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关键词： 地形起伏   湿气管道   流型   持液率   WOA-BP   SSA-BP   压降  

摘要： 湿气在起伏管道中流动时,受外界环境、温度、压力等因素变化影响,不可避免地在管道中出现液态水和重烃,这些冷凝液会随着管道流动逐步积聚于管道低洼处,形成积液。积液的存在不仅会影响管道输送效率,还会给油气田的安全生产带来威胁。为了研究湿气管道积液的形成规律,需对湿气管道进行水力计算模型研究。气液两相流流型、持液率以及压降是湿气管道水力计算的3个重要参数。本文首先通过OLGA数值模拟,总结归纳了各影响因素对这三者的影响规律。结果表明:气液相流速、管径、倾角等因素对流型判别、持液率和压降计算的影响很大,因此在进行水力计算时,这些因素的影响不可忽视。针对地形起伏湿气管道的流型判别,本文结合收集的实验和现场数据,对湿气管道常用的5种流型判别准则进行评价,结果表明:进行水平管道的流型判别时,建议使用MB流型判别法;进行倾斜管道的流型判别时建议使用S-T-B流型判别法。对于地形起伏湿气管道的持液率计算,本文首先基于灰色理论,进行了持液率影响因素的灰色关联分析,量化各影响因素对持液率的影响程度;然后分别针对上倾、下倾、水平管路,建立了WOA-BP和SSA-BP持液率预测模型,并与4种持液率计算式对比。结果表明:本文所建立的持液率预测模型精度最高,其中针对水平管道,WOA-BP预测模型的MAPE值为7.97%,RMSE值为0.034;SSA-BP预测模型的MAPE值为7.37%,RMSE值为0.03;预测结果整体较为稳定,且具有更广的适用范围。对于地形起伏湿气管道的压降计算,本文结合已建的持液率预测模型,对Begg-Brill压降计算模型进行改进,并与常用的4种压降计算式进行精度对比。结果表明:6种模型中精度最高的是改进BB相关式,精度最低的是L-M相关式。其中,改进BBΙ式的MAPE值为6.40%,相比于BB相关式降低了7.78%,RMSE值为0.3604,相比于BB相关式降低了14.84%;改进BBⅡ式的MAPE值为6.45%,相比于BB相关式降低了7.06%,RMSE值为0.3618,相比于BB相关式降低了14.51%。说明改进后BB压降相关式的精度明显提高,稳定性也有所提升,改进的方法有效。

关键词： 欧拉方程   涡方程   涡补丁   卡门涡街  

摘要： 本文主要研究全平面内不可压缩欧拉方程的卡门涡街问题,主要内容包括卡门涡街型补丁解的构造,点涡街运动的去奇异化以及涡补丁渐近行为的研究。在第一章中,我们先简要介绍了欧拉方程的基本概念以及如何从欧拉方程推导出涡方程,随后对涡补丁问题和卡门涡街进行了详细的说明。最后给出了本文的主要结果以及证明思路。在第二章中,我们通过在特定的容许类上求解关于涡度的能量极大问题得到极大元的存在性。随后对涡核能量的上界,涡动能的下界以及涡度的支集直径给出估计,其中涡度支集的直径以O(λ-1/2)为阶,最后证明了所得到的极大元的确是涡方程的一族解并且这族解构成点涡街的去奇异化。在第三章中,我们找到了涡度以及流函数的伸缩变换并研究它们在涡强参数λ→∞时的渐近行为,得到如下结果:伸缩变换后的涡度按L∞的弱*拓扑收敛到单位圆的特征函数,伸缩变换后的流函数按照Cloc1拓扑收敛到一个径向对称的C1函数.最后证明了涡度支集边界是一条C1曲线以及得到了相关物理量的渐近展开.

关键词： Surface tension  

摘要： A method is proposed to evaluate surface tension for axisymmetric meniscus in gravity. The method requires positional coordinates and tangential angles of arbitrary two points on liquid surface. A theory of the liquid in gravity is used to derive a differential equation. All of the equations are normalized by a parameter determined from the gravity, the density, and the surface tension of the liquid. Numerical calculation is carried out to show that the present model expresses various kinds of axisymmetric meniscus. The present method is proposed based on the theory and investigated by the experiment using pure water with a borosilicate glass rod. The positional coordinates and the tangential angle of the surface points are obtained from a photograph of the meniscus. The method shows a successful evaluation of the surface tension. The present method is compared with conventional methods and discussed from a view point of minimum information required to evaluate the surface tension. It is expressed that the Hutzler's method is a special case of the previous method and the previous method is a special case of the present method. The present method is suggested useful in various meniscus tests, such as sessile drop tests, pendant drop tests, Wilhelmy rod tests, wetting balance tests, meniscograph tests, etc., since it requires only information on meniscus shape, i.e., the position and the angle of arbitrary two point on it. © 2022 Japan Welding Society. All rights reserved.

关键词： 轮轨滚动接触   安定图   势函数   疲劳寿命预测   材料响应  

摘要： 由于列车轴重的增加和运营速度的加快,在列车运营过程中出现了轮轨滚动接触疲劳损伤问题,服役钢轨频发钢轨疲劳裂纹,导致大量钢轨频繁更换,给国家带来了巨大的经济损失,因此有必要对服役钢轨的疲劳损伤问题进行理论和仿真研究。Johnson教授提出的安定图可以直观快速地对比不同运行工况下轮轨的安全性,并且定性分析轮轨滚动接触疲劳损伤问题的发生机理及可能性。本文对现有安定图的不足之处进行改进扩展,提出了更为适合铁路轨道系统实际运行情况的安定图,并建立了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法。主要的研究内容和结论如下:(1)详细介绍了轮轨滚动接触疲劳的国内外研究现状,主要从工程应用和科学研究两个方面对疲劳寿命预测方法及模型进行了详细阐述,也明确了研究轮轨滚动接触疲劳损伤问题的意义,并选择了本文所需的疲劳寿命预测模型及方法。(2)介绍了本文中所用的轮轨接触理论方法及其建立的数值模型,其中包括轮轨界面滚动接触力学行为求解方法,轮轨接触体内应力-应变场的求解方法,建立了二维钢轨局部有限元模型及所用的材料循环本构模型。(3)基于现有安定图的不足之处提出了更加适合铁路轨道系统实际情况的安定图,引入饱和度的概念以考虑任意蠕滑状态,作出了摩擦系数f=0.2和f=0.4下的安定图。从摩擦系数、最大接触压力和饱和度三个方面对工况计算结果进行了应力应变分析,发现了摩擦系数f=0.2和f=0.4的情况下钢轨局部材料响应均会显著影响钢轨残余应力、应变及表面位移的变化;最大接触压力对钢轨表面薄层材料的残余应变有显著影响;饱和度会影响残余应力和残余应变最大值的产生位置、钢轨表面薄层材料的残余应变大小以及钢轨表面纵向位移变化情况。(4)提出了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法,利用安定图确定钢轨局部材料响应,进而确定与之对应的疲劳寿命预测模型,随后采用基于势函数的应力-应变场求解方法对轮轨接触条件下钢轨体内的应力应变进行计算,并结合临界平面法得到疲劳损伤参量最大值及疲劳寿命预测值。在准确率和预测耗时上对所提出的预测方法与有限元法的疲劳寿命预测结果进行了对比分析。钢轨局部材料响应会显著影响轮轨接触疲劳损伤参量最大值和疲劳寿命预测值;在摩擦系数、最大接触压力和饱和度的影响下,两种方法对疲劳寿命的预测结果比较吻合,误差率在15%以内;在预测耗时对比上,所提出的预测方法耗时较少,与有限元法相差3-4个数量级,将计算成本由数小时降低至数秒,极大地提高了计算效率。

关键词： 对数薛定谔方程   变分法   对称山路引理   Nehari流形   Clark定理  

摘要： 本文主要研究如下对数Schr(?)dinger方程-Δu+V(x)u=Q(x)ulogu2+|u|p-2u,x∈RN多解的存在性,其中当N≥3时,20,使得(?).本文首先给出Sobolev嵌入结果,证明上述方程所对应的能量泛函I ∈C1(HV1(RN),R),其中HV1(RN):={u ∈H1(RN):∫RN V(x)u2dx<+∞}.其次假设 infx Q(x)>0,我们通过Nehari流形和对称山路引理证明了上述方程在HV1(RN)中存在无穷多正能量解.然后假设supx Q(x)<0,我们通过Clark定理证明了上述方程在HV1(RN)中存在无穷多非正能量解.最后假设Q(x)是变号的,我们通过Nehari流形和改进的对称山路引理分别证明了两个非负解和两列解的存在性.

关键词： 胶东半岛   地热水   地热气体   热储温度   地热成因机制  

摘要： 地热能资源是一种绿色、低碳、高效、且可循环利用的清洁可再生能源。随着“碳达峰”,“碳中和”的长远目标的确立,地热资源的开发与利用对于国家能源结构调整与改革都具有十分重大的意义。胶东半岛具有丰富的地热资源,是我国重要的中低温地热带,开发利用潜力巨大。本次研究以地热流体作为研究对象,采集区内典型地热流体样品及岩石样品,通过水文地球化学方法、同位素手段,分析地热流体的水文地球化学特征及演变规律,揭示该区热源、水源及运移通道和循环规律,阐明该区地热资源成因机理,综合研究结果,构建该区的地热成因概念模型,为该区深部高温地热资源勘探评价提供理论支撑。主要成果如下:(1)基于地热水的氚同位素特征分析,地热水主要接受1953年之前的大气降水补给作用。受到海相成因与非海相成因作用的影响,胶东半岛地热水主要分为海相来源的高矿化度地热水,TDS均值为3919.67 mg/L,水化学类型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型为主,主要出露于近海平原区与沿海地区,存在海水混入作用;非海相来源的低矿化度地热水,TDS均值为793.33mg/L,水化学类型主要为HCO·SO-Na、SO·Cl-Na型,出露于山前河谷阶地地区,在浅部接受碳酸盐与硫酸盐的溶滤,在深部则主要以硅酸盐风化作用为主,其盐分来源于水与围岩的相互作用。(2)胶东半岛地热气体以N(93.2～98.3vol.%)为主,Ar(1.2～1.5 vol.%),CO(0.03～3.95vol.%)等气体含量较少,无H、HS、SO气体。由He-Ar-N三角图及特征气体比值可知地热N主要为大气来源;地热气体He/He比值为0.22～1.80Ra,利用He/He比值特征值判定研究区He来源主要为壳源(壳源占比:77.54～97.55%,幔源占比为2.66%～19.32%);δC为-49.3～-19.4‰,地热气体δC值范围在-12.8‰～-19.4‰,δC及δC-R/R特征可知地热气体中CO来源于壳源有机物热裂解。(3)根据水样在Na-K-Mg三角图的落点可知此次研究区地热水主要落于部分平衡水区域,表明地热水在升流过程中存在浅部水混合的二次改造作用。结合热储水化学特征,利用石英温度计确定深部热储温度为107.74℃～142.79℃,为中低温地热系统,阳离子温度计与多种矿物平衡法所得温度均不适用。(4)根据地热流体水化学特征与成因机理研究,建立胶东半岛地热成因概念模型。

关键词： TiO2   纳米颗粒   表面张力   气/液界面   吸附特性   扩张粘弹性  

摘要： 利用太阳能光催化分解水制氢是发展可再生能源体系的途径之一。目前研究多从光催化剂材料的光生电子传递受限角度出发,通过对材料物理化学性质的调控以提高光催化转化效率,而忽略了反应体系状态特性对材料性能的影响,使整体光氢转化效率提升受限。水相反应体系中的光催化剂颗粒易发生团聚与沉降,从而影响光线的传播及光催化剂表面对光子的吸收作用,使得有效光催化表面积减少,产氢及转化效率降低。催化剂颗粒在气泡表面的有效吸附,是实现颗粒在体相再分散的有效方法之一;研究催化剂颗粒在气液界面的吸附特性,调控催化剂颗粒在气液界面的分布,对优化颗粒有效分散、提升光催化转化效率具有重要意义。本文通过基于形貌分析的悬滴法,实验研究了不同亲疏水性纳米TiO2颗粒在未添加表面活性剂的情况下,在气/液界面吸附的表面张力、表面过剩浓度、扩张粘弹性、扩张相角的变化规律,探讨了光催化剂颗粒在界面的吸附及其对界面热力学特性的影响机制,以及在界面的扩散吸附机制对界面性质的影响规律。研究发现:亲水性TiO2颗粒使表面张力增大,而疏水性TiO2颗粒在表面吸附会使表面张力减小,且两种变化都会随着颗粒浓度的增大而加剧;通过Gibbs等温吸附理论分析得出,亲水性颗粒在体相内的浓度要高于界面浓度,为负吸附,因此表面的水分子受到更强的向内的拉力,使得表面张力增强;而疏水性颗粒更容易分布在两相界面处,为正吸附,使得来自内部的吸引力减小,因此表面张力降低,且大直径颗粒能够对表面张力造成更大的影响。此外,温升会增大悬浮液内分子间距离而使表面张力减小,表面张过剩浓度增大。亲水性TiO2颗粒悬浮液的扩张模量、扩张弹性、扩张粘性随着颗粒浓度增加大幅提升。疏水性纳米TiO2颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性随颗粒浓度有所增加;其中,大直径颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性的增加数值要远大于小直径颗粒悬浮液;而扩张粘性与扩张相角随浓度的变化,则表现出近似的变化趋势。两种不同亲疏水性颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性都会随着扩张频率的增大而上升,而扩张粘性随着频率而快速下降并趋近于零,并使最后的气液界面趋向于纯弹性界面。通过对L—T模型的拟合分析,证明界面变化过程中存在扩散弛豫。两种不同亲疏水性TiO2悬浮液中加入Na2SO4后,表面张力快速降低,纳米颗粒在界面的吸附浓度增加,亲水性颗粒由负吸附变为正吸附;扩张参数的变化基本一致,随着Na2SO4浓度的升高,扩张模量、扩张弹性、扩张相角整体有所上升,幅度随颗粒浓度与直径的变化各有不同,扩张粘性则是在一定范围内波动且无明显趋势。通过离子浓度的调控,可以强化TiO2颗粒在气液界面的吸附并改善界面稳定性。

关键词： 细粒煤   脱水   表面活性剂   表面张力   疏水性  

摘要： 近年来,随着采煤机械化程度的提高、薄煤层的开采以及破碎作业的强化,细粒煤产量不断上升,从而导致洗选产品脱水问题日趋尖锐。煤泥水固液分离效果较差时,会恶化选煤厂分选效果,降低煤炭产品的质量和过滤设备的处理能力。同时,低阶煤表面丰富的含氧官能团和复杂的孔隙结构,使其脱水尤为困难。基于上述问题,本课题对选取煤样进行煤质特性分析,详细研究煤阶、粒度、氧化程度以及灰分对煤泥脱水效果的影响;在此基础上,研究了表面活性剂的离子类型、分子结构以及复配对煤泥助滤脱水的影响,并结合红外、表面张力、Zeta电位、吸附以及润湿热等表征分析对其助滤脱水机理进行研究,试验主要内容及结论如下:（1）中等变质的煤泥脱水效果最好,低变质和高变质的煤泥都不容易脱水。入料粒度越细水分越难脱除,其中-0.125 mm的煤泥脱水比较困难。氧化程度越高,含氧官能团含量越高,脱水越难进行。灰分含量越高越不利于脱水的进行。（2）利用阳离子十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、阴离子十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、非离子十二烷基聚氧乙烯醚（AEO9）和两性离子椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）四种不同离子类型的表面活性助滤脱水,非离子表面活性剂AEO助滤效果最好。对不同结构的聚氧乙烯型非离子AEO9、LAE9、OP9和AEO系列的AEO4、AEO7、AEO9、AEO15、AEO20表面活性剂助滤脱水,发现不同结构的聚氧乙烯型非离子表面活性剂AEO9以及AEO系列表面活性剂AEO7表现出较好的助滤性能。（3）针对AEO7进行了细粒煤的助滤脱水机理研究,发现在药剂用量为120 mg/L时,助滤效果最好,此时滤饼水分降低了4.66%。与表面活性剂作用前相比,煤表面含氧官能团振动吸收峰减弱程度最大,其润湿热最低,煤表面的疏水性增强最显著,滤液表面张力趋于稳定。当AEO7药剂用量超过120 mg/L时,滤液表面张力几乎不再下降,煤表面可能发生双层吸附使得其亲水性增强,从而降低过滤脱水性能。（4）利用三种具有不同结构的阳离子Gemini表面活性剂,丙撑基双（十二酰胺丙基二甲基氯化铵）、丙撑基双（十二烷基二甲基氯化铵）以及丙撑基双（十二烷基聚氧乙烯基二甲基溴化铵）,分别记作Gemini1、Gemini2与Gemini3,其中具有酰胺基结构的Gemini1助滤脱水效果最好。三种不同复配类型表面活性剂Gemini1-AEO7、Gemini1-SDBS与Gemini1-乙醇中,Gemini1-SDBS助滤脱水效果最好。Gemini1-SDS与Gemini-SDBS具有结构差异的两个复配体系Gemini1-SDS脱水效果较好,Gemini1-SDS在摩尔比6:7下助滤性能最好。复配表面活性剂的助滤机理研究发现Gemini1-SDS复配表面活性剂在摩尔比6:7、药剂用量为80 mg/L时,助滤效果较好,此时滤饼水分降低了8.32%,继续加大药剂用量助滤效果提高不明显。与单一的表面活性剂相比,经复配表面活性剂助滤脱水后,煤表面含氧官能团红外吸收振动峰峰强更弱,润湿热值更低,煤表面的疏水性增强更为显著。吸附测试结果表明,相比与单一表面活性剂,复配后的表面活性剂在煤表面吸附速率、吸附量均有所增加。同时,复配溶液的表面张力、cmc值与分子间相互作用系数β值验证了复配溶液的协同作用。

关键词： 信号畸变   频响函数   矩形断面   变截面模型   抖振力  

摘要： 风洞试验一般采用等截面模型来研究截面形状的气动特性,然而在实际结构中存在截面形状沿跨度方向变化的情况,即变截面结构。本文以常见的矩形断面为基础截面,设计了线性变截面模型,通过等截面模型与变截面模型的风洞测压试验,重点对比研究了截面形状沿长度方向变化对矩形断面气动特性的影响。但测压试验中,压力信号在传递时会被测压管所干扰,发生畸变。为修正畸变的压力信号,本文首先对测压管路的信号畸变问题进行了研究。本文的主要研究内容及结论如下:(1)通过测压管路频响函数的实际测定试验,对频响函数进行了深入研究。结果表明:“B-T理论”的理论频响函数与实测相频函数吻合较好,但在幅频函数上存在一定差异;频响函数的形成可认为是由压力信号与测压管的相互激励作用和测压管自身对信号的衰减作用叠加共同作用的结果;实测研究了三种外部因素(管路的弯曲、挤压、钢针连接)对频响函数的影响,发现其均会引起频响函数值的减小,但在一般情况下,这些影响是可以忽略的。(2)在紊流风场下,通过测压试验研究了测压管长度对实际风压信号的影响,并验证了“B-T理论”对实际风压信号的修正效果。结果表明:对于单测点压力信号,测压管将不会影响信号的均值和变异系数,信号时域值随管长增加而整体向均值靠近、相位则不断滞后,信号频域值随管长和频率的增加逐渐偏离真实值;对于整体力信号,整体阻力的均值和变异系数、各力的相关性和相干函数均可认为不受测压管影响,整体抖振力谱随管长和频率的增加会逐渐偏离真实值;“B-T理论”在信号时域上修正效果较差,频域方面则表现良好,其可作为辅助性修正工具,但对于精确度要求较高的信号修正,仍需采用实测的频响函数。(3)通过对多个等截面模型和变截面模型的风洞测压试验,从静力和抖振力特性角度,研究了矩形宽高比、风场参数、风攻角、模型截面形状沿长度方向变化等因素对矩形断面气动特性的影响,重点对比分析了等截面与变截面模型的气动特性差异。静力特性方面:模型截面沿长度方向的改变将导致矩形断面分离区漩涡和尾部漩涡的尺度相较等截面模型均有所增大,且相对增幅会随矩形宽高比和模型倾斜斜率的增加而增大,这些流场特征的变化是导致等截面与变截面模型静力特性(平均压力分布特性、静力三分力系数)差异的主要原因。抖振力特性方面:在等截面模型和变截面模型中,相同宽高比矩形断面的抖振力谱基本相同,其未受到截面变化的影响;在同一等截面或变截面模型下,不同位置处相同间距间下的截面抖振力相干函数基本相同;矩形断面模型下的升力相关性高于风的相关性,此时“片条假设”失效,且等截面模型矩形宽高比越大或变截面模型倾斜斜率越小,其三维效应越强。此外,对变截面段整体升力的静力等效和力谱等效进行了研究。