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篇1

【關(guān)鍵詞】  粒細胞; 流行病學研究; 感染

epidemiological characteristic of epidemic situation about the humaninfected granulocytic anaplasmosis in southern anhui cheng zhouxiang1, yang xiaoxiang1, li qun2, he jiangang1, dou zhengdong1, wu jiabing3, yu yanlin4, wang fei1. 1.wuhu center for disease control and prevention, wuhu 241000, china; 2.office for disease control and emergency response, chinese center for disease control and prevention, beijing 100050, china; 3.anhui center for disease control and prevention, hefei 230061, china; 4.yijishan hospital of wannan medical college, wuhu 241001, china

【abstract】 objective to describe the epidemiological and clinical characteristics of epidemic situation about the humaninfected granulocytic anaplasmosis. methods the whole cases were collected which had occurred in this epidemic. then the epidemiological and clinical characteristics were analyzed by descriptive epidemiology, compared with the clinical characteristic of previous tickinfected human granulocytic anaplasmosis. at the same time, the risk factor of infection was analyzed. results the cases had the typical clinical characteristic, such as hyperpyrexia, progressive falling of wbc and plt. the fever process was 1～6 days, the incubation period being 4～13 days and its median 7. the infection rate of the persons who had close contact with the first case during his or her illness was 14.3%. the attack cases among the persons who had close contact with the first case when he or she was in a critical condition were 23.1%. the blood sample from 8 secondary attack cases was tested positive about the 16s rrna gene of granulocytic anaplasma. the specific serum antibody was seroconversion in convalescence and its titer was 1∶64～1∶128. conclusions this is not only the first report about humaninfected granulocytic anaplasmosis but also the first one that granulocytic anaplasmosis can result in iatrogenic infection. there is even no infectiousness in the early light situation of disease, but the possibility of infection increases if people have close contact with patients when their illness is serious. therefore, isolation and protection have to be practiced.

【key words】 granulocytes; epidemiologic studies; infection

“人粒細胞無形體病”(human granulocytic anaplasmosis，hga)(以前稱“人粒細胞埃立克體病”[1])是一種人類新發(fā)傳染病。1994年在美國明尼蘇達州杜魯士首次發(fā)現(xiàn)一種不同于查菲埃立克體的感染，病原體主要侵犯中性粒細胞，被命名為人粒細胞埃立克體(human granulocytic ehrlichiosis,hge)[2]，此后美國[3]、斯洛文尼亞[4]、比利時[5]、澳大利亞[6]、意大利[7]、瑞典[8]、德國[9]等歐美國家都有病例報道或有流行病學資料證實該病原體感染。2001年高東旗等[10]在大興安嶺地區(qū)開展人群埃立克體感染的調(diào)查，結(jié)果首次在亞洲從人血中擴增出人粒細胞埃立克體16s rrna基因片段。初步認為我國大興安嶺地區(qū)存在人粒細胞埃立克體感染人群。但以上報道所有的病例或感染者都有蜱叮咬史，傳染源是野外動物。2006年11月安徽省蕪湖市y醫(yī)院收治10例“人粒細胞無形體病”病例，由于其中后9例均是與首例病人有密切接觸的醫(yī)務人員或陪護親屬，且無蜱叮咬史等可能的傳播途徑，目前認為這起疫情是全球首次發(fā)現(xiàn)的人傳“人粒細胞無形體病”疫情。使人類對人粒細胞無形體病的流行病學特征又有了進一步了解和認識?，F(xiàn)將這起疫情的流行病學和臨床特征做一描述。

1 對象與方法

1.1 病例臨床資料 來源于蕪湖市y醫(yī)院。

1.2 現(xiàn)場流行病學調(diào)查

1.2.1 病例定義 因急性發(fā)病，發(fā)熱(t≥38 ℃)，外周血白細胞(white blood cell,wbc)和血小板(platelet count,plt)均下降的病人，可合并多臟器功能損害，具有可疑動物或首例病例接觸史并發(fā)病的病人，以及與這些病例在診療過程中接觸并具有以上類似病癥的病例，實驗室檢驗結(jié)果符合粒細胞埃立克體感染特征[11]。

1.2.2 個案調(diào)查 根據(jù)以上病例定義搜索病例，并對符合定義的10例病人或其家屬開展調(diào)查，調(diào)點內(nèi)容為發(fā)病前可能的暴露因素、發(fā)病經(jīng)過、診療過程、接觸者、接觸方式、接觸時間、個人防護情況、年齡、職業(yè)、生活環(huán)境和首例病人可能的動物接觸史。

1.2.3 病例密切接觸者調(diào)查 內(nèi)容基本與病例相同。

1.2.4 病例資料描述性流行病學分析 發(fā)病時間分布，病例的性別、年齡、職業(yè)分布，地區(qū)分布。

1.3 樣品采集和實驗室檢驗

1.3.1 首例病人(死亡病例)血清 送安徽省疾病預防控制中心，免疫熒光法檢測流行性出血熱igg。

1.3.2 繼發(fā)病例和對照樣本 繼發(fā)病例病后每隔3 d采取抗凝血2.5 ml和不抗凝血5 ml，采取病例早期咽拭子樣3 ml，病程中后期尿液2 ml。密切接觸者血清標本216人份(153人)，自然人群血清標本40份(40人)，檢測特異抗體和核酸。送安徽省疾病預防控制中心和中國疾病預防控制中心進行病原學檢測。

1.3.3 病例白細胞形態(tài)學檢查 吉姆薩染色觀察白細胞內(nèi)包涵體。

2 結(jié)果

2.1 臨床特征

2.1.1 臨床癥狀 所有病例均有畏寒和發(fā)熱，最高體溫都超過39 ℃，如果不進行對癥處理，則高熱不退。大多體溫39.5 ℃，最高40 ℃。病例的熱程在1～6 d，中位數(shù)為4 d。大多數(shù)病例(7/10)有腹瀉。在發(fā)病后1～4 d出現(xiàn)，多為1～2 d,大多數(shù)每天腹瀉3～4次，多的有5～6次。見表1。1例進展成急性呼吸窘迫綜合征(aucte respiratory distress syndrome,ards)，合并彌散性血管內(nèi)凝血(disseminated intravascular coagulation,dic)死亡。表1 皖南地區(qū)人粒細胞無形體病疫情臨床癥狀出現(xiàn)頻次

2.1.2 臨床檢驗結(jié)果 所有病例均先出現(xiàn)血液系統(tǒng)的改變，wbc和plt均出現(xiàn)進行性下降，wbc多為2.0×109/l～3.0×109/l、中性粒細胞比例減少多見 ，部分可見異形細胞，plt多為30×109/l左右;尿常規(guī)檢查4例尿蛋白陽性，可有血尿和顆粒管型;7例出現(xiàn)酶學改變，肌酶和肝酶升高，如乳酸脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶(alt和ast)異常，心肌酶譜升高(同工酶正常)等;腎功能異常出現(xiàn)較晚，且不是很嚴重(包括死亡病例)。

2.2 流行病學調(diào)查資料分析

2.2.1 發(fā)病時間分布 首例病人10月18日發(fā)現(xiàn)自己被野兔身上的草蜱咬傷右踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，10月21日上午在家衣櫥中捕殺一窩老鼠，并清理和清洗部分被老鼠污染的衣物。10月30日晚20：00發(fā)病，10月31日在該村衛(wèi)生室就診，11月3日晚21:00到x縣人民醫(yī)院治療，11月4日中午轉(zhuǎn)往蕪湖市y醫(yī)院就診，初步診斷為“流行性出血熱(少尿期)”。11月5日凌晨患者存在多臟器衰竭，11月5日6：55死亡。

從11月9日起陸續(xù)出現(xiàn)新病例，在12日出現(xiàn)發(fā)病高峰(4例)，后逐漸下降，見圖1。

2.2.2 性別、年齡、職業(yè)分布 10例病例中，男性6例，女性4例。職業(yè)為：農(nóng)民5例，醫(yī)務人員4例，教師1例。年齡在25～67歲之間，其中20～年齡組4例，30～歲組3例，40～、50～、60～年齡組各1例。

2.2.3 地區(qū)分布 10例病例中，宣城市x縣新杭鎮(zhèn)6例，蕪湖市y醫(yī)院4例。

2.2.4 密切接觸者情況 經(jīng)宣城、蕪湖兩市疾病預防控制中心對所有密切接觸者進行追蹤、隔離觀察及醫(yī)學觀察，結(jié)果共搜索與死亡病例(首例病人)病后有過密切接觸人員共63人，親屬21人，醫(yī)護人員42人(y醫(yī)院24人、x縣醫(yī)院16人、村醫(yī)2人)，其中9人陸續(xù)發(fā)病，4人為y醫(yī)護人員，5人為病人親屬，感染率14.3%。在y醫(yī)院有過密切接觸者39人中，發(fā)病9人，發(fā)病率為23.1%。與首例病人僅在病情尚不危重，未轉(zhuǎn)入y醫(yī)院之前密切接觸者24人沒有發(fā)現(xiàn)續(xù)發(fā)病例(χ2=4.7,p<0.05)。提示此階段病人不具備傳染性或傳染性不強，在y醫(yī)院與死亡病例危重時有過密切接觸是發(fā)病的危險因素。

與9例續(xù)發(fā)病例的密切接觸人員有90人，其中親屬朋友48人，醫(yī)護人員42人(y醫(yī)院20人、x縣醫(yī)院22人)。所有密切接觸者經(jīng)醫(yī)學觀察14 d，未再發(fā)現(xiàn)類似病例。

2.2.5 潛伏期估計 首例病人10月18日被蜱叮咬,21日接觸老鼠,30日發(fā)病。因為人粒細胞無形體病通常是蜱傳疾病，所以推算潛伏期為12 d。

9例續(xù)發(fā)病例在y醫(yī)院與死亡病例危重時有過密切接觸時間在11月4日或5日，發(fā)病在此接觸后4～13 d之間，中位數(shù)為7 d，主要集中在7～9 d，占66.7%(6/9)，見圖2。

2.3 實驗室結(jié)果

2.3.1 首例病人(死亡病例)血清流行性出血熱免疫熒光抗體igg(-)

2.3.2 繼發(fā)病例實驗室結(jié)果

2.3.2.1 排除可能的病原體感染的有關(guān)檢驗 11月15日～17日共5例病人血清標本流行性出血熱igm抗體陰性(elisa法)。11月17日采集的7例患者血清除一人流感igg(+)外，檢測sars、流感、副流感、柯薩奇、呼吸道合胞病毒、腺病毒、支原體、衣原體igm、igg抗體，均為陰性。7例患者咽拭子樣本流感通用型、b型、h5核酸檢測均陰性。斑疹傷寒、斑點熱、恙蟲病核酸檢測均無特異條帶擴增。 能引起出血熱的病毒如沙粒病毒屬、絲狀病毒(埃博拉病毒、馬爾堡病毒)、黃病毒、布尼亞病毒(漢坦病毒、cchf病毒、立夫特谷熱 )核酸和抗體均陰性。

2.3.2.2 病原體特異檢測 11月24日，9位患者早期(發(fā)病后3～5 d)血清抗粒細胞無形體igm(1∶20)、igg(1∶64)抗體檢測均為陰性，病后3 w對其中的5例病人恢復期血清進行了特異抗體igg檢測，5例病人血清igg抗體均為陽性,其中3人陽性滴度1∶64，2人陽性滴度1∶128(呈4倍增高)。8位患者的血標本的無形體和埃立克體屬16s rrna基因檢測陽性,pcr產(chǎn)物經(jīng)過測序分析驗證與嗜粒細胞無形體16s rrna序列100%同源。白細胞形態(tài)學檢查，1例病人白細胞內(nèi)可見嗜粒細胞無形體桑椹包涵體。

3 討論

3.1 這起疫情是嗜粒細胞無形體感染引起的 從臨床特征上分析，10例病人均有急性起病、寒戰(zhàn)、高熱、體溫超過39 ℃、相對緩脈、乏力不適、外周血wbc計數(shù)下降、plt下降，部分患者出現(xiàn)腹瀉、肝功能損害、腎功能損害，少見皮疹。符合嗜粒細胞無形體病臨床特點[2，12，13]。實驗室檢測排除斑疹傷寒、斑點熱、恙蟲病、能引起出血熱的一些病毒等病原體感染。繼發(fā)病例早期血清抗粒細胞無形體抗體陰性，恢復期轉(zhuǎn)為陽性,血標本的嗜粒細胞無形體16s rrna基因檢測陽性,pcr產(chǎn)物經(jīng)過測序分析驗證與嗜粒細胞無形體16s rrna序列100%同源。病人白細胞內(nèi)可見特異性桑椹包涵體。這些資料表明這些病人符合嗜粒細胞無形體病的診斷標準[11]。雖然首例病人在早期臨床上診斷為“流行性出血熱”，也沒有實驗室結(jié)果支持為嗜粒細胞無形體病，但該患者有蜱叮咬史，潛伏期為12 d，符合該病潛伏期7～14 d(平均9 d)的特征[12～14]。其病程發(fā)展符合該病臨床特點。與其密切接觸者發(fā)生與其臨床特點相符的病癥?？梢酝茢嗍桌∪艘矐撌鞘攘＜毎麩o形體感染。

3.2 這起疫情是一次罕見的、首次發(fā)現(xiàn)的人傳嗜粒細胞無形體病疫情和醫(yī)源性感染暴發(fā) 在此以前，嗜粒細胞無形體病已確認是蜱叮咬傳播的人畜共患的新發(fā)傳染病[1，8，13]。傳播媒介是硬蜱屬的一些蜱種[12，15]。在我國已經(jīng)報道過的嗜粒細胞無形體病(埃立克體病)病例或流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn)的感染者中，也都有蜱叮咬史[10，14]。皖南這起疫情的9例續(xù)發(fā)病例都沒有蜱叮咬史，也沒有其他野生動物接觸史，只是與首例病人在醫(yī)院中有過密切接觸，且發(fā)生醫(yī)務人員感染。由此來看，嗜粒細胞無形體病的傳染源可以是病人，傳播途徑可以是與危重病人近距離接觸而非一定是蜱傳。

3.3 人傳嗜粒細胞無形體病臨床特征和潛伏期與蜱傳嗜粒細胞無形體病基本相同 這起疫情病人臨床表現(xiàn)和體征以及實驗室檢驗結(jié)果與以往報道蜱傳嗜粒細胞無形體病沒有特異性。病人潛伏期多為7～9 d，以往報道蜱傳嗜粒細胞無形體病潛伏期為7～14 d(平均9 d)。病原體不同侵入部位和方式所引起的病理過程是否有差異有待研究。與危重病人近距離接觸傳播最可能的侵入途徑是吸入或沾染粘膜和破損皮膚，而蜱叮咬多在四肢暴露部位。

3.4 病人作為嗜粒細胞無形體病的傳染源的傳染力大小因其處在不同病程階段而不同 這起疫情與死亡病例(首例病人)病后有過密切接觸人員感染率14.3%。但其中與首例病人僅在病情尚不危重，未轉(zhuǎn)入y醫(yī)院之前密切接觸者24人沒有發(fā)現(xiàn)續(xù)發(fā)病例。與病人在危重時有過密切接觸者發(fā)病率為23.1%。提示這類病人在危重時應嚴格隔離，禁止病房內(nèi)陪護，醫(yī)務人員應加強衛(wèi)生防護。

【參考文獻】

 

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篇2

關(guān)鍵詞：油氣成藏動力，學油氣運移油，油氣成藏機理

 

1.油氣成藏動力學研究方法

成藏動力學研究是在綜合分析區(qū)域鉆探、地球物理、分析測試和地質(zhì)地化等資料的基礎(chǔ)上, 采用靜態(tài)描述和動態(tài)模擬相結(jié)合的方法, 其中計算機模擬方法可以定量地、動態(tài)地刻劃各種因素相互作用的歷史過程, 從而更深刻地揭示其內(nèi)在規(guī)律性, 因此是成藏動力學過程研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。成藏動力學模擬實質(zhì)上是成藏動力學過程模擬, 是一項高度復雜的系統(tǒng)工程, 它需要以當代最先進的地質(zhì)學和石油地質(zhì)學理論為基礎(chǔ), 全面利用各種地質(zhì)、物探資料, 采用最先進的盆地描述和盆地模擬技術(shù)方可進行[1]。，油氣成藏機理。盆地描述部分用于刻劃盆地現(xiàn)今的構(gòu)造、沉積巖性和各種地質(zhì)參數(shù)的空間展布特征, 為盆地模擬奠定基礎(chǔ)。盆地模擬方面包括構(gòu)造、沉積、儲層、古水動力場、古地溫、生烴、排烴、圈閉演化和油氣運移聚集等各個部分。其中, 從生烴到運移的模擬構(gòu)成成藏動力學過程模擬的主體, 而其他的描述和模擬則是成藏動力學過程模擬必不可少的重要基礎(chǔ)。成藏動力學過程模擬的最終結(jié)果體現(xiàn)在油氣資源量計算部分上, 包括計算出盆地的生烴量、排烴量、烴碳轉(zhuǎn)換量、油氣損失量, 最后要計算出盆地中聚集的油氣資源量[2]。，油氣成藏機理。

2.油氣成藏動力學系統(tǒng)的劃分及類型

田世澄(1996) 提出將受地球深部動力學控制的盆地構(gòu)造2沉積旋回作為一個成藏動力學系統(tǒng), 把改變地下成藏動力學條件, 影響成藏動力學過程的區(qū)域不整合和區(qū)域分布的異?？紫读黧w壓力界面作為不同成藏動力學系統(tǒng)的界面。并據(jù)動力學特征將成藏動力學系統(tǒng)分為開放型、封閉型、半封閉型3 種類型, 據(jù)油源特征又區(qū)分為自源成藏動力學系統(tǒng)和他源成藏動力學系統(tǒng)。因此共可劃分出6 種油氣成藏動力學系統(tǒng)[3-6]?？涤郎?1999) 根據(jù)系統(tǒng)動力的來源、去向和系統(tǒng)的演化方式將油氣成藏流體動力系統(tǒng)分為重力驅(qū)動型、壓實驅(qū)動型、封存型和滯留4 種。，油氣成藏機理。實際上重力驅(qū)動型對應開放型, 壓實驅(qū)動型對應半開放型, 封存型和滯留型則對應封閉型。，油氣成藏機理。，油氣成藏機理。因此二者是一致的。這種以油氣成藏的動力因素來劃分油氣系統(tǒng)的方法比經(jīng)典的含油氣系統(tǒng)的一套源巖對應一個油氣系統(tǒng)的粗略劃分方法更深入, 更能體現(xiàn)油氣作為一種流體的運動分布規(guī)律, 從而有效指導我國陸相含油氣盆地的勘探[7]。

3.油氣成藏主要動力因素的研究

沉積盆地實際上是一個低溫熱化學反應器, 油氣的富集是由溫度、力和有效受熱時間控制的化學動力學過程, 及由壓力、地應力、浮力和流體勢控制的流體動力學過程的綜合結(jié)果, 也是盆地中各個成藏動力學系統(tǒng)中的油、氣、水三相滲流過程的結(jié)果。張厚福(1998) 認為: 地溫場、地壓場、地應力場等“三場”系受地球內(nèi)能控制, 是地球內(nèi)部能量在地殼上的不同表現(xiàn)表現(xiàn)形式。“三場”相互之間彼此影響與聯(lián)系。“三場”的作用使地殼上形成海盆、湖盆等各種水域, 才衍生出水動力場, 有了水體才能出現(xiàn)化學場與生物場, 后二者也相互聯(lián)系與相互制約。綜合這些場的作用, 在含油氣盆地內(nèi)才出現(xiàn)油氣成藏動力系統(tǒng)與流體壓力封存箱等地質(zhì)實體, 后二者之間互有聯(lián)系和影響。油氣從烴源巖生成并排出到相鄰的輸導層經(jīng)運移聚集而成藏及成藏后發(fā)生的物理化學變化這一系列過程都始終貫穿“三場”的作用[8-10]。

4.含油氣系統(tǒng)和油氣成藏動力學的關(guān)系探討

目前對含油氣系統(tǒng)和油氣成藏動力系統(tǒng)之間的關(guān)系眾說紛紜。主要有3 種說法。(1) 含油氣系統(tǒng)研究是油氣成藏動力學研究的起點。(2) 油氣成藏動力學研究是含油氣系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。王英民(1998) 認為含油氣系統(tǒng)劃分是成藏動力學研究的結(jié)果。，油氣成藏機理。(3) 含油氣系統(tǒng)和油氣成藏動力學系統(tǒng)是交叉關(guān)系。筆者認為由油氣運聚的物質(zhì)空間和動力因素控制的流體輸導系統(tǒng)的研究是油氣成藏動力學研究的核心內(nèi)容, 油氣成藏動力學研究應按照從源巖到圈閉這一歷史主線, 側(cè)重于油氣成藏的動力學與運動學機制的研究。但油氣成藏動力系統(tǒng)對應的狀態(tài)空間是油氣藏。而含油氣系統(tǒng)是從油氣顯示開始, 而不考慮其是否具有工業(yè)價值。因此油氣成藏動力系統(tǒng)是在大的合油氣系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上進一步按油氣運聚動力學條件而追蹤油氣分布規(guī)律。因此筆者傾向于第一種說法, 認為在含油氣系統(tǒng)宏觀研究思路基礎(chǔ)上進行油氣成藏動力學過程的系統(tǒng)研究, 并根據(jù)成藏動力源泉進一步劃分油氣成藏動力系統(tǒng), 才能弄清我國陸相盆地的成藏機理和油氣分布規(guī)律并建立當代高等石油地質(zhì)理論, 從而更好地指導21 世紀的油氣勘探[11]。

參考文獻

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[11]費琪,等1成油體系與成藏動力學論文集[C]1北京:地震出版社,19991

篇3

完成單位：東華大學

“纖維/高速氣流兩相流體動力學及“應用基礎(chǔ)研究”項目解決了纖維在高速氣流場中的耦合相互作用問題，這在國內(nèi)外同類研究中未見報道。作為基礎(chǔ)科學研究項目，東華大學紡織學院獲得紡織之光2012年度科技獎一等獎的項目，為紡織新技術(shù)、新工藝的產(chǎn)生與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

紡織氣流問題是紡織科學中的重要基礎(chǔ)性課題。自上世紀80年代高速氣流在噴氣織機、噴氣紡紗機得到商業(yè)化應用以來，在陸續(xù)產(chǎn)生了變形絲、網(wǎng)絡絲、空氣捻接、熔噴非織造和噴氣渦流紡紗等現(xiàn)代紡織新技術(shù)中，高速氣流技術(shù)已成為現(xiàn)代紡織加工的主流技術(shù)之一。

高速氣流與其加工對象——纖維或紗線之間的耦合作用特性是這些技術(shù)共有的基本特征。但是，國內(nèi)外的相關(guān)研究還主要局限在低速氣流，纖維/高速氣流兩相流體動力學的基礎(chǔ)研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術(shù)的紡織應用提供有力的支撐。

項目研究團隊于1995年起，在國家自然科學基金委、教育部和上海市等科研計劃項目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學開展了系統(tǒng)的研究工作，實現(xiàn)了五個方面的技術(shù)創(chuàng)新。

作為項目組成員之一，東華大學教授曾泳春為我們做了更加詳細的介紹。首先，構(gòu)建了基于柔彈性特征的纖維模型?！爸椤獥U”鏈式和基于有限單元法的纖維模型，將纖維的柔彈性物理特征納入其中，實現(xiàn)了纖維在高速氣流中位置、取向及變形的合理描述。二是揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運動變形規(guī)律。在國際上首次實現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動的數(shù)值模擬，獲得了纖維運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。三是實現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實驗測試。四是對纖維，高速氣流兩相流體動力學理論研究成果在高速氣流紡紗中進行應用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線毛羽的機理，設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紡紗噴嘴，實現(xiàn)了工藝的系統(tǒng)優(yōu)化與成紗質(zhì)量的精確預測。五是將纖維，高速氣流兩相流體動力學模型拓展應用于超細纖維紡絲拉伸技術(shù)中。

基礎(chǔ)科學研究不僅僅是實驗室中的數(shù)據(jù)和論文上的文字，它的投產(chǎn)使用才是研發(fā)的初衷。紡織科學國家重點學科現(xiàn)代紡織技術(shù)研究方向?qū)W科帶頭人之一，本項目的第一完成人，東華大學教授郁崇文讓我們看到的是這項研究的前景。

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關(guān)鍵詞：液壓支架；流體；動力響應；非穩(wěn)態(tài)

1液壓支架前連桿三維結(jié)構(gòu)模型

利用大型有限元分析軟件Solidworks對液壓支架前連桿進行建模，并且進行簡化處理，以便進行流體動力學分析。簡化的具體情況：（1）忽略倒角圓角等細小特征，該特征將直接影響收斂速度，從而影響結(jié)果的精度；（2）忽略建立銷軸零件模型，在載荷設(shè)置中可以設(shè)置相關(guān)的約束，否則會影響前連桿動力學參數(shù)曲線的輸出精度；（3）忽略焊縫的影響。材料屬性為：彈性模量210GPa，泊松比μ=0.3，密度7850kg/m3，前連桿三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圖1前連桿三維結(jié)構(gòu)模型在網(wǎng)格劃分過程中，單元選擇SHELL63，該單元是一種應用于大變形和應力剛化的四節(jié)點彈性殼單元，每個節(jié)點自由度具有繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動和沿X、Y、Z方向的平動6個自由度。通過賦予4個節(jié)點來建立不同厚度分布的模型，對于不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)具有較高精度。網(wǎng)格化的前連桿如圖2所示，節(jié)點數(shù)14537，單元總數(shù)7089。

2基本控制方程

液壓支架前連桿附近流體為黏性不可壓縮流體流動，運動類型為湍流運動，雷諾數(shù)為4200，并且滿足以下控制方程：連續(xù)性方程。

3前連桿流體動力學分析

邊界條件及數(shù)值計算方法為前連桿承受的載荷主要為液壓支架的擺動及轉(zhuǎn)動。在工程應用中，一般轉(zhuǎn)速為0.8m/s，本文模型的計算域大小為長5m、寬3m、高4m，前連桿位于計算域的中心位置。數(shù)值計算方法為Simple算法，周圍流體滿足的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等的殘差均小于10-6，當參數(shù)趨于漸近值時，達到收斂，之后采用Quick格式求解，再次進行迭代直至收斂。圖3、圖4為前連桿在非穩(wěn)態(tài)情況下切面云圖變化。由圖3可知，前連桿切面周圍溫度由同一方向293.17~293.25K過渡，最終趨于293.19K，呈穩(wěn)態(tài)變化，這是由于該系統(tǒng)符合能量守恒定律，表面有一定的溫度，流體接觸前連桿形成散射波，并且繞流在前連桿周圍，導致溫度升高。流體距離前連桿越遠，繞流逐漸散去，溫度降低。圖4給出了塔架切面靜壓等高線，經(jīng)過流體的前連桿靜壓變化由1.01278×105Pa向1.01348×105Pa過渡，呈非線性增長，最終趨于1.01320×105Pa，壓力變化平緩，避免了由于壓力變化幅度過大引起結(jié)構(gòu)失效。圖3、圖4說明了前連桿結(jié)構(gòu)能夠適應在非穩(wěn)態(tài)流體載荷的溫度及壓力變化，數(shù)值模擬結(jié)果中的溫度及壓力變化沒有出現(xiàn)極值幅度，周圍不易形成漩渦，保證了前連桿在液壓支架中的正常運行。圖5、圖6、圖7分別為湍流動能、平均動能、相對壓力變化曲線。從圖5可知，前連桿的湍流動能最大值為4.8J/kg，隨著長度的逐漸增大先減小后增大，最后達到最大值，這是由于前連桿機械能增大，隨后逐漸減小，趨于一個定值。從圖6可知，平均運動能在0~12s出現(xiàn)振幅較小的振蕩，12~24s出現(xiàn)幅度較大的振蕩，最后趨于定值，完成了一個脈動周期，說明能量耗散變化趨勢和機械能與內(nèi)能之間轉(zhuǎn)換的關(guān)系，12~24s能量耗散是最大的，內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能也是最大的，符合能量守恒定律，輻射阻尼使系統(tǒng)的部分能量向四周輻射出去，使前連桿平均運動能呈現(xiàn)振蕩。從圖7可知，隨著長度的增加呈現(xiàn)減小與增加的交替現(xiàn)象，這是由于前連桿在剛啟動時，相對壓力與平均力矩即扭矩呈正比關(guān)系，隨著前連桿的轉(zhuǎn)動，扭矩的勁逐漸增大，然后減小，呈現(xiàn)交替現(xiàn)象，符合扭矩變化規(guī)律。圖8、圖9分別為前連桿應力和位移變化云圖，應力變化在范圍允許之內(nèi)，整個前連桿應力幅度變化不大，承受主要載荷的區(qū)域顯示淺綠色，其余部分由圖中應力的顏色可知在安全范圍內(nèi)，符合強度要求。從位移變化云圖可知，位移在0.02~0.15mm浮動，符合穩(wěn)定性要求，穩(wěn)定性尤為重要，直接關(guān)系前連桿與其他配合零件相對位置，進而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4結(jié)語

經(jīng)過液壓支架前連桿的流體動力學分析，可以得出，液壓支架前連桿承受非穩(wěn)態(tài)流體載荷的靜壓與溫度變化，符合流體動力學規(guī)律，壓力變化平緩，呈現(xiàn)非線性增長。平均動能出現(xiàn)振幅較小的振蕩，最后趨于定值，符合能量守恒定律，應力與位移變化幅度較小，位移變化量有10%以上的裕度，穩(wěn)定性較好，符合強度要求，從而為前連桿在運行過程中動力學參數(shù)的監(jiān)測提供一定的參考。

參考文獻：

［1］陸丹丹,陸金桂.基于灰熵關(guān)聯(lián)的液壓支架前連桿疲勞壽命影響因素分析［J］.機械制造與自動化,2016,45(5):37-39.

［2］廖華林,李根生,李敬彬,等.徑向水平鉆孔直旋混合射流噴嘴流場特性分析［J］.煤炭學報,2012,37(11):1895-1900.

［3］王永龍,王振鋒,孫玉寧,等.水力割縫閥體實現(xiàn)切換的流體動力學分析［J］.煤礦機械,2015,36(3):123-125.

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關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房；煤氣泄漏；火災模擬；煙氣流動

中圖分類號：X92 文獻標識碼:A

1 概述

隨著工業(yè)化發(fā)展的不斷提高，工業(yè)用火、用電、用氣和化學物品的應用也日益廣泛，工業(yè)建筑物火災的危險性和危害性大大增加，伴隨而來的火災發(fā)生的頻率也越來越高，尤其在工業(yè)廠房內(nèi)，一旦有火災發(fā)生就會對人員的生命財產(chǎn)造成直接的危害，嚴重的情況下會導致巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

例如以簡化的廠房空間為研究對象，借助大型專業(yè)化計算流體力學軟件FLUENT, 對單室內(nèi)由于煤氣泄漏引起的火災及煙氣蔓延過程進行數(shù)值模擬，得到了火場中溫度場和燃燒產(chǎn)物二氧化碳濃度場的直觀顯示，為人們了解火災發(fā)生和發(fā)展的過程提供了新的方法和手段，也為工業(yè)建筑防火設(shè)計和消防安全評估提供了新的科學工具，是消防安全工程學和性能化設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

2本文設(shè)定的場景與幾何建模

實驗房間幾何尺寸為長6.0m，寬3.3m，高4.5m，房間墻壁有一高1.2m，寬2.0m的窗戶，窗戶對面是一高2.0m，寬0.8m的房門，在一側(cè)壁中央位置距地面高1.0m有一處煤氣泄漏點，本文考慮的泄漏危險源是沿墻鋪設(shè)的煤氣匯流排管道有一處泄漏，形成直徑為1cm的圓形泄漏噴口，泄漏流量為0.1413m3/h（即泄漏速度為0.5m/s），泄漏煤氣的主要成分為甲烷。如圖2.1所示為在GAMBIT幾何建模軟件中建立的實驗房間幾何模型。

2.1 實驗房間幾何模型

3建立數(shù)學物理模型

火災的場模擬理論基礎(chǔ)是基于質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、化學組分平衡的微分方程，而場模擬的過程就是對這些方程組進行數(shù)值求解。然而這些方程組是不封閉的，為了使方程組封閉，就必須引入湍流的附加方程，然后借助計算機對封閉方程組進行求解，就可以得出火災過程中各種參數(shù)的詳細空間分布及其隨時間的變化。

3.1湍流平均量方程

火災中燃燒的湍流過程影響著整個流體的流動，要想求解方程組就必須正確處理湍流過程。計算湍流粘性系數(shù)Ut的方法就是所謂的湍流模型，湍流模型種類很多，本文引用應用范圍較廣的k-epslion雙方程模型：

3.2邊界條件

FLUENT軟件包含了更為廣泛的邊界條件設(shè)置類型，本文僅結(jié)合所研究的實際問題進行討論。

（1）流體進口邊界條件：本文對于著火廠房設(shè)置了兩個流體進口，一個是燃料進口，另一個是空氣進口。其中甲烷的泄漏速度為0.5m/s，溫度為300K；窗戶進風速度始終為0.5m/s，溫度300K。

（2）流體出口界面：本文場景中廠房的房門為出流口。

（3）壁面：本文的研究中采用絕熱、無滲透、無滑移壁面。

4模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬計算采用FLUENT軟件進行，使用分離解方法。求解過程中，燃燒控制方程具有較好的收斂記錄。

圖4.1 60秒時溫度等值線圖

圖4.2 60秒時CO2濃度等值線圖

結(jié)果分析

高溫煙氣對人體的危害如果煙氣層面高于人眼的特征高度時（人眼的特征高度通常為1.2～1.8m，一般取1.5m），其煙氣層的熱輻射強度就會傷害人，而當煙氣層面低于人眼的特征高度時，對人的危害將是直接燒傷或由于吸入熱氣體而對呼吸系統(tǒng)的破壞。由60s時圖4.1可以看出，房間窗戶下沿1.8m處煙氣溫度已經(jīng)達到180℃左右，此時可對人體造成輻射傷害，在房間中后部煙氣高度已接近1.5m，將對人體構(gòu)成直接傷害。所以，人置身于煤氣泄漏的火場時，要在短時間內(nèi)逃離，以防熱煙氣層的沉積造成高溫煙氣的輻射、灼傷而阻礙逃生。

CO2濃度在60秒時有明顯的增長趨勢。主要是廠房空間內(nèi)原有的氧氣和窗戶的進風使煤氣燃燒充分，生成較多的CO2，幾乎在短時間內(nèi)就彌漫了廠房的上半層空間，圖4.2可以看出，廠房的大部分空間已經(jīng)彌漫了濃度較高的CO2，并且在生成CO2的同時消耗了大量的氧氣，CO2對人體的危害主要是窒息作用。

結(jié)論

采用專業(yè)化計算流體力學軟件FLUENT對工業(yè)廠房的煤氣泄漏火災進行了模擬，把火災數(shù)值模擬技術(shù)應用于實際，實現(xiàn)了火場中的物理量，如溫度、生成物組分二氧化碳濃度隨泄漏時間變化的直觀顯示，為廠房內(nèi)危險區(qū)域的劃分及災害控制提供了參考依據(jù)，也為廠房結(jié)構(gòu)空間的性能化設(shè)計和煤氣泄漏火災的防治提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1]王福軍.計算流體動力學分析[M].清華大學出版社，2004.

[2]韓占先，徐寶林，霍然等.火災科學與消防工程[M].山東科學技術(shù)出版社，2001.

[3]霍然等.建筑火災中煙氣蔓延的動態(tài)顯示[J].火災科學，1995，Vol.4，No.3.

[4]范維澄，萬躍鵬.流體及燃燒的模型與計算[M].北京：中國科學技術(shù)大學出版社，1992.

篇6

所謂的流體力學，是一門專門研究像液體、氣體等流體運動形態(tài)以及其運動規(guī)律和應用的學科。流體在力的作用下，其本身的物理性質(zhì)會發(fā)生一定的變化，比如流體的固體壁面，流體和固體之間的相互作用，流體的壓強、溫度，還有流體的密度等等變量，都會發(fā)生變化。在選礦的過程中，有許多地方都會用到流體力學的知識，比如一些設(shè)備的設(shè)計，就是按照流體力學的原理來設(shè)計的，所以流體力學在選礦中起著極其重要的作用。本文就流體力學的特點做了詳細的闡述，以及對流體力學在選礦中所存在的問題進行了深入的探討。

前言

流體力學的發(fā)展起源于阿基米德，他是一位古希臘人，建立了液體平衡理論，在這個基礎(chǔ)上，流體力學的運用才得以發(fā)展。而如今流體力學的應用范圍越來越廣泛，在空氣動力學、電磁計算流體學、氣液相流體學等方面都有十分重大的突破。

冶金和煤礦的生產(chǎn)都需要進行選礦，在工業(yè)生產(chǎn)上，選礦起著非常重要的作用。所謂選礦，就是通過化學或者是物理等方法把有用的礦物和無用的礦物分開，最終獲取能夠被生產(chǎn)中得以利用的礦物的過程。選擇有用物料的方式分為兩種情況。

一種是針對單體解離狀態(tài)的，可以采用不同的選礦方法，把我們所需要的有用的礦物篩選出來；

另一種是針對不能達到單體解離狀態(tài)的，這就需要將物料用機械破碎和磨碎的方法來取得當中的有用礦物?；乜凑麄€世界的選礦發(fā)展史，不難看出，流體力學在整個選礦發(fā)展過程中起到了不可替代的作用。眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)上選礦的方法有很多，比如利用重力來進行篩除選礦，還有利用浮力來選礦等等。隨著科技的發(fā)展，應用流體力學的原理來進行選礦，已經(jīng)越來越普及，現(xiàn)在許多大型選礦機器都有流體力學的應用。也就是說，要進行高質(zhì)量、高效率的選礦，流體力學的運用是必不可少的環(huán)節(jié)。

1.選礦中所用的設(shè)備

1.1旋流器

所謂的旋流器，在液體的分級分離中經(jīng)常用到它。它的工作原理是利用離心的方法，使得不同質(zhì)量不同密度的物質(zhì)分離沉降。旋流器整體是一個圓錐形，采出來的礦漿通過管道進入旋流器內(nèi)部，進入的礦漿在旋流器強大的離心力作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。礦漿中含有不同質(zhì)量和大小的礦物質(zhì)顆粒，在旋流器離心力的作用下，大的礦物質(zhì)顆粒和密度高的顆粒就被拋向旋流器內(nèi)壁，在重力的作用下，這些顆粒靠著內(nèi)壁逐漸的下沉，最后在旋流器的底部流出。而那些比較細小的顆粒和液體則經(jīng)過溢流管口流出來。所以，礦漿經(jīng)過旋流器，就把大的礦物顆粒和細小的礦物顆粒分離開來，離心力的篩選是很有效的，相比于重力場，它具有快速、高效、穩(wěn)定分離的特點。目前的選礦旋流器主要有兩種，

一是用水作為介質(zhì)的水力旋流器，第二種就是專門配制的重介質(zhì)液體，密度比水更高，以此作為介質(zhì)的重介質(zhì)旋流器。這兩種旋流器的作用各不相同，

第一種是專門用于脫泥以及脫浮選藥劑的水力旋流器，第二種是專門用于最后分選冶煉。旋流器的原理簡單，但是液體在其內(nèi)部的流動卻是十分復雜的，這要涉及到流體力學中的湍流運動。所謂的湍流運動就是將流體的流動看作是一個三維空間內(nèi)的運動，在這個三維空間內(nèi)，任何一點的速度都可以分解成橫向速度、縱向速度和切向速度。就是這樣的運動特征和旋流器內(nèi)復雜的邊界，使得內(nèi)部的流體力學并沒有一定的規(guī)律可循，自然就沒有具體的方法來研究，只能通過實際的測量來估算和分析。通過實際測量，旋流器內(nèi)的運動實際是一個組合運動，它是通過自由渦和強制渦組合在一起共同形成的。在旋流器工作的時候，由于切向速度最大，導致了旋流器內(nèi)壁的壓力小于其中問的壓力而形成一個負壓區(qū)，空氣從底部進入，旋流器中間區(qū)域就成了真空的空氣柱。那些比較重的礦物質(zhì)直接由旋流器內(nèi)壁被分離了下來，從底部排出，那些輕的礦物質(zhì)就由上面的口排出。

1.2浮選機

浮選礦物質(zhì)實際就是利用浮力，將礦物質(zhì)浮到水面來進行篩選。這就要求礦漿中必須要充滿大量的氣泡，必要時，還要在礦漿中添加一種捕收劑，這種藥劑會作用在礦物質(zhì)顆粒表面，使得礦粒的疏水性增加，利于捕收。有些礦粒是疏水性，而有些是親水性的，疏水性的礦粒和產(chǎn)生的氣泡相結(jié)合，由于浮力原因而浮出水面，那些清水性的礦粒則不會與氣泡結(jié)合而下沉。產(chǎn)生氣泡的方法有很多，一般采用機械攪拌和電解水來產(chǎn)生氣泡。

1.3浮選柱

浮選柱也是一種專門用來選擇礦物質(zhì)的設(shè)備。浮選柱早在上世紀六十年代就開始應用，只不過由于氣泡發(fā)生器設(shè)計的并不好，始終無法很好的產(chǎn)生氣泡，就使得浮選柱并沒有廣泛的運用。浮選柱的氣泡產(chǎn)生器位于柱體下端，礦物由上部倒入。其原理和上面介紹的浮選機差不多，也是通過重力和浮力的相互作用來實現(xiàn)礦粒的分離。所以氣泡發(fā)生器才是浮選柱工作的關(guān)鍵所在，如果氣泡發(fā)生器無法正常工作產(chǎn)生氣泡，浮選柱也就無法分離礦物質(zhì)。

2.流體力學在選礦設(shè)備中的應用

浮選機的工作原理是利用氣泡產(chǎn)生的浮力和礦物質(zhì)本身的重力實現(xiàn)礦粒分離，分離的過程中就需要大量的氣泡，氣泡發(fā)生器正是大量產(chǎn)生氣泡的設(shè)備。通常我們都把氣泡發(fā)生器分為兩類，即外部發(fā)生器和內(nèi)部發(fā)生器這兩類。

外部氣泡發(fā)生器也有兩種，通常用的是氣水噴射型。它是把壓縮空氣和水一起混合，通過噴頭直接噴入浮選機內(nèi)，再通過分流孔將水流分開，從而產(chǎn)生氣泡。

顧名思義，內(nèi)部氣泡發(fā)生器是將有孔介質(zhì)固定在浮選機內(nèi)部，然后沖入空氣，通過介質(zhì)的孔向外噴出氣泡。內(nèi)部氣泡發(fā)生器常常出現(xiàn)問題，原因在于有孔介質(zhì)放在浮選機內(nèi)部，很容易被礦粒堵塞和結(jié)垢，使浮選機無法正常工作，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用這種方法了。

上述兩種氣泡發(fā)生器都是以往一直被使用的。但畢竟它的結(jié)構(gòu)太過復雜容易出現(xiàn)問題，而且能量消耗也不小。目前被廣泛采用的是另一種更加先進的設(shè)備――微泡發(fā)生器。這種氣泡發(fā)生器利用了流體力學的原理，首先流體在其內(nèi)部分散開來，在后半段又重新成為連續(xù)相。微泡發(fā)生器動力消耗小，產(chǎn)生氣泡效率高，礦化充分，而且使用壽命長，大大節(jié)省了維護費用。

目前較為先進的浮選機是德國制造的切向噴射浮選機，其也是利用流體力學的原理進行選料。它有兩個槽室，一個收集精礦，一個用作分離室。礦漿沿著切線方向射入容器，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，和氣泡結(jié)合的礦物質(zhì)浮力大，向上運動。沒有結(jié)合水的礦粒則向下沉降，最后通過底部排出。

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關(guān)鍵詞： 巖石變形巖土模型試驗透明模型

中圖分類號：F470.1 文獻標識碼：A

0 引言

地下巖體在施工過程中存在很多不確定性因素，由于這些風險無法用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式法、理論計算法和數(shù)值模擬分析法進行求解，因此研究人員只有通過一些模型試驗來進行類比推理?？梢哉f，運用模型試驗法來探索巖體內(nèi)部的變形相對于其他方法來說比較直接有效。

1 傳統(tǒng)的物理模型試驗法

物理模型試驗以實驗力學為基礎(chǔ)，作為一種研究手段，發(fā)揮了非常大的作用[1]，這種研究方法在模擬巖石的應力變化和分布情況、巖石結(jié)構(gòu)的破壞情況以及發(fā)展變化等方面都非常有效[2]。

相似模型試驗是在實驗室內(nèi)按相似原理制作與原型相似的模型，借助測試儀表觀測模型內(nèi)力學參數(shù)及其分布規(guī)律，利用在模型上研究的結(jié)果，借以推斷原型中可能發(fā)生的力學現(xiàn)象以及巖體壓力分布的規(guī)律，以便為巖土工程設(shè)計和施工方案的選擇提供依據(jù)。這種研究方法直觀且實驗周期短，而且能夠根據(jù)需要，通過固定某些參數(shù)，改變另一些參數(shù)來研究隧道圍巖應力在空間和時間上的分布規(guī)律和變化情況，這在現(xiàn)場條件下是難以實現(xiàn)的。而且根據(jù)模型實驗的結(jié)果，可以推斷原型可能出現(xiàn)的力學現(xiàn)象與變形狀態(tài)以及工程的穩(wěn)定性與安全程度。

在巖土模型試驗中，研究人員用來觀察量測巖體內(nèi)部變形的方法主要有在土體中預埋傳感器或電阻應變片法、X-射線、γ-射線、計算機軸向斷層掃描（CAT）和核磁共振成像（MRI）法、數(shù)字圖像技術(shù)法及光學測量技術(shù)法等，但是這些方法都有一定的局限性，不能解決隧道模型內(nèi)部變形過程可觀測的問題。

2 數(shù)字照相變形量測技術(shù)

數(shù)字照相量測就是利用數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、CCD攝像機、CT掃描、激光照相等圖像采集手段，獲得觀測目標的數(shù)字圖像后，再利用計算機數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)，對觀測目標進行變形或特征識別分析的一種現(xiàn)代量測技術(shù)。

位移測量和模型內(nèi)部變形情況是相似材料模型試驗的主要觀測內(nèi)容，也是進一步研究模型內(nèi)部力學形態(tài)的基礎(chǔ)。土的變形測量通常有兩種方式：（1）在模型邊界處設(shè)置位移探頭以測定某點的位移；（2）利用光學技術(shù)對整個研究區(qū)域的變形場進行非插入式測量。傳統(tǒng)的測量方法有物理測量和機械測量，其缺點就是觀測裝置或者傳感器安裝比較麻煩、工作量大，而且采樣點有限，只能測量土體塊邊界上的變形，隨著數(shù)碼產(chǎn)品的高性能化和計算機圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠測量并展現(xiàn)土體內(nèi)部的變形過程，數(shù)字照相量測技術(shù)也成為地下工程相似模型試驗中越來越重要的測試手段。李元海[5]開發(fā)出了一套數(shù)字圖像變形量測無標點分析軟件PhotoInfor程序和后處理程序PostViewer，該項技術(shù)有助于研究巖土模型全程漸進性變形破壞過程。

數(shù)字照相量測技術(shù)可以幫助研究人員進一步認識土體的內(nèi)部變形情況。在對巖體模型進行數(shù)字照相變形量測時，利用數(shù)碼相機和激光切片試樣可以獲得土體內(nèi)部清晰的變形圖像。無損測量試樣的變形是依靠由計算機、激光、CCD相機和幀存儲器構(gòu)成的光學系統(tǒng)獲得的?；蛘撸覀円部梢岳眉す獬上?，由土壤和激光共同作用來生成特別的散斑圖，由兩幅散斑圖可以獲得二維變形場，綜合分析多個二維變形場即可獲得巖土體的三維變形場。

3 透明材料模型試驗法

透明巖體模型試驗法克服了巖土體內(nèi)部變形不可視的不足，實現(xiàn)了內(nèi)部變形的可視化觀測，這種方法不需要接觸模型，因此排除了觀測方法對實驗結(jié)果的干擾，同時該試驗方法較以往的光學觀測實驗而言更為便捷，測量準確度也得到了很大提高[6]。

自然土體由兩部分組成：土顆粒和孔隙流體。在用透明材料進行模擬時需要分別選定性質(zhì)相近的材料將兩者進行合成，選擇時為了保證合成材料的透明性，務必使兩種透明材料的折射率近似相等。用來模擬土顆粒的材料必須滿足以下兩點要求：物理性質(zhì)與自然土相近、具有一定的透明度。

模擬材料主要有無定型硅石粉末、無定型硅石凝膠和熔融石英砂。用來模擬孔隙流體的材料，必須滿足以下幾點要求：物理性質(zhì)與孔隙流體相近、化學性質(zhì)穩(wěn)定且透明性良好，更為重要的一點是，這種模擬孔隙流體的材料務必具有與模擬土顆粒的材料相似的折射系數(shù)，而且不能與模擬土顆粒的材料發(fā)生反應。目前為止，孔隙流體的模擬材料主要有兩種：（1）石蠟和白色礦物油混合而成，二者的重量比為1:1；（2）溴化鈣和水混合而成，即所謂的鹵水[7]。

吳明喜[9]用折射率為1.458、粒徑為0.1-1mm的熔融石英砂模擬砂土顆粒，用濃度為75.5%的溴化鈣水溶液模擬孔隙流體，根據(jù)石英砂的折射率采用折射率-濃度法配制與石英砂相同折射率的溴化鈣溶液，然后將石英砂溶解在溴化鈣溶液中并進行真空排氣得到透明土試樣，對試樣進行三軸壓縮試驗。研究結(jié)果表明，該法得到的砂土試樣具有良好的透明度，當不同應力作用其上時，該合成砂土與自然砂土的應力應變特征相近，可在某種程度上模擬砂土的巖土特征。

許國安[10]選用液體石蠟與正十三烷按質(zhì)量比0.85混合而成的溶液模擬孔隙流體，用細度為300目的硅石凝膠模擬土顆粒，將硅膠粉溶解在混合溶液中并進行真空排氣得到透明土試樣。對試樣進行三軸試驗，測定了固結(jié)壓力不同時透明材料的相關(guān)力學參數(shù)。

用透明材料來模擬巖體，同時結(jié)合數(shù)字照相量測系統(tǒng)對巖體內(nèi)部的變形進行觀測分析，這樣可以更加方便和形象地得到外界荷載作用下巖體內(nèi)部漸進變化情況，從而彌補常規(guī)巖體相似材料的不透明性缺點，可為巖土工程施工的可視化試驗研究提供一定的幫助。因此，借助于透明相似材料和數(shù)字照相量測方法以及相似模型試驗技術(shù)對隧道圍巖變形破裂規(guī)律進行試驗研究具有一定的學術(shù)價值，也會對實際工程有一定的指導意義。

4 研究不足

由于透明材料的特殊性，其強度有一定上限，合成的透明材料只能模擬軟巖的性質(zhì)，暫時無法模擬硬巖。

合成的透明材料顆粒之間的粘結(jié)力不夠，與實際情況有一定差距。

透明巖體的透明度有限，實驗過程中對外界環(huán)境要求較高。

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篇8

關(guān)鍵詞：儲層砂巖；出砂；三維顆粒流程序；力學響應；不同物性

中圖分類號：TU45

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02002807

Abstract：The reservoir sandstone is the sedimentary rock with many cemented sand particles. The different physical property of the reservoir even in the same area results in different mechanical response and sand production of the sandstone. Taking two types of the reservoir sandstones as research subjects， a numerical model based on 3Dimensional Particlebased Distinct Element （PFC3D） under cylindrical coordinate system was used to simulate the micromicro response of the sandstone considering the given confining pressure and the oil flow rate. Meanwhile， the sanding initiation and the process of the development were analyzed. The macro stress indicated that the reservoir sandstones with weaker cemented sand particles and less percent of the cemented materials would yield and fail more easily， the sand production was initiated more easily as well. Meanwhile， the stress of the parallel bonds indicated that the reservoir sandstones with granule and less cemented materials dislodged from the sandstone more easily， and the force on the particle contact was larger and the sandstone failure was more serious.Hence， the probability of the dislodged particles flowing into the wellbore was also much more. In addition， the particle displacement and rotation indicated that the physical property of the sandstone played a significant influence on the mechanical response and the sand production， the results also agreed with the above results. Therefore， the sand mechanical response and sand production of reservoir sandstone are both different due to different physical property of the reservoir. As a result， the reliable measures of the sand prediction and sand control will be adopted based on the reservoir physical property and conditions.

Key words：reservoir sandstone； sand production； 3Dimensional particlebased distinct element； mechanical response； different physical property

儲層開采過程中，油井出砂與產(chǎn)能提高的平衡問題一直受到不少學者和工程人員的關(guān)注，解決該課題對石油的可持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐意義。目前，隨著油藏勘探難度的增大，優(yōu)質(zhì)儲量的減少，不同物性特征的砂巖儲層陸續(xù)投入開發(fā)。不同物性的儲層由于沉積時間、埋深、巖性、砂巖顆粒的粒度分布、砂巖顆粒的形狀和排列以及砂巖顆粒間的黏結(jié)物質(zhì)等存在差異，直接影響著砂巖的受力性能，間接干擾了油藏開采中的油井出砂對生產(chǎn)產(chǎn)能的作用效應。由此可見，出砂機理的研究[1]能提供有效的出砂預測和防砂措施，具有重要的實踐價值。但不同物性的儲層即使在相同的賦存環(huán)境中，也會出現(xiàn)不同的出砂率和出砂量，文獻[25]基于室內(nèi)試驗和理論分析了儲層的物性特征，其結(jié)果表明儲層物性的差異形成不同的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，砂巖顆粒在油藏流動過程中的運動軌跡就會有差異。與此同時，有些學者[67]分析了不同的顆粒形狀和黏結(jié)物質(zhì)對儲層砂巖的孔隙率和滲透性的影響較大，為研究細觀結(jié)構(gòu)對儲層巖石力學的影響提供了重要的技術(shù)手段。上述研究成果說明不同物性儲層的組成結(jié)構(gòu)不同，外力的擾動導致儲層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖層的力學響應不同，出砂機理也有較大的差異。因此，需要對不同物性儲層的出砂機理進行研究，以解決出砂與產(chǎn)能提高之間的矛盾。

目前，關(guān)于出砂機理的研究主要基于室內(nèi)試驗、理論計算和數(shù)值分析。由于室內(nèi)試驗的局限性和理論分析的簡化，目前的數(shù)值分析大多基于宏觀力學理論，如汪緒剛[8]建立連續(xù)介質(zhì)模型研究油井出砂，未能反映出砂過程中砂巖顆粒的運動特征。隨著數(shù)值計算理論和計算機性能的提高，一些學者從細觀角度研究砂巖顆粒的運動，如Papamichos等[9]、Jensen等[10]、Li等[1112]建立了笛卡爾坐標系下的出砂模型，描述二維達西滲流作用下的砂巖顆粒運動，未考慮顆粒間的膠結(jié)對砂巖顆粒運動的影響，但為細觀角度研究砂巖出砂提供了重要的技術(shù)手段。

對于實際儲層的射孔試驗，基于笛卡爾坐標系模擬射孔的力學邊界和滲流邊界較復雜，為了提高計算結(jié)果的可靠性，基于劉先珊[1314]提出的三維顆粒流數(shù)值模型分析油藏開采過程中的砂巖力學響應。為了更準確地反映不同物性的儲層對出砂的影響，主要考慮砂巖顆粒的粒徑、粒度分布、顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)等不同的兩種砂巖儲層，在圍壓和油藏流速相同的情況下，模擬油藏流動過程中的流固耦合效應，分析砂巖的宏細觀力學響應以及出砂的發(fā)生發(fā)展過程，其成果可為實際儲層開采過程中的出砂預測和砂控優(yōu)化提供新的研究思路。

1數(shù)值建模

模擬兩種儲層砂巖，基于射孔的特征建立射孔的物理模型，如圖1所示，兩個模型的幾何尺寸為：外徑75 mm，內(nèi)徑6 mm和高度12 mm。根據(jù)砂巖顆粒的分布曲線（如圖2所示）生成砂巖顆粒，建立柱坐標系下的三維顆粒流數(shù)值模型[1314]，如圖3所示的俯視圖，兩種儲層的結(jié)構(gòu)特性如表1所示。圖2、圖3的顆分曲線、顆粒分布圖及表1的顆粒特性比較顯示：第1種儲層砂巖的粒徑較小，均勻的粒徑使得這些小顆粒的接觸顆粒過少，外力作用下易成為“漂浮”顆粒，而第2種儲層砂巖的粒徑分布范圍較大，初始孔隙率相對較大，外荷載作用下形成較為密實的狀態(tài)；另外，第1種儲層砂巖的膠結(jié)程度和膠結(jié)百分含量（采用膠結(jié)半徑比α=RA表示，為膠結(jié)平均半徑，RA為接觸處顆粒中的較小半徑）、膠結(jié)百分含量（采用顆粒膠結(jié)數(shù)/模型總接觸數(shù)表示）均較低，說明砂巖顆粒間的黏結(jié)物質(zhì)較少，且黏結(jié)性較差，同樣的外力作用下膠結(jié)物質(zhì)承擔的應力更大，顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)更容易破壞，砂巖顆粒成為離散的顆粒，這些離散的顆粒成為出砂的幾率更大。

由于儲層砂巖是由砂巖顆粒膠結(jié)而成的沉積巖，顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)使得砂巖的受力不同于無黏結(jié)砂巖，數(shù)值計算中采用具有一定膠結(jié)程度的平行黏結(jié)模型[1314]來模擬儲層砂巖的膠結(jié)特性。另外，油藏開采過程中，油藏的流動與砂巖顆粒之間相互作用，即流固耦合作用，該作用力對整個砂巖模型的受力產(chǎn)生重要的影響，數(shù)值計算中要重點模擬。數(shù)值計算中，基于圖1設(shè)置上、下兩個水平邊界以及兩個內(nèi)外半徑組合而成的環(huán)形邊界，將整個砂巖模型劃分為288個單元[1314]，計算參數(shù)如表1所示，其參數(shù)是對同尺寸的圓柱模型進行數(shù)值模擬，不斷調(diào)整參數(shù)使之與試驗曲線一致，如圖4所示，兩種儲層砂巖顯示數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，其參數(shù)可作為后續(xù)分析。

2計算結(jié)果分析

對于砂巖儲層，即使在相同的區(qū)域，由于地質(zhì)構(gòu)造的不同，其物性特征也會有差異，油藏開采過程中砂巖的力學響應不同，出砂的發(fā)生和發(fā)展過程也有差異。本文模擬了兩種儲層砂巖在圍壓10 MPa、油藏流速4 m/s時的宏細觀力學響應，比較分析了兩種儲層砂巖的出砂特性。

2.1砂巖宏觀力學特性的研究

射孔圍壓相同時，油藏流動對顆粒的作用力導致砂巖應力狀態(tài)的改變，顆粒間的膠結(jié)越弱，越容易失去膠結(jié)而成為離散顆粒，并被流體攜帶形成出砂。圖5比較了兩種不同儲層砂巖在相同圍壓和流速時的切向應力σθσro隨r/Ri（r代表任意位置到射孔中心點的距離）的變化曲線。其結(jié)果顯示兩者的應力曲線差別較大，第1種儲層砂巖相較于第2種砂巖的應力峰值較大，且峰值應力點對應的位置離射孔中心點較遠，說明在相同的賦存環(huán)境中，油藏運動對第1種儲層砂巖力學特性的影響較大。如表1所示第1種儲層砂巖的粒徑較小，與小粒徑顆粒相接觸的顆粒數(shù)較少，這些小粒徑顆粒在外力作用下更容易成為離散顆粒；另外，第1種儲層砂巖的膠結(jié)百分含量和膠結(jié)程度均較低，同樣的外載環(huán)境中顆粒膠結(jié)的破壞更容易一些。對于本文砂巖賦存環(huán)境，圍壓相同時，初始時刻相同的油藏流速對兩種砂巖顆粒的作用力是相同的，隨著流固耦合的進行，由于第1種儲層砂巖膠結(jié)物質(zhì)的黏結(jié)性要差一些，膠結(jié)破壞更嚴重，顆粒的自由度較大，粒徑較小的顆粒隨流體進入射孔中，使得承擔外力作用的顆粒數(shù)減少，砂巖的應力增大更多，整個砂巖模型對應的塑性區(qū)也更大一些。圖5的結(jié)果表明，在相同的外界條件下，由于儲層物性特征的不同，特別是砂巖顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)對砂巖力學響應的影響很大，由于顆粒間的弱膠結(jié)性，油藏的運動對顆粒的作用力更容易削弱顆粒的強度特性，顆粒間膠結(jié)破壞越嚴重，越容易在流體的作用下攜帶進入油井而形成出砂。因此，不同物性儲層的出砂發(fā)生和發(fā)展過程有差異，實際的油藏開采中，即使是在同一區(qū)域，也會由于儲層砂巖細觀結(jié)構(gòu)的不同導致出砂不同，因此不能一概而論，需要針對具體的儲層出砂給出具體的出砂預測和防砂措施。

圖6和圖7的結(jié)果還可以通過分析整個砂巖的分區(qū)應力來解釋。分區(qū)應力以已有計算結(jié)果為基礎(chǔ)，區(qū)域內(nèi)的顆粒應力加權(quán)平均后作為該區(qū)域的平均應力。圖5和圖6顯示兩種砂巖的塑性區(qū)距離射孔中心點距離大約18 mm和12 mm，可選擇每個區(qū)域的厚度為3 mm，則將模型分成23個區(qū)域，如圖8所示。分區(qū)數(shù)量對塑性區(qū)范圍和砂巖受力特性無影響，但影響圖10曲線的比較：分區(qū)太多，每個區(qū)域的應力增量相對較小，顯示在圖10中的應力曲線較接近，影響了不同材料響應曲線的比較，如第一種材料的塑性區(qū)距離中心點大約18 mm，每個區(qū)域的厚度若為1 mm，分區(qū)數(shù)量至少大于12個，才能獲得如圖10所示的塑性區(qū)附近的應力曲線；而分區(qū)太少，塑性區(qū)太小的儲層力學響應曲線在圖10中無法顯示。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，建立圖9～10來分析偏應力σθ-σr與平均應力p之間的關(guān)系，并與試驗得到的屈服包絡線和峰值包絡線進行比較研究。圖9顯示相同的油藏流速條件下，第1種儲層砂巖的偏應力曲線與屈服曲線相交更為容易，且當流速為5 m/s時，第1種儲層砂巖已與峰值曲線相交，而第2種儲層砂巖的偏應力曲線與屈服曲線和峰值曲線還比較遠，砂巖破壞的幾率較小。另外，圖10描述了砂巖模型不同分區(qū)的偏應力分布，結(jié)果表明第1種儲層砂巖與屈服曲線的相交更為容易，距離射孔中心18 mm的區(qū)域均為塑性區(qū)，與圖5的結(jié)果一致，而第2種儲層砂巖與屈服曲線相差較遠，砂巖屈服破壞的可能性較小，塑性區(qū)也只位于油井附近，主要是流體攜帶離散顆粒到射孔附近，使得射孔堵塞而導致砂巖應力的增大，砂巖局部破壞。根據(jù)上述的偏應力變化規(guī)律可知，由于儲層的物性特征不同，整個砂巖的屈服包絡線和峰值包絡線也有差異，對于砂巖顆粒膠結(jié)較弱和和膠結(jié)含量較少的儲層，相同外力作用下的顆粒膠結(jié)破壞越嚴重，砂巖骨架破壞越嚴重，形成的出砂通道越多，離散顆粒被流體攜帶的可能性越大，出砂越多。

2.2砂巖細觀力學特性的研究

上述砂巖的宏觀應力圖形說明了在圍壓和油藏運動的共同作用下，砂巖更容易發(fā)生剪切破壞，且膠結(jié)較弱的砂巖模型更容易破壞，砂巖顆粒從砂巖母體上剝離更容易，出砂量更多。為了更清晰地解釋儲層的出砂機理，本文從細觀角度研究砂巖顆粒的力學特性。

圖11和圖12描述了砂巖顆粒粘結(jié)的平均張拉應力和剪應力的變化。兩個圖形均表明第1種儲層砂巖的應力較大，說明油藏的運動對該儲層砂巖應力的影響較大，主要在于該儲層顆粒較小，與之連接的顆粒數(shù)較少，外力作用下成為自由顆粒的可能性要大；另外，該儲層的膠結(jié)含量和膠結(jié)程度要小，其膠結(jié)物質(zhì)的黏結(jié)性相比第2種儲層要小，相同的外力作用下，第1種儲層砂巖的膠結(jié)物質(zhì)更容易破壞，并被流體攜帶至射孔內(nèi)，能承擔外力作用的砂巖顆粒逐漸減少，顆粒上的接觸應力增強，則平行粘結(jié)上的應力增大較多。圖12與圖11比較可能，在砂巖模型相同的位置，黏結(jié)上的剪應力要比張拉應力大，在離射孔中心點較遠的位置，剪應力仍然較大，說明第1種儲層砂巖的屈服破壞主要取決于剪應力的狀態(tài)，與前述的圖9、圖10相吻合。

圖13和圖14從細觀角度描述了顆粒的位移。圖13的結(jié)果可知射孔附近的砂巖顆粒位移較大，且第1種砂巖模型對應的位移要大一些。其結(jié)果同樣說明第1種儲層砂巖由于顆粒間的膠結(jié)性較差，相同的賦存環(huán)境中，砂巖受剪破壞更容易，離散的顆粒越多，則出砂幾率越大。同時，圖14描述了不同粒徑的顆粒對應的平均位移，其結(jié)果說明直徑越小的顆粒其位移值越大，且對于相同的砂巖粒徑，第1種儲存砂巖顆粒的位移要大，其結(jié)果同樣說明粒徑較小的顆粒周圍接觸的顆粒較少，顆粒與顆粒間的膠結(jié)性較差，砂巖更容易破壞，形成的顆粒運移通道更多，小尺寸顆粒更容易在這些通道中移動，出砂更容易。

另外，還分析了兩種儲層砂巖的顆粒轉(zhuǎn)動，如圖15所示。其結(jié)果顯示第1種儲層砂巖顆粒的轉(zhuǎn)動較大，且轉(zhuǎn)動較大值的范圍大，而第2中砂巖顆粒轉(zhuǎn)動較大值的范圍小，只出現(xiàn)在油井附近，兩者的比較說明第1種儲層砂巖更容易出砂。其結(jié)果同樣說明在外界條件相同時，儲層物性對砂巖出砂的影響較大，由于第1種儲層砂巖顆粒較小，且顆粒間的膠結(jié)性較弱，油藏流動對顆粒的拖曳力較大，應力增大使得砂巖屈服破壞范圍加大，則顆粒間的平行粘結(jié)破壞就越多，失去膠結(jié)的砂巖顆粒也越多，被流體攜帶至油井的砂巖顆粒越多，與圖13和圖14描述的變化規(guī)律一致。

上述圖形顯示外界條件一定時，儲層砂巖的物性特征不同表征的出砂力學響應不同。特別是對小粒徑且膠結(jié)性較弱的儲層砂巖，顆粒與顆粒較少的連接使得顆粒的自由度更大，且較差的膠結(jié)性使得砂巖更容易破壞，從砂巖母體上剝離的顆粒越多，砂巖骨架破壞越嚴重，則油藏攜帶砂巖顆粒至油井的幾率越大。上述數(shù)值模擬反映了油藏開采過程中的砂巖力學響應和出砂特征，是可行的。在實際的油藏開采中，即使在同一區(qū)域，由于位置的不同也會導致儲層物性特征的不同，出砂的發(fā)生和發(fā)展過程也會有差異，因此需要針對具體的儲層開采進行出砂預測和防砂優(yōu)化。

3結(jié)論

基于柱坐標系下的三維顆粒流數(shù)值模型，分析了不同物性的儲層砂巖力學響應，據(jù)此分析出砂的發(fā)生和發(fā)展過程。

1）砂巖的宏觀應力結(jié)果顯示油藏開采過程中，顆粒較小且膠結(jié)性較差的第1種儲層砂巖應力變化更明顯，且峰值應力和塑性區(qū)也較大。其結(jié)果表明油藏的運動對該儲層的干擾較大，對顆粒產(chǎn)生的拖曳力較大，顆粒膠結(jié)破壞多，砂巖骨架破壞嚴重，形成的通道越多，離散顆粒在這些通道中的移動更容易，出砂幾率較大。

2）砂巖模型的細觀力學圖形描述了砂巖黏結(jié)應力的變化以及顆粒的位移和轉(zhuǎn)動。其結(jié)果說明第1種儲層砂巖的應力較大，且運動更劇烈。主要在于第1種儲層的顆粒較小，膠結(jié)性較差，油藏運動中顆粒膠結(jié)物質(zhì)破壞嚴重，從砂巖母體上剝離的顆粒增多，增大了被油藏攜帶進入油井的幾率。

上述研究結(jié)果表明，對于復雜賦存環(huán)境下的油藏開采，需要針對儲層物性特征的差異進行出砂機理分析，才能提出有效的出砂預測和防砂優(yōu)化方法，以實時改善油藏的開發(fā)效果。

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篇9

流固耦合力學是一門比較新的力學邊緣分支，是流體力學與固體力學二者相互交叉而生成的。它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場的影響。流固耦合力學的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用：固體在流體動載荷作用下產(chǎn)生變形或運動，而固體的變形或運動又反過來影響到流場，從而改變流體載荷的分布和大小。流固耦合問題涉及流體和固體分析理論計算和其之間的耦合關(guān)系，所以流體力學構(gòu)成流固耦合理論的基礎(chǔ)，計算流體動力學則是關(guān)于流體的數(shù)值計算，而建立流體力學的有限元方程求解卻極為困難，因此過去三十年人們一直在研究的流體數(shù)值分析的方法。流固耦合問題是強非線性的問題，求解方程的規(guī)模加大，還必須研究、借鑒有關(guān)計算機處理技術(shù)，如有限元并行算法的成果[2]。本文以攪拌機葉片系統(tǒng)作為研究對象，在SolidWorks中建立三維模型。在ANSYSWorkbench中進行單向流固耦合，其基本思路是：先計算流場和固體結(jié)構(gòu)，然后通過中間平臺交換耦合量。每次大迭代中，進行一次流體計算，并交換數(shù)據(jù)到固體計算，直到最終收斂。分析基本流程框架結(jié)構(gòu)如下。

2攪拌機葉片系統(tǒng)前處理

Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比較流行的CAD軟件，這些三維建模軟件其實原理都是相同的，各有利弊。本文采用SolidWorks軟件對攪拌機葉片系統(tǒng)進行三維實體模型繪制，SolidWorks適合于通用機械的三維設(shè)計,非常適合攪拌機這樣的通用機械產(chǎn)品設(shè)計,具有與其他CAE、CAM軟件的良好接口，避免了轉(zhuǎn)換格式所造成的信息丟失和模型缺損。在三維建模軟件中,所建的三維模型完全尊重攪拌機葉片系統(tǒng)的原型，這樣的優(yōu)點是，模擬更加接近真實情況。完成建模后，因為SolidWorks軟件和ANSYSWorkbench共享數(shù)據(jù)，可以直接相連接，即在SolidWorks軟件主界面有ANSYSWorkbench菜單項，可直接啟動ANSYSWorkbench12.0，模型導入后，一般不會發(fā)生曲面丟失、破面、形狀變形等問題。從SolidWorks導入到ANSYSWorkbench的攪拌機葉片系統(tǒng)流固耦合三維模型如圖2所示,內(nèi)部為攪拌機葉片系統(tǒng)，外部為管狀流體場，包括靜流場和旋轉(zhuǎn)流場，包裹著攪拌機葉片系統(tǒng)。ANSYSWorkbench工作允許添加自定義的模板和提供預先定義的自定義模板，如單向耦合分析和形變分析等。建立流固耦合分析，操作將Workbench12左側(cè)的Toolbox內(nèi)FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural項直接拖到右邊的A2欄內(nèi)即可。ANSYSWorkbench里面劃分網(wǎng)格可選取系統(tǒng)默認值，不需要操作者去選擇，只要控制網(wǎng)格劃分方法和有限元單元尺寸，模型局部也可以細化，這比ANSYS的經(jīng)典界面方便很多，而且復雜模型網(wǎng)格質(zhì)量也比較好。對于旋轉(zhuǎn)葉片的網(wǎng)格，需要對其局部的網(wǎng)格進行細化，以使計算結(jié)果更加精準。一般來說，葉片和流場的網(wǎng)格是一起被劃分的，但可以分開劃分進行尺寸設(shè)定，本文所舉的例子是流固耦合分析，流體場尺寸遠遠大于葉片的尺寸，這樣設(shè)置的原因也是為了能夠更加真實地模擬流體場和加快分析計算速度。為便于后期的CFX操作和流固藕合分析，故對相關(guān)而先對有限元模型各表面進行命名。網(wǎng)格劃分完畢，最后得有限元模型有190952個單元和35113個節(jié)點，有限元模型。

3CFX流場分析

CFX軟件主要包括三個部分：前處理模塊（CFX-Pre）、求解模塊（CFX-Solver）和后處理模塊（CFX-Post）。CFX-Pre主要用于定義物理模型、材料屬性、邊界條件、初始條件和求解參數(shù)等，樹形結(jié)構(gòu)方便用戶修改參數(shù)；CFX-Solver為求解問題所有變量的整個過程，輸入文件有CFX-Pre生成，特別地，該solver采用耦合求解器，比傳統(tǒng)分離求解器需要更少的求解步數(shù)就能達到收斂，另外，CFX-solver還有一個控制管理計算任務的manager，方便用戶管理作業(yè)。CFX-Post可以將計算結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量等方式顯示，也可以將計算結(jié)果以圖表、曲線的形式顯示。用CFX對流場進行數(shù)值模擬，流場的設(shè)置主要是對水的性質(zhì)進行設(shè)置，例如溫度、密度、傳熱系數(shù)等等。本例所選的是k-Epsilon流體方程模型，室溫條件和isothermal熱傳遞模式。然后給定流場邊界條件：入口速度為0；出口因為是與空氣相同，通常這里的壓強都設(shè)置成相對大氣的壓強；其它為固定的無滑移壁面(wall)[3]。葉片部分設(shè)置的邊界條件：本例中，葉片在風場中模擬的轉(zhuǎn)速為80r/min；葉片的固體屬性。在CFX里，葉片表面設(shè)置成流固耦合接觸面（interface），這樣就更能符合實際，模擬出其固有屬性。在獲得CFX流場數(shù)值分析的結(jié)果后，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)攪拌機旋轉(zhuǎn)葉片附近的速度變化，最高變?yōu)?.7m/s，葉片正面的壓強值比背面的要大很多，其最大壓強為1234pa。

4結(jié)構(gòu)靜力分析

依據(jù)在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型（如圖3所示），在StaticStructural中定義材料性質(zhì)，密度7800kg/m^3、泊松比0.3和彈性模量為207GPa；更新網(wǎng)格。添加邊界條件，添加攪拌機的支架頂部為固定約束，添加CFX得出的瞬態(tài)壓強載荷[4]。計算結(jié)果如圖5、圖6所示，由于壓應力場相對較小，攪拌機葉片最大應力發(fā)生在葉片前端內(nèi)側(cè)邊緣處（中部偏下），其最大值為40.7MPa,遠低于鋼材的屈服強度。根據(jù)以上計算分析，機身強度符合要求。這樣的分析結(jié)果，可以讓我們對葉片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在后面的設(shè)計中對葉片加筋板，起到穩(wěn)定加固葉片結(jié)構(gòu)的作用。此外，在StaticStructural的分析基礎(chǔ)上，ANSYSWorkbench還可以進行模態(tài)分析(即振動分析)，對葉片的振行進行分析，得出其固有頻率和相應振型，對葉片結(jié)構(gòu)進行更深入的分析[5]。

篇10

數(shù)學模型：1）控制方程：根據(jù)不可壓縮黏性流體非定常流動的Navier-Stokes方程，選用kε雙方程湍流模型對環(huán)冷機內(nèi)流動換熱規(guī)律進行研究?？梢詫h(huán)冷機問題整體求解方程描述為：連續(xù)性方程：()=0+jjuxρτρ(1)動量傳輸方程：ijiijijjigfxuuxu+=+(ρ)(ρ)pτ(2)式中：ρ為流體密度；ui為流體在i方向的速度；τ為冷卻時間；pij為表面壓力矢量，包括靜壓力和流體黏性壓力；gi為作用于單位體積流體在i方向的體積力；fi為作用于單位體積流體的反方向的阻力；u為床層顆粒間隙內(nèi)的氣體流速，由表觀流速ub與空隙率ε決定：u=ub/ε。采用壓力沿床層線性分布的假設(shè)，利用Darcy定律計算氣體的表觀流速：()bL0u=Kp/z=Kpp其中，pL和p0分別為臺車進出口壓力；滲透系數(shù)fK=k/μ，滲透率k用Ergun關(guān)系式[6]計算：k=/[150/(1)]322εεpd。能量方程利用局部非熱力學平衡換熱理論，建立氣固兩相換熱雙方程，使用編寫的用戶自定義函數(shù)(UDF)進行數(shù)值計算。2）局部非熱平衡能量雙方程：Coberly等[7]采用局部熱力學平衡方程對二維偽均質(zhì)模型進行研究，忽略了氣固兩相之間的溫差；DeWasch等[89]研究表明，只有當氣固兩相溫差很小且畢渥數(shù)小于0.05時，局部熱力學平衡方程可以用于簡化的一維和二維模型，但不能滿足環(huán)冷機中的氣固換熱問題。Wakao等[10]研究表明：氣固兩相熱容和熱導率相差較大時，各相局部溫度變化率會明顯不同。本研究將氣相溫度Tf和固相溫度Ts作為2個獨立的變量，分別表征同一特征單元每相的熱狀態(tài)，把多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱視為兩相之間的傳熱，得到通用方程組[1112]如式(4)和(5)所示：固相：=τερss(1)()Tc(1)()(1)()sssvsfελT+εqhTT(4)氣相：==ffff()(c)uTTcppρτερ()()fffvsfελT+εq+hTT(5)式中，qs和qf分別為固相和氣相發(fā)熱源項；Tf為氣相溫度；Ts為固相溫度；hv和h分別為固相骨架與流動介質(zhì)之間的單位體積與單位表面積的對流傳熱系數(shù)。hv可由Achenbach準則關(guān)系式確定：ph6h(1ε)/dv=(6)h由下式確定[13]：1/31/2fNuhd/2.00.6PrRep=λ=+ffPrcv/λp=，ffReεdu/λp=(7)其中：Nu，Pr和Re分別為始塞爾數(shù)，氣體普朗特數(shù)和雷諾數(shù)；vf為流體的運動黏性系數(shù)；uf為流體速度；λf為流體熱導率；cp為流體的比熱容。4）邊界條件與初始條件：邊界條件：Logtenberg等[4,14]認為應將環(huán)冷機篦板壁面邊界條件設(shè)為流體溫度。流體出口溫度與壓力均滿足第二類邊界條件：0f=zT，=0zp。初始條件：當環(huán)冷機運行在余熱循環(huán)利用區(qū)時(即τ＜τ循環(huán))，氣相溫度Tf為循環(huán)風溫，固相溫度Ts為常數(shù)；當環(huán)冷機運行在非循環(huán)區(qū)時(即τ＞τ循環(huán))，Tf為自然風溫。

模型結(jié)果驗證

考慮到現(xiàn)場測試條件較艱苦，且固相與氣相之間較強的對流換熱會對環(huán)冷機臺車內(nèi)物理場測量產(chǎn)生很大的影響，故文獻[15]選用環(huán)冷機處于不同時刻時，出口空氣平均溫度的現(xiàn)場測試值與仿真結(jié)果數(shù)值對本研究所采用模型的正確性進行驗證。從表1可以看出，在數(shù)值仿真結(jié)果和測試結(jié)果之間存在不同程度的誤差。該誤差主要來源于：(1)測試期間環(huán)冷機操作參數(shù)的波動；(2)測試時在煙罩上進行了開孔，對環(huán)冷機內(nèi)的溫度場、速度場和壓力場產(chǎn)生了干擾破壞作用；(3)環(huán)冷機存在漏風。但是，環(huán)冷機出口空氣溫度的數(shù)值仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果的最大誤差小于10%，環(huán)冷機內(nèi)燒結(jié)礦的溫度分布與實際趨勢也基本一致，因此，可以認為本文所建立的模型及計算結(jié)果是可靠的。

計算結(jié)果與分析

由環(huán)冷機對流換熱控制方程可以看出：物料粒徑、空隙率、進風溫度、進風速度、料層高度等都會對環(huán)冷機溫度場、流場分布產(chǎn)生影響[15]。本文主要研究不同固相顆粒粒徑對余熱利用量的影響，3種粒徑的物料沿臺車高度方向按粒徑從小到大的順序布置于上、中、下3層，試驗工況見表2（略）。

1）溫度場分布：冷卻時間為581s時，環(huán)冷機內(nèi)物料溫度如圖2所示。由圖2可見：經(jīng)過分層布料工藝后，環(huán)冷機內(nèi)出現(xiàn)高溫區(qū)與低溫區(qū)，除工況Ⅵ(體積換熱系數(shù)按料層高度由大向小分布)外，其余工況均有明顯的高、低溫區(qū)交錯分布現(xiàn)象。環(huán)冷機下層物料均能得到很好的冷卻，但在工況Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ中，環(huán)冷機中層或上層靠近壁面的區(qū)域出現(xiàn)部分高溫區(qū)域，這3種工況粒徑配置的共同點為：中層向上層過渡時，物料粒徑均減小，即流體自中層向上層流動時，所受到的阻力增加，于是流體更多從中間區(qū)域流出，壁面區(qū)域的物料由于冷卻不充分而出現(xiàn)高溫區(qū)。工況Ⅲ和Ⅵ上層物料粒徑最大，故換熱效果較差，出現(xiàn)較明顯的高溫區(qū)；工況Ⅲ和Ⅳ中層物料粒徑最小，換熱效果較好，故臺車中層物料冷卻效果最好；工況Ⅰ和Ⅳ下層物料粒徑最大，但由于臺車結(jié)構(gòu)影響，下層流體的物理速度最大，氣固兩相溫差最大，故換熱效果較好。為反應臺車內(nèi)溫度分布的均勻性，表3列出了環(huán)冷機不同截面處溫度的標準差。由表3可以看出：工況Ⅰ和Ⅳ中的物料溫度分布較均勻，有利于提高燒結(jié)礦冷卻質(zhì)量。環(huán)冷機不同工況下出口截面物料溫度分布如圖3所示。由圖3可以看出：不同工況下的燒結(jié)物料在1500s之前冷卻速度較快，整個循環(huán)過程中，物料溫度隨冷卻時間呈指數(shù)形式減小。對于余熱循環(huán)利用區(qū)出口空氣的溫度T，若選取無量綱溫度()/()fsfT=TTTT作為空氣的特征溫度，定義τ=τ/(H/u)為特征冷卻時間，其中，H為物料高度。圖4所示為出口截面空氣無量綱溫度隨時間的變化曲線。通過線性回歸分析，特征溫度隨特征時間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系：τeBT=A(8)式中，A反映初始階段特征溫度隨特征時間的變化速率；B反映整個冷卻過程征溫度隨特征時間的變化速率。A與B隨H/d及22Nu(1ε)H/d變化關(guān)系分別如圖5和圖6所示。由圖5和6可以看出：擬合函數(shù)變量A隨H/d線性變化，隨22Nu(1ε)H/d對數(shù)變化；擬合函數(shù)變量B不隨H/d變化。#p#分頁標題#e#

2）流場分布：環(huán)冷機流場分布如圖7所示。由圖7可以看出：由于篦板自身的影響，流場在環(huán)冷機中的分布并不是完全對稱的，流體更多從與篦板傾斜方向一致的區(qū)域流出；由于環(huán)冷機自身結(jié)構(gòu)影響，流體會經(jīng)歷先收縮再向四周擴張的“8”字形趨勢，這樣易使中層與上層出現(xiàn)部分高溫區(qū)；分層工藝之后與標準未分層工況的流場分布基本一致。綜合以上特點，縱向布料時可以考慮將小粒徑物料分布在環(huán)冷機四周。Leong等[3]研究結(jié)果表明：環(huán)冷機內(nèi)流場分布與空隙率有關(guān)，空隙率對其影響主要表現(xiàn)在環(huán)冷機底部位置，與本試驗結(jié)果一致。3）余熱回收量：根據(jù)表2所示實驗工況，考慮到溫度對空氣體積的影響以及進入臺車空氣質(zhì)量守恒，以下基于定壓質(zhì)量熱容進行余熱回收量的計算。進風溫度404K，風量569.4t/h。實驗工況Ⅰ中余熱利用量為1.519779×108kJ/h。同理可以算出其他工況時的余熱量。標準工況中沒有采用分層布料工藝。Jang等[16]研究表明，物料粒徑與空隙率越小，換熱系數(shù)越大，換熱量越多。通過對余熱回收量的分析可以得出：大粒徑物料分布在下層，小粒徑物料分布在中層更加有利于余熱的回收利用；小粒徑物料分布在下層，大粒徑物料分布在中層不利于余熱回收利用；采用分層布料工藝可以提高14%的余熱利用量。

結(jié)論