介质时)或内插(模拟各向异性介质时), 因为此时所有的弹性模量都位于相同的位置, 且与应力或应变的位置相对应. 为了验证新算法, 对相同的模型采用了不同的算法计算和比 较. 研究结果表明, 旋转交错网格有限差分算法和普通交错网格有限差分算法的结果吻合很好. 不仅如此, 新算法能很方便地处理声阻抗差别较大的非均匀介质, 特别是在模拟充有液体或气体的裂缝介质时更具优势. 另一方面, 应用完全匹配层吸收边界条件可以大大减少人工界面产生的反射波. 当边界层的厚度超过半个波长时, 在人工界面几乎无反射波产生. 理论和数值模拟结果表明, 旋转网格中的完全匹配层吸收条件与普通交错网格中的吸收效果和处理方法几乎相同. 此外, 建立了在等效弹性、孔隙弹性和各向异性弹性介质中的完全匹配层吸收条件的速度-应力差分方程系统.     

二维各向异性介质中地震波前面参数方程的建立

本文从二维各向异性介质中地震波动偏微分方程组入手,建立了各向异性介质中波前面的法向方程,并利用特征带法求解常规的一阶偏微分方程获得了二维各向异性介质中地震波前面的参数方程.     

双孔隙结构膨胀性非饱和土功的表达式及其本构模型的理论框架

针对膨胀性非饱和土的特性,区分了土中毛细液相和吸附液相性质的不同以及宏观结构和微观结构变化机理的不同,基于多相孔隙介质理论提出了土体总应力和外力输入功的表达式,并且依此选取了功共轭变量.基于土体外力输入功的表达式以及开放的多相热力学系统中能量-功-耗散之间的关系,建立了适用于双孔隙结构膨胀性非饱和土本构模型的理论框架.     

宇宙学的新动向

首先介绍观察宇宙学方面的一些新动向: 3K微波背景辐射的各向异性1965年彭齐阿斯和威尔逊发现了各向同性的宇宙微波背景辐射,这对均匀的、各向同性的标准宇宙模型(弗里德曼模型)是个有力的支持.然而,1978年美国普林斯顿大学的威尔金森(Wilkinson)及加里福尼亚大学贝克莱实验室的斯莫特(Smoot)等人,各自独立地发现在微波背景辐射中存在着偶极的各向异性,辐射温度最高点在狮子座a星方向,最大温度超过平均值3.5×10~(-3)K.对此可以看作是宇宙非各向同性的证据,即宇宙的整体可能既有切向运动又有转动.但由于这个各向异性是偶极分布的,因此也可以解释为:地球相对于微波背景辐射有一个速度为390公里/秒的运动,正是这个运动引起的多普勒效应使人们观察     

基于细观结构的颗粒介质应力应变关系研究

用DEM数值计算了一个颗粒介质的双轴压缩试验, 分析了颗粒介质在等向压缩与剪切过程中颗粒细观结构的变化规律, 推导出一个基于颗粒细观结构变化的颗粒介质屈服函数, 其形式与修正剑桥模型的屈服面相似. 利用该屈服面方程, 可以通过颗粒接点数按接触角整理的分布变化说明在压缩和剪切过程中颗粒介质的屈服特性, 为从颗粒细观结构的变化规律进一步研究颗粒介质的应力-应变特性提供了一个可行的方法.     

考虑气相硬化影响的非饱和土本构模型

论述了非饱和土应力状态变量的选择问题, 非饱和土功的表达式表明应当采用广义有效应力、修正吸力和气压三个应力状态变量来描述非饱和土的行为. 随后对非饱和土中三相的变形机制进行了探讨, 通过非饱和土中气相的体变特性的研究, 指出气相的体变与其他两相的变形是相互影响的, 揭示了土中气相的体变和固体-液体一样也可以分为弹塑性两部分, 结合气体的基本定律可以得到气相的压力-体变关系. 考虑气相对土体硬化的影响, 提出了一个各向同性应力作用条件下非饱和土的本构模型, 并对该模型进行了验证, 说明了模型的合理性. 最后给出了一些预测结果并和Wheeler等人给出的预测结果进行了对比分析.     

三维各向异性介质内界面上地震波的传播

各向异性介质中地震波动理论研究是现今地震学研究中的一项前沿课题与难题.界面上地震波传播行为研究对于理解波传播规律以及解释复杂的三分量地震记录等均具有重要意义,然而至今尚未见到这方面深入研究结果.本文从波动方程组出发,借助于边界连续性条件,推导得出三维各向异性介质中内界面上地震波的反射与透射系数,进行了数值计算并讨论了界面上地震波传播行为.     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

基于率相关模型的多孔介质应变局部化基本理论

研究了引入率相关模型含液多孔介质应变局部化双重内尺度律的特征以及相互作用, 此时材料应变局部化分析结果的正则性得到保证, 但同时也出现了双重内尺度律参数的相互作用问题, 且内尺度律预测也成为问题分析的难点. 提出了引入率相关模型后内尺度律预测的一个基本方法, 并进行了多孔材料的稳定性分析. 同时也讨论了不同情况下实波速存在的条件以及给定渗透系数对应的实波速存在波数区间. 最后通过数值算例对理论预测的正确性进行了验证.     

表征孔隙及颗粒体积与尺度分布的两类岩土体分形模型

以Sierpinski垫片和Menger海绵模型为基础, 提出了由孔隙体积分形模型、颗粒体积分形模型及孔径或粒径分布分形模型组成的两大类岩土体分形模型, 指出了模型间的内在联系. 通过比较与分析, 发现该两类岩土体分形模型能将国内外岩土体分形模型统一起来, 从而形成了两类统一的模型. Katz对砂岩的实验结果表明砂岩的分形特性可采用第一类分形模型表示, 以软黏土微观孔隙数据为基础, 证明了软黏土满足第二类分形模型.     

考虑溶质原子拖拽效应及各向异性的元胞自动机法模拟钛合金单相区静态粗化

晶粒静态粗化是一种重要的物理现象,严重影响微观结构的演化和材料的力学性能.如何有效模拟这一过程已经成为该领域的研究热点.本文通过考虑溶质原子拖拽效应和晶界迁移各向异性对晶粒粗化的影响,建立了元胞自动机模型,并对钛合金单相区静态粗化过程进行了模拟.为了描述不同溶质原子的拖拽效应对粗化的影响,文中将溶质原子在beta相中的扩散速度等效转化成钛原子的迁移速度.为此,提出了定量描述溶质原子扩散速度与钛原子迁移速度之间转化关系的数学表达式.其中,表达式中考虑了影响溶质原子扩散速度的因素如溶质原子的半径、原子质量及晶格类型.通过引入参数c0考虑晶界迁移各向异性对粗化的影响.当c0为1时,则认为晶界迁移为各向异性,若为0时则认为是各向同性.将上述表达式应用到元胞自动机模型中,模拟钛合金(包括TC4,Ti17,TG6和TA15)在单相区的静态粗化现象.预测结果包括粗化动力学和组织演化与试验进行了对比,而且较为吻合.最后,讨论了时间、温度和化学成分对粗化的影响,以及本文元胞自动机模型预测粗化的局限性.