基于三维形貌的错动节理非线性渗流特性研究

岩石结构面形貌对可变形岩石节理中的渗透特性具有重要影响。为了研究可变形岩石节理中三维形貌对其渗透特性的影响展开了人工错动节理渗透特性实验。实验采用常法向荷载条件,法向荷载采用1.0~5.0 MPa。基于颗粒粗细,选取了三种花岗岩试样进行人工劈裂得到实验试样。采用一种三维形貌参数表征其粗糙度。基于实验结果,分析了节理中的非线性渗透规律,讨论了临街雷诺数及Forchheimer方程,并提出了错动节理中的非线性渗流公式。将提出的公式与已有的研究成果对比分析,包括Forchheimer方程、Izbash经验模型等。讨论了各模型的优缺点。通过对比可知,提出的公式考虑了三维形貌参数,可以看做是对Izbash经验模型的一种扩展,形式上简单,具有重要的工程价值。     

基于离散元模拟的土石混合体剪切与变形特性研究

土石混合体是一种颗粒大小不一，物质成分复杂，结构分布不规则的非连续介质，其力学性质受多种因素的影响，运用离散元模拟程序PFC2D建立土石混合体直剪试验离散元模型，对不同含石量、不同块石—土颗粒粒径比、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟，研究其对土石混合体抗剪强度以及破坏特征的影响。研究结果表明：离散元模拟试验与室内直剪试验结果基本吻合，证明了离散元剪切模型的可靠性；随着含石量的增高，土石混合体抗剪强度与其对应的剪切位移增加，剪胀与应变硬化现象更明显；10倍平均粒径比的土石混合体具有最高的抗剪强度；土石混合体的抗剪强度随着黏结力的增加而增加，而残余强度受黏结力的影响较小。     

非线性井流问题水头降深的分区研究

为了对2种流态并存区域上井流问题的水头降深进行精确求解,在非线性渗流区域内对渗流规律中的非线性指数n进行了分区取值,对建立起来的水均衡方程,用Boltzmann变换进行求解,推导出了线性与非线性渗流区域内水头降深更精确的解析表达式。     

破碎花岗岩非达西渗流的试验研究

为研究破碎岩体的渗流特性和非达西流的判别准则,利用Triaxial Cell三轴试验系统将3组饱和完整花岗岩进行破碎,获取破碎岩体,开展不同围压条件下高水力梯度的渗流试验。试验结果表明,采用Forchheimer方程拟合水力梯度▽P与渗流流量Q的实测数据点,相关系数趋近于1,渗流表现出显著的非线性;随着围压的增大,Forchheimer方程拟合系数A与B呈上升趋势,即岩样渗透性降低,渗流非线性增强,并且破碎花岗岩的非达西系数β随着固有渗透率k的减小近似呈幂函数关系增大。利用该幂函数关系式提出一类能直观判定达西流和非达西流的指标参数——水力梯度比Φ_P和流量比Φ_Q,指标参数的选择和临界值的确定取决于不同工程的目标需求。     

植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构的影响

【目的】分析植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构流态的影响,充分发挥河道水生植被功能以减缓河堤的侵蚀和水土流失的速率。【方法】建立明渠植被水流结构模型将水流液层在空间高度上分为植被层和自由层,在茎秆不同的变形状态下及流量范围内开展试验。【结果】(1)在同一茎秆倾伏角下,植被层Vv随水深h增加呈增加减少再增加最终趋于稳定的变化规律,自由层平均速度Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs随水深h的增大迅速减小后趋于稳定。(2)不同茎秆倾伏角下,植被层水力参数Vv、Rev、Frv在空间上表现出各向异性,自由层Vs、Res、Frs随植被倾伏角θ增大而减小,植被淹没临界水深h存在"滞后"现象。【结论】自由层的水流流速Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs均大于植被层;植被层水流流态为缓紊流,自由层水流流态从急紊流迅速过渡到缓紊流。     

骨料对无砂混凝土板渗流流态特性的影响研究

为研究在无砂混凝土板上铺设不同骨料以及骨料的铺设顺序不同时,渗流流态的变化规律,通过水工模型试验,研究了不同容重无砂混凝土板在不同骨料铺设顺序情况下,渗流流速v和水力坡降J的拟合关系,为今后在实际工程中考虑渗流流态方面的问题提供了理论上的依据。结果表明,在无砂混凝土板容重较小时,渗流流态接近于紊流,而容重较大时,渗流流态呈过渡流形态。铺设骨料中含有粗骨料时,随水力坡降增加渗流流速变化的幅度更为显著。     

坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

为探求坡面薄层水流滚波产生机理及其演化规律,采用变坡水槽试验,结合超声波测量技术,研究了5种坡度和21种单宽流量下坡面薄层水流的水力特性及失稳特征。结果表明,试验条件下,坡面水流流态指数平均值为0.536,水流流态以紊流为主,流型为急流;特定粗糙床面条件下,随着流量的增加,水流经历失稳到滚波猝灭再到二次失稳的演变过程;滚波猝灭临界流量随着坡度的增大而逐渐减小,其临界雷诺数在509~602之间,临界弗汝德数在3.29~7.39之间;随着流程长度的增加,滚波的波速变化不大,波长和波高逐渐增大,频率逐渐减小,滚波发生沿程聚合现象;当单宽流量和坡度增大时,波速和频率均随之增大,波长变幅不大,而波高呈现先增大后减小的抛物线型变化趋势。     

不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。     

机翼形量水槽过流流态探讨

为深入理解流经机翼形量水槽等短喉道量水槽的水流流态提供理论依据,并以期指导该类量水槽的设计与灌区应用,以大量试验观测为基础,采用能量和临界流方程理论推导出在理想状态下临界流发生的位置;用断面比能法分析了喉道内水流能量与流态的转换关系,并对过槽水流从流态上进行定性的讨论和总结。结果表明:对于平坡渠道机翼形量水槽而言,临界流发生在渠道侧向收缩达到极小值的断面(即喉口断面);分析得到5种情况下的3类过槽流态(缓流,临界流,急流)符合试验观测。若能控制量水槽的过流流态为急流,则可以取得较好的测流效果。     

S型叶片周围复杂流态的研究

在水洞实验台上进行了S型叶片绕流的实验观察与实验数据采集。对不同攻角、不同雷诺数下的S叶片周围流态进行了分析，借助于气泡的形态变化对流态进行了深入探讨。实验中发现：随着攻角的增大，S叶片尾部射流逐渐加强，同时S型叶片正面流态随攻角的增大逐渐失稳；S叶片尾部存在着复杂的加速流、射流与尾涡结构之间的相互作用，随雷诺数增大，这种相互作用变得愈加强烈；可以预测S型叶片易发生空化的区域在前缘处，空化的型式为局部空化。研究结果为新型叶片设计提供了依据，并为使用S型叶片的转轮的流体动力学性能预测提供了参考。     

沟灌侵蚀过程的水动力学特性模拟研究

通过室内沟灌侵蚀模拟实验,研究了沟灌侵蚀过程中不同流量、坡度下垄沟水流的流态、流速及阻力系数的变化规律。结果表明,坡度和流量对水流流速的影响显著,流速随着坡度和流量的增大呈逐渐增大的趋势;流速与坡度、流量的相关性显著。垄沟水流的雷诺数变化范围为923～4 623,属于紊流;并且随着流量的增大呈现出逐渐增大的规律。弗汝德数在实验过程中变化范围为0.41～1.34,大部分都处在急流状态;坡度的增大使弗汝德数也随之增大。阻力系数变化范围为0.14～0.53。     

基于直剪试验的稻谷粮堆力学性质研究

为揭示粮仓建设和粮食运输途中粮堆的强度与剪胀特性,开展了在垂直压力为25~200kPa、含水率分别为8.41%、10.59%、13.88%和16.25%条件下的稻谷直剪试验。结果表明:稻谷粮堆剪切变形可分为弹性变形、塑性变形和籽粒压缩3个阶段;不同含水率下,稻谷粮堆强度特性基本符合莫尔-库伦强度准则,随着含水率增加,稻谷粮堆粘聚力逐渐减少,内摩擦角逐渐增大;含水率对稻谷粮堆的剪胀特性影响不明显,但随着垂直压力的增大,其剪缩性越明显;在垂直压力较小的条件下,含水率对稻谷粮堆的抗剪强度影响较大,随着垂直压力的增大,含水率对抗剪强度的影响逐渐减小。研究结果可为粮食仓储和运输、装载粮食机械的设计、粮堆数值仿真建模提供参考。     

椭圆柱绕流摆动流固耦合的数值模拟

为了分析不同影响因素对椭圆柱绕流摆动规律的影响,采用计算流体动力学——刚体动力学耦合模型进行椭圆柱绕固定轴摆动的双向流固耦合数值模拟.通过求解二维非定常不可压缩黏性流体N-S方程和SST k-ω湍流模型控制方程,研究不同长短轴比(0.6, 0.8, 1.0),不同偏心距离比(0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8)和不同雷诺数(3 900, 5 000, 10 000)的椭圆柱绕流的流动特征,分析了不同工况下椭圆柱绕流的运动和流动规律.结果表明,椭圆柱的摆动角度θ随着长短轴比和雷诺数的增大而增大,随着偏心距离比的增大先增大后减小;椭圆柱的摆动频率和雷诺数呈良好的线性递增关系,但长短轴比和偏心距离比对椭圆柱的摆动频率影响不明显.分析了椭圆柱绕流的尾流演变以及瞬时压力系数的变化,揭示了椭圆柱绕流摆动的机理,为利用椭圆柱开发海洋海流能和低水头水能资源提供了依据.     

不同流态区盘卷软管阻力损失研究

针对不同水流流态下的卷盘式喷灌机盘卷软管阻力损失计算问题,构建了软管阻力损失试验装置。在一系列的管道流速条件下,对卷盘式喷灌机(卷盘轴径为1.28m)几种常用内径(27.2、34.0、42.6和53.6mm)的软管进行了盘卷软管阻力损失试验。结果表明:软管管内流速相同时,盘卷软管阻力损失均大于直铺软管的阻力损失;随着管内流速的增加,两者之间的阻力损失差值增大;当雷诺数介于29 630和159 208之间,水流形态属于湍流Ⅰ区和湍流Ⅱ区时,盘卷软管阻力损失与管道内水流流态有关,并得到了软管阻力损失系数和软管阻力损失计算公式,为卷盘式喷灌机进水口压力计算提供参考。     

一种面向非线性材料的二维高阶ANCF梁单元

对二维高阶绝对节点坐标(ANCF)剪切梁单元位移模式进行研究。通过在剪切梁单元位移模式中引入x^(2)y项构建了一个新的二维二节点高阶剪切梁单元,其多项式系数与x^(3)项共用。运用连续介质力学理论以及Yeoh本构模型建立了单元非线性弹性力矩阵,并基于绝对节点坐标法推导和建立了系统运动微分方程。利用静力学以及动力学算例进行单元模型的验证和分析。将单元的计算结果分别与不同的ANCF高阶单元以及ABAQUS软件的仿真结果进行比较。结果表明,引入了x^(2)y项的二维ANCF剪切梁单元在大变形以及非线性弹性力问题中具有较高的分析精度和单元收敛性能。     

薄层水流水力特性试验研究

对粘砂床面的薄层水流进行定床试验,研究了不同流量、坡度下薄层水流的水力学参数(流态、水深、流速及阻力系数)随坡度和流量的变化规律。结果表明:水流雷诺数Re随着坡度和流量的增大而增大,但Re主要是由流量决定的,坡度对Re的影响不大,水流流态基本上在过渡流区和紊流区;平均水深-单宽流量,流速-单宽流量,水流阻力系数-单宽流量均成很好的幂函数形式,平均水深和流速均随单宽流量的增大而增大,阻力系数随着单宽流量的增大而减小。     

金沙江白鹤滩水电站左岸雾化区边坡稳定性分析

为研究泄洪雾化雨对白鹤滩水电站左岸边坡稳定性的影响,通过分析坝址区工程地质条件,确定了左岸雾化区边坡稳定性的计算条件,基于一次典型泄洪雾化降雨过程的三维饱和非饱和渗流有限元计算成果,考虑暂态饱和区的渗透荷载、非饱和区的负孔隙水压力及结构面遇水软化降低其抗剪强度等,采用FLAC3D软件对左岸边坡在不同时刻的横河向位移、应力、剪切应变率及塑性区进行计算.通过与天然状态比较分析可知,降雨入渗将显著抬高坡面浅部的压力水头,在坡脚处会出现大范围的暂态饱和区,坡体变形、应力、剪切应变率的量值均有显著提高,降雨入渗还可能诱发坡体深层滑动破坏,致使坡体局部稳定性恶化.     

转速对核主泵空化特性的影响

为研究转速对核主泵空化性能及进口流态的影响,应用理论分析、数值计算和试验研究的方法,对AP1000核主泵进行不同转速下的数值模拟和空化试验,得到3种频率30,40,50 Hz下不同流量(0.7Q_d,1.0Q_d,1.3Q_d)时的空化特性,并对叶轮进口截面静压分布与泵流动性能的影响关系进行分析.结果表明:转速对小流量工况下泵的空化性能影响较大;随着转速的降低,小流量工况下,空化性能曲线趋势变化比大流量工况下明显;在不同转速的额定流量下,转速较大时,模型核主泵在装置临界空化余量(NPSHC)减小时更容易接近临界空化状态;在转速较小时,临界空化余量(NPSHC)较小,且一旦发生空化,其扬程曲线斜度下降也相对平缓;在额定转速下,模型泵在大流量时更容易接近临界空化状态;随着转速和流量的减小,更容易造成模型泵在开始试验阶段进口处产生回流,扰乱进口的流场,从而造成局部空化严重.     

雷诺数对不同绕流方式下涡旋脱落规律的影响

为了探究不同雷诺数下,圆柱和方柱绕流涡旋脱落的差异,采用ANSYS-FLUENT软件,模拟了不同雷诺数下圆柱和方柱的绕流情况,通过对比分析不同位置流体介质的速度、压力以及湍流粘度的变化,研究了不同工况下的流场结构、涡脱落模态的关系。研究表明:当绕流方式一致时,随着Re的增加,物体上脱落的涡旋从产生到周期性振荡脱落,最后到随机性脱落泻入尾流形成卡门涡街。圆柱绕流中圆柱前方高压区面积随Re增加呈现先增加后减少的趋势,但方柱绕流中方柱前方高压区面积几乎不随Re发生改变;而当Re相同时,方柱绕流最大速度始终大于圆柱绕流,且方柱绕流较圆柱绕流的流动更加不稳定。     

基于COMSOL的不同库水位条件下土石坝坝坡稳定性分析

由库水位变化引起的渗透破坏是造成土石坝失稳的主要原因之一,坝体滑坡极易诱发地质灾害,严重威胁人类生命财产安全。针对库水位上升对土石坝坝体滑坡的影响,以某均质土坝为研究背景,借助COMSOL Multiphysics数值软件研究坝坡临界失稳状态下的塑性区和水平位移变化,基于有限元强度折减法分析正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3种工况下的坝坡稳定性。结果表明：随着库水位上升,土石坝内部浸润线位置提高,坝体的最大塑性应变和水平位移呈线性增大趋势,且最大值均出现在坝脚位置。坝脚处塑性区随折减系数SRF的增大逐渐向坝顶贯通,坝坡变形行为以剪切滑移为主。3种工况下稳定安全系数FOS分别为1.894、1.855和1.831,坝体稳定性不断降低,但均高于临界最小安全系数。