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浅议土的复杂性

岩土工程学报 2024年第5期46卷 1085-1093页

作者：李广信清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084

土的复杂性使人很难对其严密地定名与分类,几乎不可能精准地预测其行为。土的复杂性来源于其是天然的产物和碎散的颗粒集合体。土的天然属性使其具有三相组成,土中水成为土力学中理论上的难点,也常常是一切地质灾害与工程事故的根源。... 详细信息

土的复杂性使人很难对其严密地定名与分类,几乎不可能精准地预测其行为。土的复杂性来源于其是天然的产物和碎散的颗粒集合体。土的天然属性使其具有三相组成,土中水成为土力学中理论上的难点,也常常是一切地质灾害与工程事故的根源。土力学教学中所谓的土是被简单化了的,与大自然中的原状土有着很大的差别。土的碎散性使其受力变形性状与物理性质相耦合,在受力变形的过程中其组成、状态、结构都处于不断地变化中,这就是其力学性质非常复杂的主要原因。通过DDA(Discontinuous deformation analysis)分析揭示了土颗粒运动与土的各种变形特性间的联系;土的湿化试验表明了塑性应变是度量土的应力-应变特性的主要因素。人类与土之间有着长期的密切的关系,土作为人类的载体、材料、工具与武器,是人类须臾不可离开的东西。在长期的生活与生产过程中,人们积累了关于土的丰富的经验,也吸取了很多教训。至今经验性的方法仍然是在岩土工程的综合判断与工程决策中的基本方法。

关键词：复杂性自然的产物碎散组成经验论岩土三角形

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黄河下游河道冲淤分布模式及冲淤特征

水利学报 2024年第4期55卷 468-480页

作者：马子普吴保生沈逸薛源覃超汪舸清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084

为揭示黄河下游河道的沿程冲淤分布模式及分布特征,对黄河下游1952—2021年间共70年的河段实测冲淤量数据进行了系列统计分析。研究表明:(1)黄河下游河道存在7种沿程冲淤分布模式,其中全线冲刷、全线淤积、上冲下淤、上淤下冲等4种为基... 详细信息

为揭示黄河下游河道的沿程冲淤分布模式及分布特征,对黄河下游1952—2021年间共70年的河段实测冲淤量数据进行了系列统计分析。研究表明:(1)黄河下游河道存在7种沿程冲淤分布模式,其中全线冲刷、全线淤积、上冲下淤、上淤下冲等4种为基本模式。上淤下冲模式的冲淤临界位置在孙口附近,上冲下淤模式的冲淤临界位置在游荡性河段。各模式对河道整体冲淤的贡献率存在较大差异,两边冲中间淤模式对冲刷量的贡献率最大,全线淤积模式对淤积量的贡献率最大;(2)1952年以来,黄河下游河道沿程冲淤分布模式的变化过程可分为1952—1959年、1960—1985年、1986—1999年、2000年后共4个阶段;(3)各河段冲淤量大小以0点为中心近似呈偏态分布,冲淤量在多年尺度下具有沿程减小的趋势性特征以及“冲久必淤、淤久必冲”的周期性特征;(4)各河段整体冲淤发生年数差别不大,反映了河道冲淤的平衡趋向性;70年内淤积于黄河下游河床底部的泥沙有一半左右被冲走,花园口到孙口河段的累计冲淤量接近下游总冲淤量的8成,孙口以下河段很小;(5)全线冲刷模式为小浪底水库运用后下游河道的主要冲淤模式,小花段前期淤积的泥沙基本被冲完,夹高段、高孙段及孙艾段仅冲走了前期淤积泥沙的二到三成。研究结果总结了黄河下游河道的沿程冲淤分布模式,分析了冲淤分布特征,有助于深化对下游河道冲淤现象的整体认识。

关键词：黄河下游冲淤量沿程分布模式全线冲刷全线淤积

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舱外航天服除湿装置除湿及再生特性

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 165-170页

作者：张震杨润泽卞强臧华兵梁志伟李广利尚文锦中国航天员科研训练中心北京100094 人因工程全国重点实验室(中国航天员科研训练中心) 北京100094

在舱外航天服环境控制与生命保障系统中,除湿装置能够对介质气体中湿气进行去除,可有效提高CO_(2)分压传感器的测量灵敏度。为适应舱外航天服的使用模式、出舱时间,同时延长除湿装置在舱外航天服中的使用次数,提出了使用舱外航天服氧瓶... 详细信息

在舱外航天服环境控制与生命保障系统中,除湿装置能够对介质气体中湿气进行去除,可有效提高CO_(2)分压传感器的测量灵敏度。为适应舱外航天服的使用模式、出舱时间,同时延长除湿装置在舱外航天服中的使用次数,提出了使用舱外航天服氧瓶剩余氧气进行硅胶吹扫再生的方法,为分析除湿装置的除湿特性、再生特性以及使用模式对其性能影响,首先对比了氯化钙、变色硅胶和细孔硅胶等干燥剂的物理特性和除湿性能;其次,采用纯氧吹扫的方式对变色硅胶进行了除湿再生试验研究;最后,对比分析了除湿装置使用模式对其除湿性能的影响特性。试验结果表明:CaCl_(2)颗粒的除湿效果优于变色硅胶,但吸湿后CaCl_(2)干燥剂会出现坍塌短路的现象;在相同试验条件下,变色硅胶的连续除湿时间为32 h,而细孔硅胶的连续除湿时间为23 h;除湿过程经过暂停后,除湿特性发生变化,间断模式的出口绝对湿度随着除湿时间的增加而有所增大,并且高于正常模式下的出口绝对湿度。变色硅胶的物理特性稳定且在满足除湿要求下的除湿时间较长,更适用于该系统中的除湿装置;且变色硅胶经过纯氧吹扫后可循环使用,具备多次除湿功能;间断模式会造成硅胶内部含水量的重新分配,降低除湿装置内硅胶的整体吸湿能力。本研究为舱外航天服环境控制与生命保障系统中除湿装置干燥剂的选择以及再生特性的优化提供了基础数据和理论指导。

关键词：舱外航天服除湿装置硅胶除湿再生

致密储层水平井外裂缝与地层界面远探测声波测井响应特征研究

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地球物理学报 2024年第6期67卷 2439-2454页

作者：张梦生刘鹏范华军李振赵浩姜京伟冯周王克文李雨生武宏亮中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室北京102249 中国石油勘探开发研究院北京100083 成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室成都610059

致密砂岩和页岩等非常规储层中常发育有密集小尺度和高角度裂缝.这些裂缝一方面起到增加储层渗透性的积极作用,另一方面在油气开采、水力压裂、注二氧化碳等过程中,它们又可能引起水平井孔套变和邻井压窜等风险.因此,考察这些裂缝的水... 详细信息

致密砂岩和页岩等非常规储层中常发育有密集小尺度和高角度裂缝.这些裂缝一方面起到增加储层渗透性的积极作用,另一方面在油气开采、水力压裂、注二氧化碳等过程中,它们又可能引起水平井孔套变和邻井压窜等风险.因此,考察这些裂缝的水平井远探测声波测井响应特征,以及进一步利用远探测方法识别这些裂缝具有重要研究意义.本文构建了致密储层水平井外存在裂缝的三维数值模型,并开展了正演模拟研究.结果表明,当裂缝与井孔夹角较小时,井孔内接收器主要接收裂缝反射波.当夹角大于某临界值后,接收波形主要为来自裂缝两个端点的散射波,它们分裂为两个波包.进一步提出广义SH散射波概念,即声源的偏振方向与裂缝走向平行的横波,它总是代表了所有方位上散射能量最强的方位.水平井外同时存在裂缝和强声阻抗地层界面是更为普遍的情况.相关模拟结果表明,裂缝散射波的主要能量集中在广义SH散射波上.随着地层界面和裂缝走向差异的增大,裂缝对应的广义SH散射波更容易识别.最后,通过一口水平井远探测实例验证了正演模拟结论的准确性.本文研究对识别和评价非常规储层水平井外小尺度裂缝具有重要理论意义.

关键词：水平井远探测声波测井裂缝地层界面散射波广义SH散射波

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空间植物栽培装置方案与验证

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 158-164页

作者：唐永康蔡旭哲吴浩吴志强艾为党沈韫赜毛瑞鑫胡清华王隆基人因工程全国重点实验室(中国航天员科研训练中心) 北京100094 中国航天员科研训练中心北京100094

为满足空间植物培养的需求,基于空间微重力环境和平台资源约束,开展了根部水分和养分控制、栽培室大气环境控制、光环境控制等方面的空间植物栽培装置方案研究。研制了具有水分/养分供应、大气环境控制、光源、测量与控制、栽培室和根盘... 详细信息

为满足空间植物培养的需求,基于空间微重力环境和平台资源约束,开展了根部水分和养分控制、栽培室大气环境控制、光环境控制等方面的空间植物栽培装置方案研究。研制了具有水分/养分供应、大气环境控制、光源、测量与控制、栽培室和根盘等6个功能模块的空间植物栽培装置。开展了装置的集成与调试,对装置各功能模块设计合理性进行验证。最后利用组合体试验平台,进行装置各功能模块集成性能验证、植物功能评价验证(生物学特性、物质和能量交换、营养品质和生物安全性等)及植物栽培流程验证(流程合理性、资源需求及保障、与环境之间的相互影响)。验证结果表明:水分供应、养分供应、大气环境控制、植物光照控制和参数测量控制等性能良好,能够满足植物培养对各类生长环境条件的需求;生菜生长旺盛,生产效率101.31 g(鲜质量)·(kWh)^(-1)·d^(-1)·m^(-2),光能利用率0.31 g(干质量)·mol^(-1)光子,富含各种营养,食用安全。装置方案和植物栽培流程合理可行,性能良好,具有较高的植物生产能力。研究结果为后续开展空间植物栽培装置研制奠定了技术基础。

关键词：空间植物栽培装置方案

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双井周期注CO_(2)联合降压法开采天然气水合物分析

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天然气工业 2024年第3期44卷 199-213页

作者：张逸群杜红星王海柱李根生海洋天然气水合物全国重点实验室·中国石油大学(北京) 油气资源与工程全国重点实验室·中国石油大学(北京)

相较于单纯地封存CO_(2),CO_(2)置换法开采天然气水合物(以下简称水合物)能够满足水合物资源开采和碳封存的双重需求。为确保安全高效开发水合物的同时提高CO_(2)封存率,按照双井周期注入CO_(2)联合降压法开采水合物的思路,以中国南海... 详细信息

相较于单纯地封存CO_(2),CO_(2)置换法开采天然气水合物(以下简称水合物)能够满足水合物资源开采和碳封存的双重需求。为确保安全高效开发水合物的同时提高CO_(2)封存率,按照双井周期注入CO_(2)联合降压法开采水合物的思路,以中国南海典型水合物藏为研究对象,建立了矿藏尺度水合物注采热—流—固—化四场耦合数值模型,并开展了连续、间歇、循环3类注入开采方案和单井降压开采方案的对比分析,然后模拟分析注CO_(2)辅助水合物降压开采的增产效果,最后对比了不同注入方案的CO_(2)回收和封存情况,探索了水合物法碳封存的可行性。研究结果表明:(1)邻井CO_(2)的注入有助于降低产水量并缓解降压开采引起的地质沉降;(2)间歇注入较循环注入可促进储层中CO_(2)水合物生成,扩大注入井附近的高温区域,有利于生产井附近水合物的分解;(3)连续注入方式有利于分解气体的产出,但双井注采模式降低了甲烷水合物分解程度;(4)双井注采的CO_(2)注入分为快速注入阶段、反转阶段和缓慢注入阶段,其中双井间歇注入方案的CO_(2)注入效率最高。结论认为,双井间歇注入CO_(2)复合降压法能够在安全、高效开采水合物的同时具有相对可观的碳封存效果,是一种实现水合物商业化开采和助力双碳目标实现的潜在方法,研究成果对于天然气水合物开发及CO_(2)地质封存具有理论指导意义。

关键词：天然气水合物降压开采 CO_(2) 双井循环注入产能模拟碳封存水合物分解地质沉降

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冲击式水轮机水斗设计方法及性能优化

清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 852-859页

作者：孙启轩谭磊清华大学能源与动力工程系水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084

雅鲁藏布江下游蕴藏着丰富的水电资源,具有高水头、大容量等特点,冲击式水轮机是优选机型。转轮是冲击式水轮机的核心过流部件和做功部件,水斗形状对转轮性能至关重要。该文将水斗三维几何形状的构造线划分为轮廓线、过流剖面线和引导线... 详细信息

雅鲁藏布江下游蕴藏着丰富的水电资源,具有高水头、大容量等特点,冲击式水轮机是优选机型。转轮是冲击式水轮机的核心过流部件和做功部件,水斗形状对转轮性能至关重要。该文将水斗三维几何形状的构造线划分为轮廓线、过流剖面线和引导线3类,给定若干特征参数,提出了一种可控参数的冲击式水轮机水斗三维设计方法。选择水斗深度、宽度增量、出水边角度、分水刃角度和缺口圆直径等参数对冲击式水轮机水斗开展正交优化。由极差分析可知,宽度增量对转轮效率的影响最大,对出水边角度、缺口圆直径和水斗深度的影响较小,对分水刃角度的影响最小。优化后,冲击式水轮机的水力效率增加了6.71%。相比于原型水斗,优化水斗的总扭矩更大,在扭矩减少至0的过程中平缓过渡,有利于提高机组的水力效率和运行稳定性。

关键词：冲击式水轮机水斗设计方法正交优化数值模拟

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BDD电催化耦合电解析处理载人航天器中冷凝废水的研究

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载人航天 2024年第2期30卷 174-182页

作者：王传增周文兴余青霓魏巍卞强杨润泽中国航天员科研训练中心人因工程全国重点实验室北京100094

为解决在硼掺杂的金刚石电极(BDD)电催化处理冷凝废水中,由于冷凝废水电导率低而导致处理能耗较高的问题,提出了BDD电催化耦合电解析的新方法处理冷凝废水。在BDD反应器内填充吸附有无机盐的混合阴阳离子交换树脂,电催化处理冷凝废水时... 详细信息

为解决在硼掺杂的金刚石电极(BDD)电催化处理冷凝废水中,由于冷凝废水电导率低而导致处理能耗较高的问题,提出了BDD电催化耦合电解析的新方法处理冷凝废水。在BDD反应器内填充吸附有无机盐的混合阴阳离子交换树脂,电催化处理冷凝废水时吸附在树脂上的离子在电场作用下解析下来进入废水中,并进行交替的吸附、解析及定向运动,从而改善废水的导电性,电极两端电压显著降低,停止加电后,离子又能重新交换吸附在树脂上。以Na_(2)SO_(4),Na_(3)PO_(4)以及NaNO_(3)作为电解质时,对总有机碳(TOC)去除没有影响;而以NaCl作为电解质时,TOC去除率随着NaCl添加量的增加而降低。

关键词：冷凝废水 BDD 电催化耦合电解析离子交换

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幂律流体在椭圆井眼同心环空中螺旋层流流动压降

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石油学报 2024年第3期45卷 586-594页

作者：汤明郭欣钰谢玉森赵晨敏敬亚东何世明西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室四川成都610500

环空压降的准确预测是精准控制井底压力的基础,能够有效防止井漏、溢流,甚至井喷等井下复杂和事故。常规环空压降预测多以圆形井眼为基础,未考虑井眼形状不规则的影响;由于岩石力学特性参数和地应力的非均质性,易形成椭圆形井眼。以流... 详细信息

环空压降的准确预测是精准控制井底压力的基础,能够有效防止井漏、溢流,甚至井喷等井下复杂和事故。常规环空压降预测多以圆形井眼为基础,未考虑井眼形状不规则的影响;由于岩石力学特性参数和地应力的非均质性,易形成椭圆形井眼。以流体动力学为基础,建立椭圆井眼中幂律流体螺旋层流流动压降数值模型,利用流体力学仿真结果和实验结果对数值模型进行验证;以数值模型为基础,开展流动压降影响因素分析,明确不同参数对流动压降的影响规律;采用最小二乘法建立无量纲压力梯度拟合模型。研究结果表明,数值模型与仿真模拟和实测结果误差介于±5%。压力梯度随流体稠度系数的增加呈线性增大,随流体流性指数和环空内外径比率增大呈指数数型增大,随轴向平均速度增大呈对数型增大,随椭圆长短轴之比和内管转速增大呈指数型降低。无量纲压力梯度几乎不随流体稠度系数的变化而变化,拟合模型与数值模型误差仅为±5%。适用参数范围为0.8 m/s≤v_x≤1.4 m/s,40 r/min≤ω≤120 r/min,0.5≤K_d≤0.8,1.0≤η≤1.2和0.5≤n≤0.8。椭圆井眼同心环空螺旋层流无量纲压力梯度拟合模型能够实现流动压降的准确便捷预测。

关键词：椭圆井筒同心环空螺旋层流数值模型拟合模型