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.     

基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数计算

研究刻画岩石类材料中的孔隙结构特征对于揭示岩石的各种力学行为具有重要意义,为此将分形理论与数字图像处理技术相结合, 针对工业CT 扫描得到的岩石切片图像进行了分析, 从中提取研究了岩石的孔隙结构特点, 讨论了孔隙率和分形维数之间的关系. 岩石CT 图像中各像元的灰度值是对应岩石微元中各物质衰减系数的综合反映, 可以反映出岩石中各种尺度孔隙的影响. 结合实验测定的孔隙率, 采用逆分析的方法可以确定出分割阈值的大小, 从而得到岩石孔隙结构的二值化图像, 为进一步研究孔隙拓扑结构提供基础. 随着孔隙率的增大, 孔隙结构的分形维数也变大. 而且在孔隙率相同的情况下, 孔隙结构的分形维数也不尽相同. 孔隙结构越复杂, 其分形维数越大. 实验证实, 基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数是岩石孔隙率等参数的有效补充, 可以更好地表征岩石孔隙结构的分形特征.     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.     

页岩压裂中压裂液返排率低的孔隙尺度模拟与解释

针对页岩压裂过程中,压裂液返排效率普遍很低的现象,基于高分辨率页岩岩样SEM(scanning electron microscope)电子显微镜扫描图像,利用马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo)方法重构得到页岩的三维数字岩心,采用具有高密度比的格子Boltzmann模型,从孔隙尺度来模拟页岩中气水两相驱替过程.首先通过计算表面张力和相对渗透率来验证模型的准确性,然后模拟页岩数字岩心中的油水两相流动,页岩中首先饱和水(气)相,然后从一端注入气(水)相,模拟终止条件为驱替相在出口端发生突破,气水运动黏度比和密度比分别设置为10:1和1:1000.水驱气过程中发生突破时,水相的饱和度为70%,而气驱水过程中发生突破时,气相的饱和度只有4.5%,给出了三维数字岩心中驱替相分布,在气驱水的过程中发生突破时,大部分水被滞留在页岩孔隙中,从而解释了页岩水力压裂中,压裂液返排效率低于10%的现象.     

耗散粒子动力学方法在生物学领域的应用与研究进展:从蛋白质结构到细胞力学

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是近年发展起来的一种介观尺度的数值模拟方法,是研究软物质和复杂流体动力学行为的一种重要手段.这种新型介观模拟方法采用粗粒化粒子模型描述具有关联性的原子团或物质团,并通过简单的软排斥作用力描述粗粒化粒子间的相互作用,从而实现更大时间和空间尺度的复杂系统模拟计算,如油/水/表面活性剂体系、聚合物和胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及复杂流体流变特性的模拟等.本文首先介绍了DPD方法的理论框架,继而详细综述了DPD方法在生物系统中的应用.具体地,在分子尺度,我们重点介绍了该方法在蛋白质结构及其相互作用、两亲性脂质分子膜的结构与动力学、脂质膜与蛋白分子相互作用、纳米颗粒与脂质膜相互作用等方面的研究现状和研究热点.在细胞尺度,我们归纳了DPD方法在模拟血液微循环系统中血细胞的流动和血液流变学行为等方面的应用进展,包括红细胞的变形及流动,白细胞边聚及黏附行为,血小板边聚、黏附及聚集行为,健康与疾病状态下血液流变学特征,循环肿瘤细胞迁移、黏附及分选富集等.此外,我们总结了用于模拟血细胞变形及血液流动的其他数值模...     

表征孔隙孔径分布的岩土体孔隙率模型及其应用

指出了现有岩土介质的孔隙率模型不能准确表示孔隙的孔径分布特性,提出了3种孔隙率模型.利用3种模型对黏土在二维空间和生态护坡材料在三维空间的微观孔隙孔径分布进行预测,显示了无论是总孔隙率或各级孔径下的累计孔隙率,预测值与实测值均非常接近.利用孔隙率模型,给出了基于土体微观孔隙结构的固结变形计算公式,在低固结压力下压缩应变计算值与实测值相差约0.007;建立了多种非饱和土的土-水特征曲线模型,从形式上包含了现有的土-水特征曲线模型,由于模型中的颗粒分布分维数是建立在孔隙分布特性的基础上,其物理意义更为明确;最后给出了土体黏聚力及体积密度与土样尺寸的关系式,验证了黏聚力及体积密度随土样尺寸增大而减小的规律.     

油气储层长石矿物表面水滴接触角

润湿性是油气储层岩石的一个重要特性,但由于组成储层孔隙的矿物成分多样且颗粒多在微米尺度,准确评价某一矿物的润湿性是一个难题.长石是砂岩储层的重要组成矿物,然而关于长石润湿性的研究却很少.本文利用原子力显微镜测量了微米级水滴在储层岩石钾长石和钠长石表面的接触角.结果表明,水-钾/钠长石接触角并不是一个定值,而是分布一定范围,这可能与晶体表面粗糙与非均质、晶面不同有关.相比于以前研究中用间接方法计算得出的水-长石接触角,本研究在实际储层长石矿物表面直接测量的接触角具有更好的代表性.就平均接触角而言,水-钾/钠长石的接触角均小于相同条件下测得的水-石英接触角,从而说明在用接触角法评价人造砂岩岩心的润湿性时,应综合考虑长石、石英对润湿性的影响.     

水和重水红外吸收光谱的Car-Parrinello分子动力学模拟

红外吸收光谱在水的热力学及动力学特性研究中起到了关键作用.本文采用基于密度泛函理论的Car-Parrinello分子动力学(CPMD)方法研究了水和重水的红外吸收性质及介电和光学特性.以能量最小化构型为输入结构,运用该方法计算室温下水和重水的分子电偶极矩总和,进而通过傅里叶变换得到红外吸收光谱.数值分析表明:室温下水和重水红外吸收光谱的理论计算值与文献中实验结果相吻合,表征OH键拉伸模式的光谱峰值位置略有红移,验证了CPMD方法的可行性,为高温高压等极端工况下水的基础物性参数研究提供了参考.     

一种新的三维欧式距离变换方法及在数字岩心中的应用

针对目前距离变换方法在三维数字岩心中应用时,搜索方向多、计算数据量大、耗费时间多、占用内存大等问题,提出一种基于几何拓扑学理论中空间邻居关系的新的距离化搜索算法.根据岩石内部孔隙结构与二维平面欧式距离求解方法,引入一个三维空间距离游标进行辅助计算.相比现有方法,新的算法简化了邻居域欧式距离值的比较规则,避免了复杂的欧式距离结构体带来的大量运算,且算法复杂度低,可以被更好地理解和应用.本文详细叙述了算法的具体实现过程,并将该方法推广到具有缝洞特征碳酸盐岩数字岩心的孔隙空间分割工作中.结果表明该方法准确高效,对于油气藏孔隙级微观描述具有现实意义.     

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.     

心跳间隔增量序列的多尺度分析及临床应用

通过对心跳间隔序列、心跳间隔增量序列的多尺度熵和多尺度标准差分析, 发现心跳间隔序列的多尺度熵主要反映年龄对心脏活动水平的影响, 不足以作为区分充盈性心衰的诊断依据. 然而, 心跳间隔增量序列的多尺度熵分析却显示充盈性心衰和房颤患者心率变异性的复杂性较健康人有显著降低, 揭示两种疾病的心率变异性有着共同的潜在动力学性质. 提出了以心跳间隔增量序列在尺度4下的样本熵作为充盈性心衰和房颤的诊断依据并给出了参考值. 通过分析不同心功能分级对结果的影响, 发现即使是轻度心衰也能显著区别于健康人, 意味着该参数可以用于心衰的早期诊断.     

贵州4个洞穴滴水对大气降雨响应的动力学及其意义

在雨季, 采用NaCl示踪的方法, 对贵州珠江水系的4个岩溶洞穴(荔波凉风洞、都匀七星洞、安顺将军洞和镇宁犀牛洞)滴水点水的来源、滴水对大气降雨的响应尺度、水动力学过程等进行研究, 揭示出由于岩溶洞穴环境、水运移路径的联通性、水动力学过程等的不一致, 4个洞穴的不同滴水点滴水对大气降雨响应的时间尺度为0~40天. 根据水在洞穴顶板的运移特性、水的运行方式、水头类型等水文学特性的差异, 将这4个洞穴的滴水点划分成5种水动力学类型. 由于不同洞穴不同滴水点水-土、水-岩作用的时间尺度、作用方式、水运移路径等的差异, 影响到岩溶次生沉积物的物质来源及量度标准, 加之不同洞穴各滴水点水动力条件的极大差异, 岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力条件的结果作为支撑. 根据目前对这4个洞穴众多滴水点滴水电导率的监测, 电导率与大气降雨量的一致变化, 意味着洞穴滴水形成的岩溶次生沉积物的元素含量具有记录岩溶环境过去变化的意义, 但应以多个点的研究结果来保证解译的正确性.     

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.     

钝顶螺旋藻C-藻蓝蛋白的能量传递动力学

结合超快速时间分辨荧光光谱,对钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)C-PC六聚体内能量传递过程机制进行了研究.通过不同探测波长下荧光衰减曲线的拟合,对六聚体内能量传递途径和相关传递参数进行了指认,从实验上证实C-藻蓝蛋白六聚体能量传递具有4个时间常数,分别为6,22,280,1470 ps,并对各时间组分进行了指认和讨论.结果反映了部分C-PC中不同发色团之间的能量传递动力学性质,为了解藻胆蛋白的结构和功能的关系提供了重要的实验数据,同时对于理解光合作用的原初过程也有重要的参考价值.     

复线隧道开挖爆破振动监测分析与振速预测

复线隧道施工爆破振动对既有隧道会有较大的影响.文章根据新悬泉寺隧道开挖爆破施工实际情况,选择了合适的爆破监测方案.监测数据显示,平行既有线的隧道掘进爆破对既有线侧壁径向影响最大.结合现场监测数据,应用基于最小二乘法的回归分析得出了K、α值;采用经验公式线性回归法对爆破振动速度进行预测,依据预测结果实时调整施工爆破参数.     

基于相关分析的水文趋势变异分级原理及验证

趋势变化是水文过程变异十分重要的表征,目前研究主要侧重于趋势识别方法的改进、比较及实例运用,但针对趋势变异程度分级等研究十分缺乏.为此,提出了一种水文序列趋势变异识别与程度分级的方法.该方法通过计算水文序列和时序的相关系数值,将趋势变异程度划分为无变异、弱变异、中变异、强变异及巨变异.通过推导相关系数与趋势斜率之间的公式,说明两者的正相关关系.统计试验验证了公式的合理性,并说明了序列均值和变差系数对相关系数值的影响.将该方法应用于西江高要站不同时间尺度的平均水位序列进行趋势变异程度分级,引入权重概念分析了各尺度平均水位趋势变异之间的联系.结果表明高要站各尺度平均水位序列均呈下降趋势,但趋势变异程度存在差异;权重较大时期平均水位的趋势变异程度对整体趋势变异程度影响更大,结合物理成因分析验证了结果的合理性与所提方法的有效性,因此将有助于定量评估气候变化和人类活动对水文过程的影响.     

西北绿洲农田玉米水量平衡和水分运移规律

<正>绿洲农田水量平衡及水分运移规律的研究,对于制定合理的灌溉措施和节约水资源具有非常重要的现实意义.目前分析水量平衡的模型一般分为以下2种:一是基于质量守恒的水量平衡模型;二是基于理查德方程的水动力学模型.相比而言,水量平衡模型参数少,使用更为方便.土壤水量平衡主要包括:降雨、灌溉、实际蒸散发、深层渗漏、径流和土壤储水量的变化.由于深层渗漏量难以监测且误差较大,因而常常通过水量平衡的其他几个分量计算得到.2009~2012年连续观测了黑河中     

LiCl-NaCl-KCl相图的实验测量和热力学优化

碱金属氯化盐混合物LiCl-NaCl-KCl可以作为熔盐电解法制备稀土及其合金的电解质,该体系的相图是构建含稀土的多元氯化盐体系热力学数据库的基础.本文采用差热分析法对二元系LiCl-NaCl和三元系LiCl-NaCl-KCl的相图进行了实验测量,并基于新的实验数据和文献数据对这两个体系的相图重新进行了热力学优化,修正了现有数据库中LiCl-NaCl-KCl的热力学参数.计算得到的LiCl-NaCl是二元匀晶体系,极小值点位于xNaCl=0.262,温度为820 K.与前人的优化结果相比,本文计算得到的固相线更接近实验值.计算结果表明, LiCl-NaCl-KCl的液相面有一个极小值点,而不是四相共晶点,对应的组分为55%LiCl-8%NaCl-37%KCl,温度为620 K.     

产生和测量阿秒及飞秒软X-射线脉冲方法

报告了产生和测量阿秒及飞秒软X-射线脉冲的方法, 研究了高次谐波产生与激光相位之间的关系, 得到了时域内两个不同的辐射能量分布曲线. 这些结果有助于理解高次谐波产生的动力学过程. 可用脉冲光子能量的带宽值和两个参数化公式, 计算能量分布曲线的时间宽度. 为了更好地研究和模拟脉冲的传输及与介质的相互作用, 往往需要指定脉冲的光子能量和带宽等参数. 这两个公式在实验上可用于分析所选择脉冲的能量带宽值和时间宽度之间的关系. 所提出的变换方程和相关的光电子激光相位确定法, 能用来直接从光电子能谱得到阿秒及飞秒软X-射线脉冲的时间结构, 而不需要预先假设脉冲的频率分布和强度分布形状, 也不需要与实验测量数据进行拟合计算. 这些方程和方法是超快速测量的基础, 能用于评估超短X-射线脉冲光源的技术参数, 推动新一代光源技术和应用研究的进一步发展. 它们具有很宽的时间测量范围和极高的时间分辨率, 将使超快速测量以及飞秒和阿秒定时技术达到计量学的精度, 并使之发展成为标准化的测量方法, 进一步促成物理、化学及生物学新的研究高潮. 同时, 对阿秒和飞秒X-射线脉冲的应用及测量方面的理论和技术难题作了简要的讨论.     

基于非结构化VOSET方法的沸腾传热

将非结构化VOSET方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确性,编写程序分别模拟了恒壁面过热度和恒热流密度两种边界条件下的水平表面膜态沸腾,计算结果与Klimenko经验关联式吻合良好.通过圆弧表面膜态沸腾问题,验证了本文基于带相变非结构VOSET方法对不规则区域沸腾相变问题的适用性.通过模拟近临界压力水的膜态沸腾问题,并与Berenson和Klimenko经验关联式对比,验证了本文方法对实际沸腾问题的适用性.