关键词： 碳纤维复合材料   孔隙缺陷   多尺度模型   人工神经网络  

摘要： 碳纤维复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymers，CFRP）凭借其高比刚度、高比强度、优异的耐久性和设计上的多变性，在航空航天等领域得到了广泛应用。由于CFRP材料制造过程中难以避免引入孔隙缺陷，开发和拓展针对孔隙的复合材料力学预测模型，这对于降低复合材料试验成本及提高复合材料力学性能数据获取的准确性均有重要价值。　　为了进一步研究孔隙缺陷对CFRP层合板力学性能的影响，并提高复合材料设计的效率，本文针对多角度铺层的CFRP材料，使用X光计算机断层扫描技术还原孔隙真实形貌及分布特征;基于孔隙真实特征数据，建立了对应的顺序多尺度模型（SequentialMultiscaleModeling），结合试验与仿真手段研究了孔隙形貌及分布特征对材料宏观拉伸力学性能及损伤失效形式的影响;应用反向传播神经网络（BackPropagationNeuralNetwork,BPNN）降低仿真的计算成本，实现预测模型的快速响应。　　综合本文的主要研究内容，取得的研究成果如下：　　（1）制备了单向（[90]8）、正交（[90/0/90/0]2S）和准各向同性（[45/90/-45/0]2S）三种不同铺层角度的CFRP层合板，分别制作试样进行拉伸试验并获得了拉伸力学响应结果;通过X光计算机断层扫描试验检测层合板孔隙缺陷，针对层间孔隙和层中孔隙，提出了特征参数定量地描述三维孔隙模型，高度还原了孔隙的形貌及宏细观分布特征，为本文提出的含孔隙CFRP材料拉伸力学性能的多尺度预测模型建模提供数据支撑。　　（2）基于孔隙表征试验获得的孔隙形貌及分布特征，提出了一种含孔隙CFRP材料的宏细观多尺度预测模型来预测其拉伸力学性能及损伤失效形式。细观尺度上，提出了含孔隙的细观RVE重构算法，真实地还原了孔隙在细观尺度上的形貌特征。通过对含孔隙细观RVE模型进行有限元仿真求解来获得材料等效力学性能，结合孔隙的宏观分布特征，将通过均质化手段得到的材料等效弹性性能及强度性能输入到宏观尺度的层合板模型进行宏观力学有限元仿真求解，从而得到CFRP材料的宏观拉伸力学响应结果，对比力学试验结果基本一致。提出的含孔隙的CFRP材料的多尺度预测模型在细观尺度上真实地还原了孔隙形貌及分布特征，相比未考虑孔隙缺陷的多尺度模型，能够实现对CFRP材料拉伸力学性能更为准确的预测。　　（3）提出了一种含孔隙的双层菱形RVE模型来捕捉多铺层角度层合板层间区域的损伤机制，同时获得其等效力学性能。通过在双层多角度铺层RVE模型中引入随机分布的纤维和孔隙，来模拟孔隙在多角度铺层层间区域的分布。菱形RVE模型可代表任意角度铺层CFRP层合板的层间区域，使得本文提出的多尺度预测模型能够应用于各种铺层角度及铺层厚度的CFRP层合板，拓展了预测模型的应用范围与实用价值。　　（4）利用BPNN加速多尺度预测模型的结果输出，实现对含不同孔隙率、孔隙形貌及分布的CFRP材料拉伸力学响应曲线快速、准确的预测，大幅降低了多尺度模型的计算成本，节省材料性能试验大量人力物力的损耗，提高了复合材料设计的效率。

关键词： 接触角   颗粒级配   吸水过程   脱水过程   滞后效应  

摘要： 地下水作为一种重要水资源备受人们关注,地下水的污染问题体现在日常生活的方方面面,非饱和带作为污染物进入地下水的主要通道,农业和工程问题重点关注对象,具有重要的研究意义。两相流方法作为研究两相不相溶液体和非饱和等问题的工具受到国内外研究者的广泛关注,然而国内外学者对两相流的研究关注点多集中于油藏方面。本文采用有限元方法对两相渗流进行模拟,通过二维孔隙尺度非饱和土体水分运移模拟研究不同静态接触角和不同颗粒级配情况下吸水过程和脱水过程的特征变化。本文主要得出以下结论:(1)接触角随水分运移过程发生改变,静态接触角越大,接触角变化范围越小。土体的持水能力与接触角的大小有关,吸水过程模拟当中,静态接触角为120°或30°均具有较强的持水能力,土壤水分特征拟合曲线中残余含水率更大;在脱水过程模拟中孔隙部分水相被包裹并滞留在孔隙内,静态接触角为60°的土体中水相更易聚拢成团被滞留在孔隙当中,持水能力更强。静态接触角为60°吸水过程动态接触角最小值66.22°等于脱水过程动态接触角最大值66.22°,静态接触角为30°吸水过程动态接触角的最小值44.66°大于脱水过程动态接触角的最大值41.48°,吸水过程接触角>脱水过程接触角。通过微观接触角特征对比分析,同一情境下,接触角越大的土体脱水过程负压值越小,接触角越小脱水耗时越长。通过吸水过程模拟对比,静态接触角为60°水分运移过程三相较为稳定。(2)吸水过程模拟过程,不良级配土体水相饱和程度更高,具有更强持水能力。分析三种颗粒级配脱水过程土壤水分特征曲线,得出等粒径土体的水分特征拟合曲线更平缓,土体更不易脱水。良好级配吸水曲线和脱水曲线之间的最大宽度值为三种级配中最高,达到0.2554,表明良好级配的土体水分滞后作用越显著。两个主要影响滞后效应因素中“墨水瓶”效应的影响比接触角的影响显著。比较良好级配和不良级配土体,颗粒粒径越不均匀孔隙分布越不规则,“墨水瓶”效应越明显。但由等粒径土体干湿模拟拟合曲线结果可得,通过颗粒粒径均匀程度考虑孔隙分布的均匀与否进而推断“墨水瓶”效应是否明显还需结合土体颗粒粒径分布、颗粒位置分布等因素判断。(3)吸水过程气相被水相驱替可以通过孔隙通道,而脱水过程气相驱替水相的过程,气相难以通过孔隙通道,致使水相不能从孔隙通道中排出,水相以毛管滞留水形式存在于孔隙通道当中。随着干湿过程次数增多,脱水过程后期水分滞后现象越明显,气相驱替孔隙通道的水相难度增加,更利于孔隙通道保留水分。

关键词： 离子型稀土   核磁共振   孔隙尺度   多场耦合   离子交换与运移  

摘要： 离子型稀土浸出过程中,溶浸液通过矿体孔隙渗流,稀土离子被解吸并随之浸出。稀土离子的浸出与溶浸液渗流、离子交换及运移过程密切相关。本研究以龙南某离子型稀土矿山作为研究对象,基于矿柱核磁图像构建孔隙渗流通道二维几何结构。利用COMSOL Multiphysics软件建立孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合数值模型。研究不同注液强度和浓度的溶浸液渗流,稀土及铝离子的交换和运移过程。主要结论如下:(1)对取回矿样进行核磁共振扫描,将核磁共振图像进行矢量化处理得到孔隙二维几何模型。基于Navier-Stokes方程,考虑离子交换反应及稀物质传递耦合作用模拟计算孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移过程,并与室内试验数据对比,验证了NMRI模型的可靠性。NMRI模型与室内试验结果浸出稀土离子浓度曲线都具有五个阶段,浸出峰值浓度分别为:7.89 g/L、7.75 g/L。NMRI模型体现了离子型稀土矿孔隙分布的不均匀性,更能够反映浸矿过程中稀土离子的交换与运移过程。(2)对不同注液强度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。注液强度导致孔隙各处流场的变化,随着注液强度增大,孔隙各处流速整体增大,促进对流为主的离子运移。离子扩散浓度差提高,促使交换反应正向进行,同时抑制稀土离子的反吸附。虽然注液强度增大使稀土离子更早浸出矿体,缩短浸矿周期加快浸矿过程,但导致浸出稀土离子峰值浓度降低。试验结果表明:将注液强度控制在0.50 m L/min至1.00 m L/min之间更加符合工程经济性。(3)对不同浓度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。溶浸液浓度对孔隙内整体流场所产生的影响不显著。镁离子浓度提高,加快离子正向交换速率,并且浸出稀土离子浓度梯度越大,分子扩散作用越显著,离子运移速率略有提升,加快稀土、铝离子的浸出效率。高浓度溶浸液虽然有助于稀土离子的浸出,但当矿体内稀土离子基本浸出后,稀土与铝离子之间的交换竞争矛盾削弱,铝离子有更好的交换条件,增大杂质(铝离子)浸出总量,增加后续除杂过程的复杂性。试验结果表明:将溶浸液浓度控制在0.12 mol/L至0.24 mol/L之间更加符合工程经济性。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   气液两相流  

摘要： 多孔介质气液两相流动作为关键共性基础研究之一，在能源和环境领域有着重要的应用。在能源利用方面，多孔介质两相流研究正从传统的以提高油气藏资源开采率为主的方向逐步向电化学能源储存和转化技术以及核能发电利用技术等方向拓展;在环境保护方面，二氧化碳的地质封存和地下水污染的监测及治理等同样离不开多孔介质中的两相流动。因此，本课题拟应用格子Boltzmann方法对多孔介质内气泡和液滴的流动过程进行模拟，开展液滴在多孔介质中的流动实验，探究孔隙尺度下流体渗流机理和基本规律。　　采用基于Shan-Chen伪势方法的单组分多相模型和改进的大密度比多组分多相模型，通过拉普拉斯定律验证模型的精度，获得流体间表面张力。通过模拟毛细管上升高度并与理论值对比，验证模型的准确性。通过接触角验证获得固体壁面接触角与固液作用系数之间的数学关系表达式。　　采用基于Shan-Chen伪势方法的单组分多相模型模拟多孔介质中气泡浮升流动过程。结果表明，气泡穿过多孔介质过程中速度上下波动，呈现出周期性振荡。气泡离开多孔介质上表面时，气泡速度达到最大值。多孔介质壁面接触角越大，气泡通过多孔介质所用的时间越长，气泡在接触角150°的多孔介质中流动时会被“捕获”。多孔介质孔隙率对气泡流动特性的影响较润湿性更为显著，孔隙率越高，固体基质的表面越平滑，对气泡黏附作用越小，越有利于气泡顺利通过多孔介质。　　采用基于Shan-Chen伪势方法改进的大密度比多组分多相模型模拟液滴在含通道多孔介质中动态输运过程。结果表明，液滴在受限通道内受自驱力作用会发生定向输运。通道倾斜角对液滴输运速度的影响较通道润湿性更为显著。对于液滴在含通道多孔介质中的动态输运过程，提高多孔介质的润湿性，有利于液滴在其任意方向上的吸收扩散。当多孔介质孔隙率为0.95时液滴无法完全流出通道。梯形和矩形通道结构更有利于液滴的动态输运。当液滴受到重力时，含倒梯形通道的多孔介质中液滴停留在通道侵入过程。　　针对液滴在含微孔的多孔双膜结构中的流动过程开展实验研究。结果表明，当微孔内壁亲水时液滴才能实现动态输运。且微孔宽度越大，液滴表观接触角减小到零用时越少，液滴在微孔宽度为0.32mm条件下所需时间滞后于微孔宽度为0.56mm条件的三倍之多。

关键词： 液氮致裂   数值模拟   吸附特性   孔隙结构  

摘要： 煤层气作为煤炭的伴生资源,其高效利用不仅可以减少矿井灾害,而且还可以减少污染、保护环境。我国煤层普遍存在低渗透率和透气性的特点,如何提高煤层气抽采效率,逐渐成为行业共识和学界研究热点。本文以云南布沼坝低阶褐煤、安徽许疃中阶烟煤与山西阳泉高阶无烟煤为研究对象,探究煤体液氮致裂孔隙结构与吸附特性及工程尺度致裂规律。首先,分析液氮致裂对不同温度梯度、不同煤阶影响机理。其次,通过压汞实验和甲烷吸附实验定量表征了液氮致裂前后煤体孔隙变化与吸附特性。借助煤体吸附瓦斯测试仪和压汞测试仪开展不同温度梯度、不同煤阶煤样甲烷吸附实验,揭示了液氮致裂对不同温度梯度、不同煤阶的吸附特性规律。最后,构建液氮致裂煤层热力学模型,建立不同地温、不同钻孔间距与不同钻孔直径的液氮致裂增透煤层的数值模拟。本文主要研究成果如下:(1)通过压汞实验和甲烷吸附实验,对液氮致裂前后煤体孔隙结构演化特性和吸附特性进行研究,其研究表明:液氮致裂使煤体孔隙结构发生改变,吸附能力有所降低。具体表现为液氮致裂后煤体的微孔、小孔以及中孔的孔径占比减少,大孔的孔径占比增加,分形维数减小,吸附平衡压力升高以及吸附量降低。煤体的孔隙贯通性和透气性增加,从而达到增透煤体的效果。(2)研究了不同温度梯度煤体液氮致裂的吸附特性,其研究表明:煤体温度梯度越大,液氮致裂后产生的热应力越大,孔隙结构发生破坏,吸附量就越少。液氮致裂对煤层的温度场和应力场影响范围越大,煤层的渗透率增加。液氮致裂后随着煤体温度梯度的升高,煤体对甲烷的吸附量减小。(3)研究了不同煤阶煤体液氮致裂的吸附特性,其研究表明:不同煤阶液氮致裂后,煤体的吸附量均减小,吸附势减小,吸附空间减小,煤体对甲烷的吸附位也随之减小,甲烷更不容易吸附至煤体孔隙。液氮致裂前后煤体对甲烷吸附量与煤体变质程度均满足“U”形关系,即煤体变质程度增加,煤体对甲烷的吸附量呈先减小后增大的趋势。(4)通过对液氮致裂的工程尺度数值模拟,其研究表明:钻孔间距逐渐增大,液氮致裂效果逐渐减弱、致裂范围逐渐增大;钻孔直径越大,液氮致裂的效果和范围越好。但是面对现场施工时,钻孔直径和钻孔间距的增加会带来成本的急剧增加,因此,针对煤层的不同的情况,合理选择钻孔直径和钻孔间距可以提高液氮致裂效果,从而节约成本。本论文有图34幅,表2个,参考文献91篇。

关键词： 真空冷却   数值模拟   结构重建   热质传递   烘焙食品  

摘要： 真空冷却技术是一项通过水分在低压状态下迅速蒸发而获取冷量的快速冷却技术,具有高冷却效率、节能和环保等优势而备受关注。然而,由于存在水分蒸发而造成食品高失水率的问题,限制了其商业价值。因此,如何实现真空冷却技术与装备的升级一直是国内外学者的研究关注点。本文以高附加值的含湿多孔介质芝士蛋糕为实验对象,通过显微图像结合图像算法重建食品的孔隙结构,使用计算机仿真软件建立真空冷却过程的多尺度数值模型,并搭建多尺度真空冷却观测平台以实现模型验证与冷冻过程控制。本研究通过探索真空冷却过程食品的热质传递规律与品质变化,以期为适用于烘焙食品真空冷却技术与装备的更新迭代提供理论和技术支撑,得出主要结论如下:1.芝士蛋糕的微观结构中具有大小不一、均匀分布的孔隙空间,其微观结构符合多孔介质模型假设。Voronoi镶嵌和椭圆拟合两类镶嵌算法均能形成较好的二维拓扑结构,其优化算法结果与真实结构更为接近。经图像定量比较分析得知,两种椭圆拟合算法更适用于孔隙空间的近似拟合（p>0.05）。其中,随机椭圆拟合（REF）算法具有消除伪影和降低计算机资源的优势,更适合作为芝士蛋糕孔隙空间的近似拟合算法。2.建立蠕动流模型以分析不同压力梯度下流体在孔隙结构中的流动情况,在孔隙空间中的喉部区域,流体的流速较大,流体在出口边界上倾向位于居中区域流出,不同压力梯度下流体在孔隙结构中的流动速度满足正比例关系(P=1.8×10μ)。通过Darcy定律计算孔隙结构的表观特性参数(渗透率k=2.55×10 m),实现多尺度桥接。3.建立多孔介质模型描述真空冷却过程的气液两相转变与迁移以成功预测样品在真空冷却过程中的温度、水分迁移及腔体压力变化。在真空冷却过程中,模型预测的腔体压力（R2=0.9998）、温度（表面R2=0.9948、中心R2=0.9855）和水分含量（R2=0.9845）变化与实验结果均具有较强的一致性。4.搭建了多尺度真空冷却平台,具备多尺度水分迁移检测系统和温度变化检测系统。此设备能通过重量传感器和核磁共振（NMR）检测水分状态与水分含量变化;通过温度传感器和红外测温仪检测温度变化及温度场分布。真空冷却处理后,样品表面的黄色色泽变淡,明亮度增加;硬度、脆度、粘度和紧固性均有所降低;表面形态基本不变,内部的孔隙结构变大。

关键词： 三维编织复合材料   孔隙缺陷   力学性能   多尺度方法  

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度、高比强度、结构可设计性、耐化学性能等优势，在航空航天、电子、医疗、交通等多领域内得到广泛的应用。然而在制造过程中，不可避免会产生各种制造缺陷，例如孔隙缺陷。这些缺陷成为影响复合材料力学性能的关键因素之一。同时，三维编织复合材料的力学性能也受到其结构复杂性的影响。基于此，本文以含孔隙缺陷三维编织复合材料为研究对象，分别提出了一种结合理论模型和有限元方法的自微观到宏观的多尺度方法以及一种耦合各个层级的高阶三尺度降阶均匀化方法。此外，建立了损伤模型对三维编织复合材料的损伤破坏行为进行研究。　　首先，利用 Mori-Tanaka 方法和扩展双夹杂方法建立理论模型，对含孔隙纤维束的刚度进行预测，讨论孔隙率、孔隙形状、孔隙位置和界面力学性能对纤维束刚度的影响。同时建立纤维束的有限元模型，通过在基体单元中随机选择满足孔隙率的单元并降低其力学性能来模拟孔隙，并分析几何模型和边界条件对有限元计算结果的影响。然后，结合所建立的理论模型和有限元方法，对三维编织复合材料的刚度进行研究。　　其次，为了研究三维编织复合材料的损伤行为，以 Hashin 失效准则作为纤维束的损伤起始判据，最大主应力损伤准则作为基体的损伤起始判据。采用线性损伤演化模型，并根据 Murakami-Ohno损伤模型，编写 UMAT子程序实现对三维编织复合材料的损伤分析。对 Chamis 强度模型进行修改以计算含孔隙纤维束的强度。　　最后，详细推导高阶三尺度降阶均匀化理论，并在理论的基础上建立多尺度算法，包括初始化、每个宏观尺度积分点的应力更新和后处理三个阶段。本文在 ABAQUS 中实现三尺度降阶均匀化方法，自行编程实现高阶三尺度降阶均匀化方法。通过有限元直接计算的结果比较，证明编程计算结果的准确性。然后对三维编织复合材料的宏观结构件进行了线弹性和非线性损伤分析。

关键词： 脱盐电池   格子Boltzmann方法   纤维状电极   电容去离子技术   化学吸附  

摘要： 世界对淡水资源日益增长的需求与淡水资源日渐减少的矛盾引发了严重的淡水资源短缺问题，但也为海水淡化技术的发展提供了契机。得益于低能耗、可再生、结构简单等特点，电容去离子技术(CDI)已成为替代传统海水淡化技术的有前途的技术。为了提高脱盐性能，有学者提出了基于化学吸附的新型脱盐电池，即利用插层机理将离子存储在电极材料的原子平面间的晶体位点，从而获得了更高的脱盐能力，并且利用电池电极还能将能量回收，降低能耗。　　脱盐电池的材料选择很大程度上决定了脱盐性能，而电极形态也在一定程度上影响着脱盐性能，本文针对纤维状电极，通过改进的纤维介质随机重构方法进行纤维状电极的随机重构，生成二维以及三维纤维状电极，并基于LatticeBoltzmannMethod（LBM）在孔隙尺度对电极内部渗流、传质以及电化学反应进行研究，从孔隙尺度观察初始浓度、入口流速以及电流密度等运行参数，电极孔隙率、纤维直径等结构参数对脱盐过程的影响，主要的工作如下所示：　　(1)通过对比不同的多孔介质重构方法，选择了适用于纤维状介质的随机重构方法，围绕脱盐电池纤维状电极提出了改进的二维、三维纤维介质随机重构方法，利用改进的纤维状电极重构方法生成了简化的二维纤维状电极以及三维纤维状电极模型。　　(2)基于简化的二维纤维状电极，选定计算域，基于格子玻尔兹曼方法建立孔隙尺度格子玻尔兹曼模型以研究电极内部孔隙以及纤维内部发生的物理及化学反应，考察了不同结构参数(孔隙率、纤维直径等)对孔隙内部渗流、钠离子浓度分布情况的影响，好差不同运行参数(入口流速，初始浓度)对钠离子浓度分布情况以及脱盐性能的影响。　　(3)基于三维纤维状电极，建立三维格子玻尔兹曼模型，从孔隙尺度研究脱盐过程中发生的物理以及化学反应，研究了电极内部钠离子浓度分布情况，包括孔隙内部以及纤维内部的钠离子浓度分布情况。并考察了不同电流密度以及孔隙率，纤维直径等因素对孔隙内部和纤维内部钠离子浓度分布情况以及对脱盐性能的影响。　　通过上述二维以及三维工作得到了脱盐电池纤维状电极内部脱盐机理。

关键词： 压裂改造   页岩储层   四连通域   分叉裂纹   气体吸附   多尺度运输   有限元方法   产量预测和评估  

摘要： 随着常规石油天然气资源的日渐枯竭,以页岩气为代表的清洁能源开采利用规模逐渐攀升,以满足人类不断提高的资源需求。其中,页岩储层中的多尺度裂缝-基质传质理论突破是页岩气勘探开发,特别是产能评价的核心要点。事实上,页岩气藏的开发是一个复杂的多尺度多物理耦合过程,由于页岩基质是一个包含大量微裂缝的纳米多孔结构,只有对页岩基质-裂缝体系的相互作用形式有深入的认知,才能进一步发展和提出适用于描述页岩气在页岩基质中运移和开采行为的力学理论模型。随着水力压裂和水平钻井等先进技术在页岩气藏开发中的应用,在页岩的压裂过程中,水力裂缝一旦形成,它就会从基质扩展并与微裂缝连接,并逐渐延伸至生产井,最终形成页岩气输运的完整通道,因此如何理解页岩中裂缝-基质多尺度输运行为不仅是关乎非常规油气资源开采的科学问题,也是一个关键的力学问题。页岩气开采过程中的传质行为被称为四联通域传输,是一个横跨纳米尺度(有机质)、微观尺度(非有机质)、介观尺度(微裂缝)和宏观/储层尺度(水力裂缝和生产井)的跨尺度运移过程。该运移过程涉及一系列的关键科学问题亟待解决,包括跨尺度的气体转移、传输、基质收缩和最终产出预测等。如何描述页岩气在储层不同尺度孔隙中的运移,并表征页岩气运移导致的页岩地层变形,是页岩气藏高效开采的先决条件。本文综合考虑了气体的储存方式、储层的多域性(有机质、无机质、微裂缝、水力裂缝和生产井)、气体运移方式等重要因素,建立了数值模型并对页岩气产量进行了预测。本文采用基于有限元方法求解描述页岩气运输的偏微分方程,同时也提出了一种长短时记忆(LSTM)网络来提高计算效率的方法,以实现对页岩气最终产量的快速预测。以下是本文工作的主要贡献。1.系统揭示了气体在页岩有机质中的贮存和吸附机理。对于页岩气在有机质孔隙中的储存,采用Langmuir等温线(单层)和Brunauer-Emmett-Telle等温线(多层)描述了气体在有机质层中的吸附,并在此基础上,推导了新的过量吸附方程和绝对吸附方程,定量表征了以往研究中忽略的溶解气体的贡献。本文得到的气体吸附模型与实验结果吻合较好。模型表明随着压力的增加,吸附气含量急剧增加,而后在一个过渡阶段轻微减少,这个阶段之后,吸附气体的含量不再受压力增大的影响。在一定压力条件下,过量吸附和绝对吸附对孔隙中气体的含量起着至关重要的作用,但绝对吸附比过量吸附产生更多的气体。气体总吸附量远大于单纯吸附量或溶解气含量,说明溶解气体在储气研究中至关重要,其贡献不可忽略。此外,压力的变化决定了溶解气向吸附气和自由气的转变。在采出过程中,采出井周边地区的吸附气压力低、浓度低,而远离采出井地区的吸附气压力高、浓度高。本研究表明,压力、层数和体积是影响气体储存量的主要因素。2.建立双连通域模型对气体的基质-裂纹运移行为进行了深入分析。针对地下储层具有多条纵横交错的随机天然裂缝的特性,提出了六组基质-裂缝模型(双域),其中两组长裂缝在其中部区域正交连通,其余四条短裂缝则以偏移或相交的方式在其端部连通。此外,注入井和采出井分别位于模型左右边界的底部和顶部。由于考虑的压力和温度均低于超临界条件,裂缝中气体的储存行为采用Langmuir等温吸附模型来描述。与随机裂缝不同,纵横交错裂缝提高了基质中气体通过裂缝迁移到采出井的速度,从而提高了气体的整体交换和输送效率。同时,裂缝和基质性质直接影响页岩气的采收率,按照影响能力可排序为裂缝长度、基质孔隙度、基质渗透率、吸附体积、天然裂缝数量,而裂缝间距的增大则会显著降低页岩气的采收率。该模型的研究,体现了工程力学在微观和宏观尺度上分析输运的优势。3.发展双连通域模型来描述页岩气的多尺度传输行为。通过将基质分为有机质和无机质,将裂纹分为自然裂纹和激发裂纹,双连通域模型被扩展为多尺度的四连通域模型,用于研究基质变形和页岩气的储存、交换、输运和回收行为。在页岩气开采过程中,激发裂纹中的自由气首先逸出,降低了采出井和激发裂纹周围的压力,而后,自然裂纹中的高压气体运移到压力较低的激发裂纹中,最终汇聚到采出井。当自然裂纹中的压力降低时,无机质中的高压气体开始参与传输。最后,当非有机质中的压力降低到临界压力以下时,有机质中的高压气体逐渐开始扩散。实际页岩储层的各个域是相互关联的,气体可以在域间交换,本文建立的数值模型可以很好的描述这一特性。研究结果表明将储层分为双连通域和四连通域的结果有很大的差异,表明建立四连通域模型是必要的。总的来说,基质和裂缝性质,特别是裂缝的几何形状以及无机质和有机质的孔隙度,对页岩气的采收率有积极影响,而孔隙体积和变形性质则对采收率产生了消极影响。这种多域建模方法对于揭示从纳米尺度到宏观尺度的气体交换机理至关重要,也为现场施工参数的优化提供了指导。4.对页岩裂缝-基质结构的四连通域模型进行了修正,使其包含未激发

关键词： 大孔隙树脂混合料   集料形态特征   骨架结构   力学行为   离散元方法  

摘要： 车辙目前仍是路面常见的病害之一。传统沥青混合料路面的高温稳定性较差,在路面温度较高且车流量较大的时候,车辙最容易产生和发展,特别是在桥头搭板处,交叉路口以及上下坡处等地方。车辙不仅会影响行车舒适度和交通安全性,还会形成坑槽导致路面积水,从而导致沥青路面整体水损坏。和沥青相比,环氧树脂强度较高,高温稳定性较好。使用环氧树脂作为结合料的大孔隙树脂混合料能够形成稳定的骨架结构,具有良好的抗车辙能力。同时,大孔隙树脂混合料内部充斥着大量的孔隙,又可以提供良好的排水性能和降噪性能。因此,大孔隙树脂混合料在未来的城市化进程及道路建设中具有广阔的利用前景。 大孔隙树脂混合料是由集料、环氧树脂砂浆和孔隙组成的多相复合材料,其力学特性与演化行为不仅与级配特征、集料和环氧树脂结合料的宏观性质相关,也在较大程度上取决于各相材料的细观形态特征与空间分布等细观因素,宏观上能观察到的破坏现象往往是其细观结构损伤演化的结果。然而,传统试验手段难以捕捉到大孔隙树脂混合料细观结构的细微变化,也难以揭示细观结构对大孔隙树脂混合料力学特性与演化行为的影响机制。因此,本文基于集料形态信息数据库,重构了集料骨架结构模型和大孔隙树脂混合料数字试件,通过宏观力学响应及细观结构分析,对大孔隙树脂混合料的力学特性及演化行为进行了系统性的研究。 首先,基于激光扫描成像技术及数字图像处理技术,统计分析了四种集料的二维形态特征,并建立起包含集料颗粒形态特征的集料形态信息数据库,通过Auto CAD软件和PFC2D软件实现了集料颗粒的数值化重构,为后续从细观尺度开展相关研究提供了基础。 其次,通过室内试验和数值仿真试验研究了骨架结构的力学特性及孔隙分布,同时在PFC2D软件中进行了最优主骨架的可视化设计,分析了不同级配骨架结构之间承载能力的差异,进而确定影响骨架结构性能的主要因素。 然后,对大孔隙树脂混合料配合比和环氧树脂用量进行设计,并基于逆向体视学原理,将三维质量级配转换为二维面积级配,在PFC2D软件中生成由集料、环氧树脂砂浆和孔隙三相组成的大孔隙树脂混合料数字试件。 接着,基于大孔隙树脂混合料动态模量室内试验结果,分析温度和加载频率对大孔隙树脂混合料动态模量和相位角的影响。基于时温等效原理,利用Sigmoidal模型和WLF公式拟合得到不同温度下的大孔隙树脂混合料动态模量预估模型,并借助PFC2D软件从细观尺度研究了大孔隙树脂混合料的粘弹性力学特性与演化行为。 最后,通过室内试验和数值仿真试验研究了大孔隙树脂混合料的抗弯特性、抗拉特性和抗剪特性,并通过应力场和温度场耦合分析,探讨了大孔隙树脂混合料在荷载和温度共同作用下的力学特性及演化行为。 根据上述试验结果,本文主要得出以下结论:粒径大于4.75mm的集料是构成骨架结构主骨架的主要成分,它们之间的嵌挤作用可以显著提升骨架结构的承载能力。粒径范围在4.75mm～2.36mm之间的集料是构成骨架结构主骨架的次要成分,它们可以填充主骨架的孔隙,约束粗集料的位移,从而使骨架结构更为稳定,即使骨架结构被破坏也仍能保持一定的承载能力。粒径小于2.36mm的集料虽然也可以填充主骨架的孔隙,但是一旦掺量过多,反而会将粗集料挤开,干涉它们之间的嵌挤作用,进而降低骨架结构的承载能力。通过对离散元仿真试验进行细观断裂力学特性与演化行为分析,发现集料主要负责承担和传递压应力,环氧树脂砂浆主要负责承担和传递拉应力。集料与环氧树脂砂浆的界面最容易发生接触失效,从而导致微裂缝沿着集料与环氧树脂砂浆的界面进行开展。在低温下,大孔隙树脂混合料内部起主要作用的是集料,在高温下起主要作用的是环氧树脂砂浆。当处在低温低频或高温高频状态下时,大孔隙树脂混合料内部更容易产生微裂缝。