数值模拟研究现状（共12篇）
地下水流数值模拟的研究现状和发展趋势
数值模拟方法是评价地下水资源量、模拟自然界一些水文地质过程发生和发展的主要方法和手段之一.作者着重论述了三维流模型开发、流速场与流线的计算方法、非均质参数的区域概化、繁杂数据的`优化处理等热点问题以及MODFLOW等软件在三维流中的应用.提出三维水流模拟软件(如MODFLOW)与遥感、地理信息系统及全球定位系统结合起来是地下水流数值模拟的未来发展趋势.
作 者：魏林宏 束龙仓 郝振纯 WEI Lin-hong SHU Long-cang HAO Zhen-chun 作者单位：河海大学,水文水资源与环境学院,南京,210098刊 名：重庆大学学报(自然科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：200023(z1)分类号：P641.1关键词：地下水流 数值模拟方法 发展趋势
关键词：采矿工程,数值模拟,发展研究
近年来, 随着时代的发展, 在计算机技术进一步发展的历史背景下, 相关的数值分析的方法越来越多, 这使得采矿工程的数值模拟获得了进一步的发展。在这种历史背景下, 我们可以通过有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法和半解析元法等数学计算方法的使用, 加之必要的计算机技术的使用, 从而进一步了解采矿工程的特点, 使采矿工作的开展变得更加容易, 减少了事故发生的可能性。从这个层面来说, 对采矿工程数值模拟的发展和现状进行研究是十分有必要的。
1 采矿工程数值模拟的相关定义
1.1 采矿工程的定义。
只有明确了研究对象, 才有利于研究问题的进一步发展, 这里也不例外, 本文所要研究的对象就是采矿工程数值模拟。首先让我们对采矿工程有一个了解。所谓的采矿工程, 顾名思义, 指的就是进行采矿的工程, 也就是应用科学的方法指导采矿这一行动的科学。
1.2 数值模拟的定义。
所谓的数值模拟, 就是通过对于相关的数据进行收集整理, 进而用数据构造一个系统, 有了数值模拟的这个系统, 我们就可以对于采矿中可能遇到的问题进行评估, 从而将相关的伤害降至最低。总而言之, 采矿工程数值模拟的优点可以总结为以下几点:一方面其可以发现在工程和产品的设计阶段潜在的问题, 从而在此基础上有效的增加工程和产品的可靠性。另一方面, 经过分析计算, 可以有效的对设计方案进行相关的优化, 从而有效的降低工程和产品的成本, 增加采矿单位的收益。并且这种集成尽快确定工程问题的设计方案, 可以加速产品开发, 从而对市场具有敏锐的反映力。并且其还可以通过模拟物理试验方案, 减少试验次数这个层面减少试验经费。
2 数值模拟在采矿工程中的应用
2.1 数值模拟在采矿工程中发挥的作用。
在这一部分, 笔者将结合采矿工程中主要遇到的问题以及数值模拟解决其的方法简要说明数值模拟在采矿工程中发挥的作用, 也只有这样, 才能起到生动形象的良好效果。事实上, 采矿工程在进行作业时, 面临的环境十分复杂, 所以其会遇到各种各样的问题, 但是从整体上, 我们可以将这些问题分为两类:其一就是采场围岩控制问题, 这是困扰着许多人的一个大难题。所谓的采场围岩控制问题, 是一类研究岩体结构是如何破断、破断后的岩块是否趋于稳定状态以及结构失稳后的形态变化的科学。对其掌握程度的深浅, 直接影响到人们在进行采矿时的工作环境。如采场坚硬基本顶随着工作面的推进, 不断地由连续体破断成块体, 块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重的作用, 不断变化、运动和失稳直到引起地表沉陷就是人们对采场围岩控制问题进行研究得出的一个较为重要的研究结果, 掌握了这一点, 我们就可以定性的了解采场坚硬基本顶的运动过程, 从而提前做好相关的措施防止一些危险事情的发生。然而在某种特定的情况下, 我们仅仅掌握采场坚硬基本顶定性的运动过程是远远不够, 不能很好的解决我们所面临的问题, 在这种情况下, 我们就需要使用数值模拟的方法帮助我们在一定程度上定量的掌握采场坚硬基本顶的运动过程了, 通过对采场坚硬基本顶的尺寸进行度量, 对工作面推进的速度进行相关的测量, 我们会得到一系列的数据, 通过对这些数据进行数学上的处理, 我们可以进行相关的数值模拟的工作, 这样我们就会得到一个采场坚硬基本顶随工作面推进而产生变化的模型, 这样我们就可以在一定程度上掌握采场坚硬基本顶的动态运动过程了。这就是数值模拟在解决采场围岩控制问题中的一个应用。与以往的分析方法相比, 采矿工程数值模拟由于借助了数学和计算机的力量, 所以使其在精确性和方便性方面大大优于以往的分析方法, 并且我们可以通过对模拟模型的进一步修正, 使其更加满足实际的情况, 从而更好地为我们服务;其二, 则是巷道围岩控制问题, 所谓的巷道围岩控制问题的研究对象是开采后覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场的变化规律等;这里我们也不难理解, 因为采矿是一项作业量很大的工程, 在进行作业时还会对土地的岩层产生不小的影响, 如果控制不当, 采矿的巷道就极有可能发生坍塌, 而巷道一旦发生坍塌, 就极有可能造成相关的人员伤亡和财产损失。因而在进行采矿工程时, 做好巷道围岩控制工作的重要性不可小觑。如在采矿工作受到相邻工作面开采影响时, 就需要对巷道进行合理布置, 并且对支承压力对巷道围岩稳定性的影响进行评估, 只有这样才能根据巷道周岩石的移动变形特征和围岩状况选择合理的支护方式和参数开采, 然而这一系列的问题应用传统方法都不好解决, 可是采矿工程数值模拟就可以较好的解决相关的问题。我们将实际生产中产生的相关数据输入, 构建相关的数据模型后就可以对这些数据进行必要的处理, 这样就可以模拟相关的环境, 尽可能的预测可能出现的结果, 从而提前做好相关的防范工作。
2.2 采矿工程数值模拟发展应用的相关重点。
通过以上的介绍, 相信读者已经对数值模拟在采矿工程中的应用有了一个整体上的概念。笔者将在本段中对采矿工程数值模拟发展应用的相关重点进行介绍, 从而使读者对其有一个更加深入的掌握。采矿工程在应用数值模拟方法时应注意以下几点:首先要从宏观上把握所要研究的对象, 对其各个方面进行深入的了解和分析, 在此基础上再进行选择数值模拟方法和软件的选择, 只有这样, 选择的数值模拟方法和软件才能够反映采矿工程问题的特点;其次在采用新型开采技术时要慎重。随着时代的发展, 采矿行业的技术不读那进行着革新, 越来越多绿色开采技术被提了出来, 但是这些绿色开采工艺大多数都是理论, 没有经过实践的检验, 缺乏相关的数据支撑, 所以万不可盲目采取, 在采取这些工艺前一定要进行科学的数值模拟;由于矿物多数被埋在地下深处, 而地下环境的复杂性往往会给开采带来很大的难度, 在这种情况下, 传统的平面模型已经不能很好的反映相关的问题了, 所以我们可以通过数值模拟来进行采矿工程问题的三维数值模拟, 但是由于地下开采是一个涉及时间和空间的复杂问题, 所以这方面的研究仍需要进一步完善;最后就是关于岩体力学参数的合理确定方法的问题了。相信学过数学的读者都清楚参数对于一个数学模型的重要性, 这里也不例外, 如果参数不够准确, 就可能导致一系列问题, 也就是说岩体力学参数的合理极大地决定了数值模拟结果的准确性。所以, 要想得到准确的结果, 深入研究岩体力学参数的合理确定方法也就是自然而然的事情了。
结束语
综上所述, 数值模拟在采矿工程中有着很大的利用, 其可以通过建立相关的数学模型的方法, 在一定程度上定量的预测相关的结果, 弥补了过去只能定性甚至是凭经验对相关问题做出判断的不利局面, 在一定程度上有效的降低了采矿作业的危险性。此外值得一提的是, 目前采矿工程的数值模拟还处于发展阶段, 还有很大的上升空间, 可以预测, 在不仅的将来, 通过数值模拟方法的应用于推广, 可以使采矿工程发展的更加成熟。
参考文献
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摘要:文章以某滑坡为研究对象,分析了该滑坡的稳定性,并借助于FLAC数值模拟软件,对其变形中的应力和应变进行了分析,研究结果表明该滑坡处于欠稳定状态,需水后变形加大,因此需要工程治理。
关键词:滑坡;稳定性;数值模拟
中图分类号:P642 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)20-0140-01
1工程概况
该滑坡为一相对平缓的凹形坡地,总体倾向西,坡形为折线型,滑坡中部地形坡度较缓,坡角在10～2°之间,中前部及前缘和后部地形坡度较陡,前部地形坡度在25~30°之间,前缘近河边部位多形成5～10 m的陡坎,后部地形坡度在17~22°之间。滑坡区北侧山体倾向沿渡河的坡地呈直线型,坡度35～40°,倾向滑坡区一侧山坡坡地,多形成2~5 m的岩质陡坎,地形坡度较陡,坡度在35～40°之间,滑坡区南侧坡体,坡面形态不很规则,地形坡度在17～30°之间。
研究区地层在区域上划属扬子区巴东利川小区,区内出露地层主要为三叠系和第四系,三叠系为一套碳酸盐岩和细碎屑岩互层构成;第四系有残坡积、崩坡积、冲洪积和滑坡堆积层。
研究区在大地构造上位于新华夏系一级隆起带的第三隆起带,以及淮阳山字型西翼反射弧和长江中下游区域东西向构造带交汇部位,区域上经历了晚元古代末的晋宁、侏罗纪末的燕山、三叠纪的印支和第三纪以来的喜马拉雅四次大的构造运动,随着中三叠世以后构造变动的加剧,形成了北西向、东西向、北东向、北北东向及北北西向等一系列不同方位、不同性质和不同特征的构造形迹,其中的东西向构造带是极为重要的构造体系之一,主导着研究区所在区域的基本构造构架,该滑坡就位于该构造带奉节复向斜的黄家河向斜南翼。
2稳定性计算
根据野外地质调查和宏观分析,滑坡可能的变形破坏模式为沿岩土界面滑移。其他坡段基本上不存在整体滑移的几何边界条件,不会发生整体的变形破坏,但存在表层风化破裂岩体的塌落、掉块等。
考虑滑坡区域可能遇到的各类情况,特别是最危险的情况,由于区内基本地震烈度为6°,可不考虑地震的影响,故综合确定以下两种计算工况:
①天然状况(坡体自重);②虚水到490。本滑坡坡的安全等级为三级,根据《建筑边坡工程技术规范》规定,采用平面滑动法和折线滑动法计算安全系数为1.25,采用瑞典圆弧法计算安全系数为1.20。由现场勘察和稳定性计算结果分析,可得出以下结论:现状条件下,滑坡整体处于稳定或基本稳定状态,仅局部位置出现表层岩体的剥落、崩塌等小规模的破坏现象。
②在工况二的条件下,稳定性系数最低为0.86,安全储备不足,需要进行加固处理。
从分析结果来看,目前坡体处于欠稳定状态,预测评价滑坡易发展并将失稳。
3滑坡应力与变形数值模拟
为了了解天然状态和蓄水后区内斜坡岩土体的应力分布特征及变形破坏特征,并进行分析评价,特选用岩土工程数值分析的通用软件FLAC 3D进行模拟分析。可以得到各种不同工况下的 应力和应变分布情况,部分成果见图1。
从位移等值线图可知,天然状态下的滑坡变形主要为水平向,主要分布在滑坡前缘,而蓄水后,斜坡水平位移急剧增大,但分布规律不变,为前缘大、后缘小,表明该滑坡在蓄水后可能在前缘出现蠕滑,进而诱发后缘的滑移变形。由此可知,滑坡前缘是潜在失稳的关键部位,在治理和监测过程中应重点考虑。
4结 语
研究表明,目前滑坡处于欠稳定和不稳定状态,滑坡易发展,特别是蓄水后,其潜在危害性很大。建议采用治理措施。根据气象预报和水雨情,对水库运行做到科学调度,精心指挥,使库水位变化尽量平稳,不出现大幅骤降和迅速抬升,以减小对滑坡稳定性的影响。
参考文献:
[1] 刘春原,朱济祥,郭抗美.工程地质学[M].北京:中国建材工业出版社,2000.
低马赫数流动数值模拟方法的研究
在文献[1,2]提出的一种低马赫数流动数值模拟新方法的基础上,本文作者进一步优化了算法,确定了该方法适用的马赫数范围,讨论了参数σ对计算的影响.大量的`定常/非定常、低雷诺数/高雷诺数流动的计算结果表明这种方法具有计算精度高、收敛速度快以及计算花销小的特点
作 者：向大平邓小刚 毛枚良 作者单位：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所,四川绵阳,621000刊 名：空气动力学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERODYNAMICA SINICA年，卷(期)：20(4)分类号：V211.3关键词：低马赫数流动 计算方法 数值模拟
【提 要】：本文基于有限变形理论，采用点面接触模型模拟注浆过程中浆泡与土体之间的相互作用关系，通过拉格朗日方法引入这种相互作用关系，用约束变分原理建立适合模拟CCG注浆过程的控制方程。然后根据在试验中观察到现象建立的注浆过程模型编制的有限元程序可以动态模拟CCG注浆过程，为CCG注浆施工的优化设计奠定了基础。
【关键词】：CCG注浆有限变形点面接触模型数值模拟
Abstract: On the basis of the finite deformation theory，the theoretical study and numerical simulation are made on compaction grouthing.By using modified Lagrangian formula，the simulation is taken on viscous contact between mortar bubble and soil ground by point an surface contact model.A control formula is set up to adapt to compaction grouting by finite element method，and the compaction grouting model is established on the basis of testing observation.Finally，the finite element program is developed using Fortran language intended to dynamically simulate the injection process.
Keywords: compaction grouting， finite deformation， point and surface contact model， numerical analysis.
1 引言
在加固地基土层的各种注浆方法中，无论是劈裂注浆、渗透注浆还是喷射注浆，注入的浆液均是易于流动的，而CCG注浆注入的浆材是坍落度很小、甚至近似为零的不流动的浆材。这使得CCG注浆方法具有比其他注浆方式更好的可控制性，注浆施工时浆液可以准确地注入到土层中的预定位置，浆液注入到地下土层后不进入土体的孔隙，也不劈裂土层，在均匀土体中形成一个整体向周围扩大并挤密周围土体的浆泡，通过提升或下降注浆管，在注浆管的端部就可以产生一系列局部相“重叠”的浆泡，形成一柱状注浆体（图1），并挤密周围土层，达到加固地基的目的。
因为注浆浆液的特殊性，CCG注浆的加固机理不同于其他的注浆方法，加上诸多的注浆变量如注浆孔的间距、注浆体长度、注浆速率、注浆压力、注浆量等，CCG注浆施工设计涉及到一组复杂的参数。从世界范围来看虽然人们对这种注浆方法的机理进行理论研究并提出了各种不同的注浆设计方法，但理论研究水平仍然滞后于实际应用发展的需要，迄今为止，还没有一套成熟的注浆设计方法能够合理地考虑涉及到具体工程的不同的参数并对这种注浆方式进行优化设计。要解决这个问题，最关键的方面在于有效地动态模拟CCG注浆过程。采用何种方法描述CCG注浆过程中浆泡与土体之间的相互关系也是一个关键问题。K. Komiya、Adel M. EI-Kelesh和K. Soga等人都采用了穴孔扩张（Cavity expansion）理论模拟浆泡与土体之间的接触，在浆泡与土体之间的分界面上通过人为地施加各向均匀的分布力模拟CCG注浆过程，但用有限元进行分析时,在每个荷载步中施加多大的力是不易确定的`。另外，采用这个方法只能模拟单个浆泡的情况，不能模拟连续的注浆过程。对于单个浆泡的注入过程和连续的注浆过程，可以采用点面接触模型，在CCG注浆过程中浆泡与土体之间没有相对滑动，变形前后接触点的局部坐标值相同，它们之间的接触是粘滞接触。研究中将注浆泡与土体作为一个系统中的两个相互接触的物体，那么，注浆泡体和土体离散化后，注浆泡与土体之间的相互接触就可以模拟为接触面上土体的结点与注浆泡表面的任意点的接触。另外，应该注意到当介质在荷载作用下发生的位移（与自身的几何尺度相比）和应变（与1相比）很小时，建立物体和微元体的平衡条件时可以不考虑物体的位置和形状的变化，因此，分析中不必区分变形前和变形后的构形，相应的变形可以用无限小的线性应变进行度量。CCG注浆过程中靠近浆泡的土体不符合小变形和小应变假设，此时必须考虑变形对平衡的影响，即平衡条件应建立在变形后的构形上，所以，应采用有限变形理论分析CCG注浆过程中注浆体周围土体的变形问题。
本文基于有限变形理论，采用点面接触模型模拟注浆过程中浆泡与土体之间的相互作用关系，通过拉格朗日方法引入这种相互作用关系，用约束变分原理建立适合模拟CCG注浆过程的控制方程。然后编制了可以动态模拟CCG注浆过程的有限元程序，用该程序对鞍山路地铁车站基坑加固注浆进行了模拟计算和分析，并将模拟计算结果与现场实测值进行了对比。
2 有限变形条件下的CCG注浆过程的控制方程
3 模拟CCG注浆过程的有限元分析
3.1 注浆模型的建立与系统的离散化
通过试验发现，注入土体中的浆液不进入土体孔隙，在均质土体中形成一个球体，或通过均匀提升注浆管可形成均匀的柱状注浆体，注浆体与土体之间有明显的分界面。
根据以上观测到的现象，可以建立图1和图2所示的注浆模型，其中，图1表示土体中已形成的一个长度（高度）为H，直径约为d的柱桩注浆体，图2表示柱状注浆体的形成过程，先形成一个独立的球体，这个球体由小到大，其半径由R1增大到半径R2，再增大到半径R3；第一个球体生成好之后，接着在第一个球体上方生成第二个球体，第二个球体的生成也是由小到大，同样其半径由R1增大到半径R2，再增大到半径R3，但是第二个球体与第一个球体有部分重迭，注浆的实际情况就是这样。同理，可生成第三个、第四个、第五个和更多个球体，形成不断增长的柱状注浆体。本文模拟注浆过程的计算程序就是按照这样的注浆模型编制的，从而模拟出连续的注浆过程。
然后，将柱状注浆体和土体作为一个整体或一个系统来考虑，但对这二者进行离散化时可以分开处理，注浆泡的离散见图3所示，第一个浆泡表面离散成12个线性单元，其他浆泡也作相应类似离散。在注浆压力的作用下，注浆过程中浆泡的变形相对于土体来说较小，因此，在实际处理中可以将其近似地看成刚体，也可以将其当成变形体，这可以通过设定变形模量的大小来实现。土体的离散需要仔细考虑，应该适当进行土体的网格划分，若网格划分得太细，一方面随着节点数和单元数的增加，计算工作量会大量增加；另一方面，若划分的网格太小，由于注浆体变面附近的土体会发生大变形，因而有些单元形状会发生畸变，致使该单元的雅可比矩阵的逆阵不存在，也就无法进行计算了。
3.2 CCG注浆的模拟计算
本文的程序是按空间轴对称问题编制的，共有35个子程序和一个主程序。程序考虑了几何非线性和材料非线性以及接触边界条件非线性的有限元分析程序。该程序可以模拟连续的注浆过程，能够计算出注浆过程中任意时刻注浆体周围土体的位移场，还能计算出注浆体周围土体的塑性变形范围。土体单元采用了四节点线性等参单元，接触边界元为线性单元。土的本构模型是考虑Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型。这里对鞍山新村地铁站基坑的中间标准段的CCG注浆过程进行模拟计算，并将计算结果与在标准段进行的单孔注浆试验过程中的实测结果进行比较。
根据提供的地质勘察报告，各土层的物理力学性能指标见表1。
计算深度取为21.0m，计算半径取为10.0m。边界条件为：底面和右侧面的径向位移和竖向位移为零；上表面自由；左侧面为对称轴。计算中泊松比取0.49，其中的压缩模量应换算为变形模量。有限元网格划分见图4，采用四节点线性等参单元，结点总数为903，单元总数为840。在车站基坑中间标准段进行的单孔注浆试验中，注浆从地表下16.5m开始，最后形成了一个半径为25～27cm、长度为3.0m的柱状注浆体，模拟计算时也是从地表下16.5m开始注浆，模拟的注浆体长度与半径基本上与试验中情况相同。部分计算结果如图5～图12所示。图5和图6表示注浆体周围土体在竖值方向的位移，其中，图5表示注浆过程中地表面的隆起值与注浆体长度之间的关系。图6表示注入第一个浆泡后不同深度的土层在竖直方向的位移值。图7和图8表示注浆过程中注浆体周围土体在水平方向上的位移。其中，图7表示距离注浆体中心线为2.5m处土体在水平方向的位移值与注浆体长度的变化（即注浆量和注浆深度的变化）之间的关系。图8表示注浆体长度达到3.0m时，距离注浆体中心线不同处的土体的水平方向位移值的变化。可以看到，注浆的开始阶段，位移的增量明显；随着注浆体长度的增加，水平方向的位移量增加不多，水平位移的峰值点随着注浆体长度的增长而逐渐上移。图9～图12中，将试验中的实测值与相应的计算值进行了比较。计算值的大小与实测值的大小接近，但曲线的形状不完全吻合。对于软粘土来说，因为侧斜管本身有一定的刚度，它不可能完全真实地反映出土体的实际变形，模拟的曲线形状比实测的变形曲线更能真实的反映实际变形情况。
4 结语
（1） 本文基于有限变形理论，采用点面接触模型模拟注浆过程中浆泡与土体之间的粘滞接触形式，根据在试验中观察到现象建立注浆过程的模型是恰当的。
（2） 文中通过拉格朗日方法结合变分原理建立适合了模拟CCG注浆过程的控制方程，编制的有限元程序可以动态模拟CCG注浆过程，通过对鞍山路地铁车站基坑加固注浆过程进行了模拟计算和分析，模拟计算结果与现场试验实测值基本吻合。
（3） 通过本文对CCG注浆过程的动态模拟方法，为进一步进行CCG注浆施工的优化设计奠定了基础。
参考文献
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使用一个高分辨率、非静力数值模式WRF模式对20超级台风Saomei强度和结构进行了数值模拟研究.首先,评估了Makin的粗糙度长度公式对台风Saomei强度和结构变化的影响,结果表明,采用新参数后,使得模拟的台风强度变化与实况最佳路径资料的强度变化更一致,对超级台风Saomei强度预报有改进;但对台风路径的影响不大.通过QuikSCAT、雷达和TRMM非常规资料的验证,进一步表明模拟的`台风Saomei的结构与实况很接近,可以再现台风内核区域的部分“双眼墙”和“Annular”结构.其次,通过对台风Saomei边界层过程模拟的改进,表明在平均风速大于40 m/s时边界层各物理量明显改善,使得模式最大强度比传统的简单外推插值方案有显著改进,特别是在台风最强阶段,当台风Saomei眼墙区域的海表面拖曳系数C_d的相对变小,使得其眼墙区域的平均切向风速、径向风速、垂直风速、温度距平、涡旋动能和绝对角动量等物理量均有增强.表明台风Saomei眼墙氏域(20-40 km)各物理量的贡献对其强度和结构变化的影响十分重要.最后,在此基础上进一步分析模式海温和大尺度环境垂直风切变对台风Saomei强度和结构变化的可能影响,讨论了台风Saomei在其增强和消弱阶段中,大尺度环境垂直风切变对其强度变化的负反馈作用.
作 者：曾智华 陈联寿 王玉清 高志球 ZENG Zhihua CHEN Lianshou WANG Yuqing GAO Zhiqiu 作者单位：曾智华,ZENG Zhihua(中国气象局上海台风研究所,中国气象局台风预报技术重点开放实验室,上海,30;南京信息工程大学,南京,210044;中国科学院大气物理研究所LAPC,北京,100029)陈联寿,CHEN Lianshou(中国气象科学研究院,北京,100081)
王玉清,WANG Yuqing(南京信息工程大学,南京,210044;美国夏威夷大学,IPRC)
矿区北依箕山背斜西段、南临汝河平原, 距汝河8km。第四系与第三系不同成因类型的含水层组主要有砂及砾石组成, 分布于山前斜地、丘陵岗地、坳陷区及汝河河谷平原地带, 其厚度相差很大, 钻孔揭露最大厚度为639.58m。第四系全新统、上更新统松散沉积物则分布于河流阶地、漫滩之上, 直接受大气降水及河水的补给, 含较丰富的孔隙潜水。
2 研究区域地下水系统
为了正确认识研究区域地下水系统, 计算时尽可能以天然边界为计算边界, 面积为6.7km2。范围包括:北部及西北部以梅庄正断层 (F16断层) , 为进水边界;南部边界位于孟庄正断层 (F18正断层) 附近, 为隔水边界;东部以樊窑村以东的F24正断层为局部进水边界;西部边界位于贾庄正断层 (F70) 和毛寨正断层 (F25) 附近, 为隔水边界。寒武系、石炭系太原组各灰岩含水层岩溶裂隙水是矿井开采过程中可能突水的主要水源, 局部地段开采上部煤层可能受上覆新生界孔隙水的影响。
寒武系灰岩在北部山区及F16断层附近出露, 地表岩溶发育, 直接受大气降水的补给。在岩溶径流带和F18断层以南含较丰富的岩溶裂隙水, 单位涌水量达到3.38 l/s·m, 灰岩含水层在浅部与孔隙含水层相联系, 呈互补关系, 突水初期, 矿井涌水量增大, 但是以静储量为主, 随着矿井的疏干, 地下水位的降低, 动储量的变化对矿井充水的影响将起主导作用。
3 数学模型建立
根据水文地质情况, 建立该区域地下水的数学模型, 如下:
4 地下水数值模拟实现
根据该区域水文地质条件和数学模型, 结合实际情况, 我选用Dot Net作为开发平台和地理信息系统软件组件式开发, 实现了水头预测, 为矿井防治水工作提供辅助决策。
4.1 识别时段
依靠大量的抽水试验资料, 选择NJX-1#、NJX-2#、NJX-3#、NJX-4#、NJX-5#、NJX-6#、NJX-7#进行识别, 时间段从2009年7月16日16时至2008年9月16日16时, 分六个计算时段。
4.2 识别结果
对观测孔NJX-1#、NJX-2#、NJX-3#、NJX-4#、NJX-5#、NJX-6#、NJX-7#进行水头拟合。模型识别时, 用实测水头和模拟的水头的差值进行对比来调参。用NJX-1#、NJX-2#、NJX-3#、NJX-4#、NJX-5#、NJX-6#、NJX-7#每隔10天的16时的实际水头与计算水头进行比较, 最后绘制出实际水头与计算水头的拟合曲线。
当观测孔NJX-1#、NJX-2#、NJX-3#、NJX-4#、NJX-5#、NJX-6#、NJX-7#水头稳定时, 实际水头和计算水头曲线形状拟合程度较好。综上所述, 经过识别后的地下水数值模拟软件就可以为地下水预测预报提供帮助, 为井田水害防治工作提供辅助决策。
5 模型应用
经过识别和调整参数的数学模型在宁庄井现场进行了应用。
地下水数值模拟软件在某矿井现场测试后, 通过求解井田地下水系统数学模型, 绘制了井田水头 (等值) 线。结合水头线图和井田地质条件, 判断出某工作面西侧有较大突水危险性, 该区域应引起矿井安全技术人员高度注意, 最后提出疏水降压来降低危险区的水头, 对矿井防治水工作提供了一定的帮助。
参考文献
[1]张月萍.杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析[D].河海大学, 2007.
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关键词：铁矿；数值模拟；围岩稳定性；流固耦合
1 引言
FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟的图形能直观的看出变形情况。
1.1 概况
本文研究对象为大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200m，宽为矿体厚度，高100m，盘区内沿走向每隔100m设4m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向平均划分为4个采场，每个采场长48m。
目前关于耦合的研究较多，各有优势，本文根据流固耦合作用机制，采用FLAC3D 进行模拟与研究。
2 采矿设计
此次我们研究的地区是大贾庄矿区大贾庄矿段，它位于D46线以南、D38线以北的南北两端矿体，采用机械化盘区点柱式上向分层充填采矿方法。
阶段高度100m，在阶段内划分分段，分段高度自下而上依次为15m、20m、15m、15m、20m、15m，每个分段内划分为4～5个分层，每个分层高度4m，空顶距1.5m，采场净空高度5.5m。
3 模型的建立
利用ansys软件建立了模型，并划分了网格，按照不同的岩土力学参数，划分不同的岩土介质组，再导入三维有限差分数值模拟软件FLAC3D中进行计算，以下为相关的图件。
4 计算结果的分析
4.1 位移场特征
由图4可以看出，开挖中间对称处位移最大，为25cm，而里对称线越远，位移越小，且两边对称，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。
4.2 应力场分布特征
图5、6、7、8是应力云图，由矿体开挖应力图（图5）可以看出，填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大，为40MPa；安全顶板下的采场开挖附近z方向应力最大值为20.0MPa；其他部分由上至下应力越来越大，是由于垂直方向重力不断增大，z方向应力也越来越大，底部采场间柱z方向应力最大值为35MPa（见图8）。y方向、x方向应力图见图6、7。
4.3 塑性区分布特征
由塑性网格划分图（图9）可以看出，第四系，矿体开挖区以及附近的围岩都出现了一定的塑性区，需适当加强间柱尺寸。
4.4 渗流矢量分布特征
由渗流矢量分布图（图10）可以看出，开挖产生的扰动使孔隙水发生渗流，图中流体矢量可发现，由于强、弱风化层形成的隔水层有效的防止了孔隙水渗流的发生，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，这个需要注意。
5 结论
（1）随着开挖位移的逐渐增大，矿体顶面位移最大，往两侧逐渐减少，开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为零。
（2）填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大。
（3）由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中。
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作者简介：
第一作者：汪辉，男，（1990.10.15—），中国地质大学（武汉）
三轴刚性地球自由旋转欧拉角变化数值模拟研究
假定地球是一个三轴刚性体,在Euclid空间中做自由旋转.在设定主惯性矩A小于B小于C的`情况下,求解欧拉运动方程,得到数值解.计算结果表明:地球在除了自转和自由进动之外,同时还存在着自由章动.章动角会随着时间做周期性变化.重点讨论的是章动角的变化.
作 者：陈光华 CHEN Guang-hua 作者单位：武汉大学,测绘学院,湖北,武汉,430079 刊 名：测绘与空间地理信息 英文刊名：GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 32(2) 分类号：P312 关键词：三轴刚性地球 章动角的变化 主惯性矩信息处理与组织结构的理论研究及数值模拟
外部环境是组织有效运作所必需应对的各种不确定性的`主要来源,现代组织所面临的环境比以往具有更大的不确定性.将组织看作是一个信息处理网络,组织绩效用组织结构价值来度量,建立数学模型,研究组织结构与组织环境如何相互作用决定组织绩效,以及信息费用对组织结构设计的影响.基于形式模型的理论分析和数值模拟,为理解不确定环境中组织结构设计提供了新的解释、视野及管理学上的含义.
作 者：方卫国 张惠民 FANG Wei-guo CHEUNG Wai-man 作者单位：方卫国,FANG Wei-guo(北京航空航天大学经济管理学院,北京,100083)张惠民,CHEUNG Wai-man(香港中文大学商学院,香港,新界,沙田)
刊 名：系统工程理论与实践 ISTIC EI PKU英文刊名：SYSTEMS ENGINEERING―THEORY & PRACTICE 年，卷(期)：2005 25(10) 分类号：C934 关键词：不确定性 组织结构 信息处理 组织理论一、引言
叉车车速低、负荷大，作业范围小，使用条件恶劣，在夏季高温季节容易出现水散热器“开锅”现象，为此，需要对叉车散热系统进行优化设计。叉车冷却系统散热优化分析涉及到热 流 固的耦合，目前散热问题的计算分析基本采用计算流体动力学类的商业软件。
通过对CPU热柱散热器的散热性能进行实验研究，测试了加热功率、风速等主要工况不同时发热电子元件表面的温度，并比较分析了测试结果。运用有限元分析软件ANSYS对该散热器进行了温度场数值模拟分析。研究在风冷条件下，同等尺寸的普通铜柱CPU散热器和热柱散热器的温度分布。结果表明，热柱散热器具有良好的散热性能，在较低风速下也能有效地降低CPU的温度。此外，有研究认为变流器采用“热管散热器+走行风冷”方式可简化柜体结构，为分析热管散热器的散热性能，利用Fluent软件分析了其流速和温度的分布特点，结果表明热管散热器在较低的车辆运行速度下仍具有较好的散热效果。实际的现场应用情况验证了仿真结果的准确性。在对汽车散热器的物理模型单元进行的合理的简化处理实验中，利用Fluent软件，采用SIMPLE算法和标准ke湍流模型，通过求解三维NS方程和能量方程模拟了空气在散热器空气侧流动，水在散热器的水侧流动的双侧传热过程。在建立发动机舱模型的过程中，考虑到散热器和高温元件的散热量以及空气的对流传热和辐射等因素，利用CFD软件对汽车发动机舱流场进行了数值仿真，得到了发动机舱内部气流的速度与温度分布和重要元件的表面温度等参数，最后对存在的问题提出改进方案。为考查某型直升机附件舱的热控制能力，采用有限元软件分析了其在强制冷却和自然冷却情况下的温度场分布。应用非结构化网格和有限体积法进行计算区域和控制方程的离散，采用标准k-ε模型封闭湍流控制方程。以ATX机箱为研究对象，利用实验和数值计算两种手段对机箱的散热情况进行了研究。在对Fluent软件进行二次开发的基础上，对机箱的风冷散热过程进行了数值模拟，且对不同通风孔位置和风扇安装情况下机箱的散热性能进行了研究，找到了有机箱散热的最佳风道结构。
二、热场实验测试
进行叉车散热的优化，需要对用于优化的计算模型进行验证，为此，对与计算模型一致的叉车配重后方的温度场及流场进行了测试，实际测试的叉车配重及风扇感和散热器内部结构如图l所示，测试时使用温度计测量温度，采用风速仪测量配重后方的流速。
测量方法是，按配重孔大小将平面平分成三块，左，中，右三个测试点，每个测试点为这一块的平均温度，然后从外表面开始向后lOOmm，200mm共三个平面九个测试点，测试结果如表1所示。通常情况下，越靠近配重孔，则空气的流速越高，同时温度也越高，这符合流速与温度在空气中传播的特点，然而，本项目的测试结果与此特点相反，越远离配重孔，流速与温度反而越高，可能是由于测试误差引起。
三、散热器后方温度场数值模拟
1.数模简化及网格划分
需计算在风扇通风作用下散热器后方的流场及热场分布情况，故忽略掉风扇前方的复杂发动机部件和支撑框，保留叉车配重、车架、车轮、通风筒和底盘配件。因流场域要求连续，所以，必须对叉车三维模型进行几何修复，以保证几何封闭和拓扑封闭，故将对流场分布影响不大的结构部分如车架进行填孔、补缝操作，将对流场分布有明显影响的部分如叉车配重等仅进行补缝操作而保留其通风孔。由于车轮结构稍显复杂，按照原始尺寸重新建立简化后的简单结构，由于车轮远离散热片，对计算结果影响不大。CFX散热分析以叉车周围的空气作为研究对象，因此需要建立叉车周围的空气模型。简化后的叉车后方配重模型及周围空气模型如图2所示。
由于本文涉及到叉车后方的流场域非常复杂，划分结构化网格优势不大，且费时费力，故采用非结构化网格划分。叉车整体结构是大量复杂曲面的集合，配重和通风筒更是传热分析的关键。根据上述分析，充分考虑问题的特点，本文采用Hyper-mesh商业软件进行叉车后方计算模型流场域非结构网格划分，网格划分后局部切面显示如图3所示。
2.计算域设置
计算域是指一些空间的区域，流动控制方程或热传递方程在这个区域内进行求解。单击软件任务栏中的域按钮生成计算域。计算域的设置主要是（1）设置计算域所在的体、类型及所在的坐标系；（2）定义流体材料为理想气体；（3）设参考压力为1个标准大气压，浮力、域运动、网格变形三者保持默认。
热传递模型中，无热量传递不考虑热量传输；Isothermal（等温模型）需给出特定温度值，作为复杂模型的初始条件，不计算热量传输；Thermal Energy（热焓模型）只计算对流换热及热传导，不考虑流体动能带来的变化，适用于低速流动及不可压缩流；Total Energy（全热模型）在热焓模型基础上考虑流体动能带来的热量变化，适合高速流动及可压缩流。本文设置热传递模型为Thermal Energy模型。
湍流模型中，k-ε为最简单的两方程完整湍流模型；Laminar为层流模型，其控制方程为非稳态Navier-Stokes方程，适用雷诺数较小的情况；Shear Stress Transport综合了k-ω模型在近壁区计算的优点和标准k-ε模型在远场计算的优点，其适用范围较广，可用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨音速激波计算等；SSG是雷诺应力模型的一种，在计算漩涡流体时特别精确；BSL是基于ω方程的雷诺应力模型。本文设置湍流模型为Shear StressTransport模型。
nlc202309040244
3.边界条件
本文计算时设置流体流动性质为亚音速模式，设置流体流入计算域的方式为标准速度，方向垂直于入口面。湍流动能系数设为默认值Medium（Intensity=5%），适合于大部分的计算。设置边界处温度为静态温度，指定热力学温度值。
根据散热器后方风速与风温的分块测量结果，将散热器边界分为15块设置不同的入口边界条件，如表2所示，试验测量结果如表3所示。
根据测试结果，设定尾喷管入口流速30m/s，温度45℃。设置自由流出口边界条件以模拟无限大气，设为亚音速流动，参考压强OPa。
4.计算结果
计算得到配重前后方的温度分布如图4所示，可以看出，最高温度为47℃，最低温度为17℃，温度分布梯度较高，同时可见配重前方有温度分布，这些温度分布是由于散热器的热量由风速带出配重孔的同时，部分遇到配重壁面才生了热空气的回流，导致热量难以散出，从散热的角度考虑这是极为不利的。图5表明配重后方的空气流速最高可以达到3lm/s，同时在配重前方有回流现象，与温度的分布一致。
从计算结果中取出配重后方散热孔处的平面，计算平面的温度分布如图6-8所示，将平面大致均分为左、中、右三块，计算每一块的平均温度，以便与试验结果进行对比。
计算得到左中右三块的温度分布，每一块的平均温度如表4所示，可见，左边平均温度最高，中间平均温度最低。
四、计算结果与试验结果对比及误差分析
鉴于上述分析认为试验测试时可能存在误差，所以这里拟采用误差最小的配重外表面的温度分布作为依据，验证数值计算模型的合理性。同时，计算得到配重孔表面左中右三块的温度分布，于是，得到配重孔外表面的实验温度和计算温度分布如表5所示。实验温度测量总和为105.7℃，计算温度总和为90.8℃，二者相对误差为14.1%，在项目要求的误差15%以内。
首先，本项目计算结果与试验结果的误差为8%，在工程中要求的15%以内，表明本文的计算模型是合理的，为了更进一步认识本文流体计算过程，对计算中的误差进行深入的分析。实际的物理过程是，高温的水和油通入散热器，后面的风扇转动使空气流动，将散热器上的热量从配重孔带出去，然而，散热器的几何模型相当复杂，将其划分网格考虑进计算模型是不现实的。所以，本项目对散热器进行了简化，直接将散热器后方的温度场及流场作为边界条件加入到模型中，这种简化所引起的误差在工程允许的范围内，是合理的。计算中加在散热器上的温度和流速及尾喷管的温度和流速是试验测试得到的，试验测量存在一定的误差，所以，以此作为边界输入条件得到的计算结果必然存在误差。
五、结语
本文针对某型叉车水箱后方的三维数模，进行了合理简化，进行流体网格划分，设置常见的边界条件及求解参数，最后得到叉车后方的热场分布。并将计算结果与试验结果进行了对比，二者吻合较好，表明本文计算模型的合理性。
本文将散热器出口的空气温度及流场直接加在模型上，计算时不考虑散热器本身的热传递及风扇的旋转，这样的简化更能反映配重后方的温度场分布，既减少了计算误差，又增加了计算效率，为后面配重的优化奠定了基础。
高超声速气流经过强烈的激波后, 很大部分动能在短时间内转化为空气分子内能, 空气分子的热运动加剧, 导致高温真实气体效应, 产生电离和离解, 从而流动产生磁场。磁流体力学研究的是磁场作用下带电粒子的运动规律, 所以很自然地可以运用到高超声速流场。在高超声速流场中人为地外加磁场就能改变流场的结构。磁流体力学的应用对高超声速飞行器可以带来以下作用:
减少飞器的阻力和热源:外加磁场使飞行器外部流场里的带电粒子受到洛伦兹力作用改变粒子运动, 进而改变激波特性, 使得激波脱体距离增加, 波后流场参数的梯度减小。因此磁场干扰可以达到有效地改善飞行器的阻力和热防护的影响。
增加超燃发动机在非设计状态下的进气量:通过外加磁场的方法产生使粒子向发动机进气道内部运动, 增加发动机的非设计状态的进气量, 扩大发动机的有效工作范围。
产生额外能源:外加适当磁场可以使带电粒子流动产生电能, 此方法可以为高超声速飞行器在飞行中补充电能。
磁流体力学对超高声速飞行器的应用不仅仅局限于以上例子。由于真实的实验需要风洞速度达到高超声速等极其苛刻条件, 难于直接实验, 所以采用数字模拟研究, 能为基础研究提供一些理论依据。
1 磁流体力学方程及求解方法
1.1 磁流体力学控制方程[1]
磁流体力学是研究关于存在磁场作用时电流体的运动规律的科学, 由流体力学和电磁学组成, 所有MHD方程耦合了流体力学方程 (N-S方程, 包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程) 和电磁学方程。完整的MHD方程组是一个具有四个矢量 (或八个标量) 的方程。在经过各向同性电磁介质, 中性介质, 非相对论流动, 无电极化, 忽略霍尔效应, 忽略离子滑移, 连续介质, 忽略流体微团内部生热, 忽略除电磁场作用力以外的切体力, 忽略流体微团内部生热等假设后, 得到MHD有黏形式的简化:
磁流体力学动量方程:
式中:ρ 为密度;U为速度;p为三个方向上正应力的平均值;τ 为剪应力张量;J为电流密度矢量;B为磁感应强度。
磁流体力学能量方程:
式中:ρet为总能;q为流体微团表面的热流通量;σe为电导率。
流体总能定义式:
式中:ρe为流体内能;εe为电解质中的介电常常数;E为电场强度;μ0为真空磁导率。
经过简化和结合欧姆定律把E从方程中消去可得:
动量方程:
式中I为单位张量。
磁场诱导方程:
式中νe=1/σeμ0为磁扩率。
能量方程:
如果把以上各式中方程右端的粘性项全部忽略掉就得到理想的MHD方程。
1.2 求解方法[2-4]
本文所讨论的问题忽略了粘性, 研究流场和电磁场的相互作用, 关键是得到诱导电流密度。这里采用求解电势方程并根据广义欧姆定律直接得到电流密度。
在电场中, 电场强度E可以表示为:
式中:φ 为标量势;A为矢量势。
对于稳定流动, 诱导磁感应强度b远远小于外加磁感应强度B0, 欧姆定律可以改写为:
电势方程表示为:
边界的电势 φ 为:
式中n为在绝缘边界中垂直于边界的单位矢。
对于能量方程, 附加源项为:
带电粒子在电磁场中受力为:
2 FLUENT基于UDF的二次开发
UDF是FLUENT软件的重要组成部分, 其为用户提供C语言程序接口, 从而用户编写的C语言程序可以动态加载到FLUENT软件中进行运算和求解。本文通过编写C语言程序设定流场的边界条件, 材料属性, 并且向动量方程添加了洛伦兹力源项, 向能量方程添加了焦耳热源项, 即动量方程的J × B项 (详见方程1) 和能量方程的源项J2/σe (详见方程2) 。在求解流场当中的诱导电流密度时, 使用了此功能, 定义了用户自定义函数:
电势方程:
边界的电势方程:
3 二维钝头体MHD流动数值模拟[5]
本文以高超声速钝头体为研究对象, 考察电磁场对流场结构的影响。其中, 重点考察激波位置变化和阻力的变化。以下为模型的基本数据, 使用FLUENT软件求解的结果以及相关分析讨论。
模型数值模拟基本数据:几何外形为半径0.05 m的半圆, 流动条件为高度40 km, 迎角0°, 马赫数为15.0, 气体假定为无粘性完全气体, 加载y方向定常磁场, 半圆表面加载电势为220 V, 其他边界采用零电势梯度条件。计算采用41×41 结构化网格, 二阶ROE迎风格式, 如图1 所示。首先计算了无电磁干扰时的流动, 然后依次加载B0y=0.02 T, 0.06 T的外加磁场作为对比, 对比结果如图2, 图3 所示。
如图2 所示, 对比发现由于存在电磁场干扰作用, 流动发生了明显的变化:电磁力方向为逆流向, 起到了减速作用, 使弓形激波位置向上游移动, 激波处马赫数等值线变得稀疏, 说明激波强度有所减弱;并且外加y轴方向的磁感应强度越强, 弓形激波越弱, 激波位置越远离钝头体。
从图3 可以发现, 施加电磁干扰后, 激波下游的高压区范围缩小, 压力值也有所减小。图4 表明驻点压力也相应减小, 从而使阻力减小。加载的外磁场越强, 减阻效果越好, 当B0y为0.06 T时, 减阻达9.1%, 如图5所示。
表1 的数据表明, 钝头体的阻力系数随y轴方向的磁感应强度的增加而逐渐减少 (其中, 在计算阻力系数时, 所选取的参考面积为钝头体表面积) 。
4 结论
本文运用FLUENT软件的用户自定义函数功能, 进行了软件的二次开发, 在N-S方程基础上增加了电磁场控制方程的求解功能, 从而实现了MHD方程的数值求解。运用所开发的程序模块, 研究了外加磁场对高超声速钝头体流动的影响, 计算结果表明外加适当的磁场, 可以使高超声速飞行器的激波强度减弱, 驻点压力降低, 阻力系数减小。
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