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[成果] 1800120229 北京
TQ17 应用技术 矿山、冶金、建筑专用设备制造 公布年份:2017
成果简介:中国大部分工业炉窑在炉型结构、燃烧系统、热能利用、绝热材料、热工检测、环境保护以及控制系统等方面技术水平比较滞后,由此而造成产品综合能耗高、环境污染较严重、产品存在质量缺陷等问题。工业炉窑根据炉型的不同,热量损失的途径和污染排放源也各不相同。但是,诸如排烟热损失、不完全热损失等热量损失途径及NOx、SOx及颗粒物排放是各种炉窑所共有的,因此拟研究如下科学问题:①工业炉窑多工艺目标能量流㶲分析以及物质流与能量流匹配的节能原理;②工业炉窑燃用低质煤的适应性及燃烧优化调控;③工业炉窑煤粉富氧、分级与再燃洁净燃烧机制;④工业炉窑烟尘颗粒团聚机理。同时研发的共性关键技术有:①满足多品种工艺目标要求的工业炉窑能量流优化重组节能新技术;②满足原燃材料、产品种类及产量质量宽阈度变化生产的工业炉窑富氧燃烧技术;③NOx、SOx等污染物控制技术;④颗粒排放物的净化分离与再利用新技术。总之,该项目针对高能耗高排放工业炉窑原料和工况的波动性、目标产品的多变性及其工艺燃煤的特殊性,开展工业炉窑的共性关键技术研发,并在北方地区一座2500~5000吨/天,新型干法水泥熟料生产线上进行工业示范。
[成果] 1800120338 北京
TE3 应用技术 天然原油和天然气开采 公布年份:2017
成果简介:以陆相致密油为研究对象,开展致密油关键基础理论研究,重点围绕影响致密油高效开发和采收率的4个关键科学问题展开研究:①陆相致密油储层甜点成因机理及分布规律;②微纳米孔隙-天然裂缝-人工裂缝多相多场非线性渗流机理;③致密储层人工裂缝网络形成机理;④陆相致密油储层高效排驱机理。针对上述关键科学问题,开展五个方面的研究:陆相致密油甜点成因机制及精细表征;致密油多相多尺度流动机理及渗流理论;致密储层人工裂缝网络形成与重复压裂改造控制机理;提高致密油采收率机理与方法;致密油高效开发油藏工程理论与方法。通过项目研究,丰富和发展中国陆相致密油高效开发和提高采收率的理论体系,带动开发地质、油藏工程、储层改造、提高采收率等一批相关致密油开发技术和方法的产出。通过研究,建立两个理论:建立致密油储层多尺度非线性耦合渗流理论,并初步形成致密储层人工缝网控制理论;揭示三个机理:致密油微纳尺度流动机理,致密储层人工裂缝网络形成机理,致密油储层高效排驱机理;形成四项方法:以致密油储层甜点预测和评价为核心的精细表征方法,致密油储层物性测试方法,致密储层改造体积预测方法,致密油产能动态评价方法;实现社会效益:通过研究成果在典型示范区的实践,形成陆相致密油高效开发模式,推动中国陆相致密油高效开发,保障国家石油安全和实现可持续能源发展战略。主要阶段性成果:围绕设立的研究目标和拟解决的科学问题展开了深入研究,取得了许多优异的成果,在国内处于领先地位,在某些方面赶超国际先进水平。(1)以新疆吉木萨尔芦草沟致密油为解剖对象,厘定了储层岩石类型,明确了储层储渗空间特征及可动用性,建立了陆相致密油咸化湖多源同期混合沉积模式,揭示了致密油储层物性甜点成因机理及分布规律;明确了芦草沟组致密油可动用性影响因素及作用机理,初步阐明了芦草沟组致密油可动用性随温压变化规律;形成了致密油测井多信息融合甜点识别与评价新方法。(2)研制改进成功国内首套高温高压核磁共振岩心分析装置,实现了致密油储层岩心在高温高压状态下的在线测试分析;部分完成了致密油储层微米管流动特征和低速非线性渗流规律;构建了致密油储层五种孔隙网络模型,建立了流体输运性质参数与孔隙结构参数间的关系式;建立了考虑非线性应力敏感影响的致密油储层渗透率计算模型,初步提出了致密储层应力敏感性评价方法;建立了考虑多相、多尺度、非线性渗流机理的缝网展布模型。(3)厘清了致密储层人工裂缝网络形成的力学机理,对人工裂缝网络进行了分区分类,并研究了不同类型裂缝的形成机理和特征;得出了缝网有效性的影响因素和机理,裂缝网络的有效性主要受裂缝的有效支撑和压裂液储层相互作用影响;建立了岩石破裂过程声发射监测与定量评价方法,发展了声发射定位与震源机制反演方法,探索了改造效果的微震定量评价方法。(4)建立了致密油弹性排驱和渗吸物理模拟方法,探索致密油弹性排驱与静态渗吸规律;揭示了二氧化碳在原油中的扩散特性和相行为规律,明确致密储层注二氧化碳排驱效率和主控因素,建立高效排驱模式,初步建立适合致密油储层的二氧化碳吞吐有效动用模式;研制了兼具降压增注和强化渗吸排油作用的功能纳米材料,初步探究了纳米材料在储层孔喉表面、油水界面的作用规律,初步建立基质-缝网结构流度控制方法。(5)考虑裂缝各向异性压力敏感,建立了单井的产能评价方法;同时建立了考虑井筒摩阻的体积压裂后多井压力分布模型;提出有效动用效率为优化目标,初步形成了井型-井距-缝网耦合条件下的井网优化设计方法;利用优化的非结构化网格描述离散裂缝系统,考虑致密储层非线性跨尺度流动特征,建立了单相离散裂缝致密储层数值模拟方法;建立并求解了5种不同裂缝形态的试井模型,提出了基于特征点的缝网压裂试井反演方法,并初步应用于评价新疆致密油藏典型井试井测试动态。(6)建立了芦草沟组致密油藏油层评价方法,完成了油层分类及分布预测;完成薄互层致密油储层可压性评价及人工裂缝延伸规律分析,初步形成致密油压裂优化设计技术;提出了典型致密油藏压裂水平井递减规律和提高采收率预测新模型,开展了提高采收率可行性方法研究;建立了典型致密油藏有效开发主控因素分析方法和开发效果预测模型。实施效果:实施两年以来,各课题组在等期刊总计已发表SCI论文39篇,EI论文17篇,中文核心论文30余篇;申请软件著作权6项。在项目实施过程中,多次赴新疆油田现场与勘探开发研究院科研人员交流现场需求,基础资料进行数据共享;邀请北京科技大学、中石油的相关专家来校讲学;2名博士生去国外石油院校联合培养。项目启动两年来,共培养年轻教师2人、博士生7名、硕士生13名。
[成果] 1800120408 北京
TE5 应用技术 [船舶及浮动装置制造, 天然原油和天然气开采] 公布年份:2017
成果简介:随着海洋油气资源开发向着超深水、极地开发进军,结构形式模块化、控制系统智能化、制造一体化、测试集成化、安装便捷化等成为水下生产系统的发展方向,针对我国深水油气开发、保障能源需求的重大战略,以新一代水下生产系统为研究对象,围绕“如何提高水下装置的安全可靠性以及通过更加创新的方案降低油田开发成本”两个核心问题,提出将传统海底平面分散布置的水下系统装备集成到垂直的深水功能舱并基于大数据与云计算实现水下生产系统全面智能化的项目总体目标,从而避免水下生产装备的单体安装和海底桩基结构,大幅减少水下连接设备的使用,形成以固定式深海功能舱为设备集成中心、智能监控核心、保障维护基地,以水下生产设施为油气生产基础装备的,集采、输、控制、维护为一体的“智能型水下工厂”新一代水下生产系统的总体概念方案,并试图彻底解决困扰极深水油气田开发油气集输的流动安全保障问题,为深水、超深水和极地等环境下油气开发储备一批前沿技术,为我国深水重大油气开发工程的建设和运营提供科学支撑,并促进相关学科基础理论的发展。主要研究内容:打破水下生产系统海底平面分散布局的全湿式传统解决方案,创建基于深水功能舱的全干式和半干半湿式紧凑型垂直水下布局理念,引入油气水完全分离的全干式分离、增压、回注等模块化的集成采油系统,形成以距离海底一定高度的漂浮式水下丛式管汇集输系统为显著特征的新一代布局方案。重点突破舱内散热与防振技术、高效紧凑油气水三相分离技术、漂浮丛式管汇的理想位置理论、水下井口及基础稳定性和多体水动力学性能研究等重大关键技术,形成具有自主知识产权的整体布局和深水功能舱内部布局设计能力,创建“更高可靠性与更低成本”的集钻井、修井、生产、处理、集输及科研活动于一体的“智能型水下工厂”的革命性解决方案。该课题紧密围绕“如何提高水下装置的安全可靠性以及通过更加创新的方案降低油田开发成本”两个核心问题,着重解决新一代水下生产系统设计、制造、安装、运行、拆除中所面临的科学技术挑战,凝练出6个关键科学问题:①全生命周期大数据管理的可靠性计算理论;②新一代水下井口及基础稳定性及巨型深水功能舱基础承载机理;③深水巨型空间站压溃屈曲及低温环境下大型壳体结构的抗屈曲机理;④复合夹层结构抗剪切与疲劳损伤的粘结技术及强度理论;⑤复合夹层管阀结构流、固、热、腐蚀等多场耦合的基础理论;⑥深水功能舱-柔性管-漂浮管汇水动力性能研究与井口稳定性理论。以及6个关键技术:①基于大数据和云计算的全追溯智能制造,智能检测及预警、智能材料与智能传感器,纳米材料智能自修复技术;②极深水空间站进出舱技术、巨型空间站定位安装技术;③深水空间站事故应急智能处理及多体空间站快速连接与解脱技术;④水下供配电及全自动控制、高效紧凑油气水完全分离技术;⑤海底能量转化的自俘能技术;⑥油气水砂混输完全流动纳米薄膜制备技术。预期目标及其效益:通过对以上内容的研究,预期指标及科学价值、社会、经济效益描述如下:完成100篇以上SCI论文,突破极深水耐压舱抗屈曲、超疏油疏水完全流动保障、全智能监测与预警等若干重大基础科学理论和核心关键技术,实现“原创概念、原创思想”的“基于深水功能舱的全智能新一代水下生产系统”,改变了深海油气田开发整体方案,可望将极深水油气田的开发成本降低至少20%。全新的概念和创新的理论将使我国引领全球相关领域未来发展。
[成果] 1700320210 北京
V21 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2016
成果简介:该项目属于航空飞行器领域。在进入亚和超声速飞行时代之后,空天高超声速飞行成为国际航空航天领域的必然研发趋势,对人类社会发展、国际战略格局转变和航空航天工业提升将产生革命性影响。世界上各个宇航大国都在推动各自的高超声速研究计划,美国在关键技术方面已经形成优势。中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》把“空天技术’’列为八个重点前沿技术领域之一。先进风洞一直是飞行器研制的主要手段,一代风洞决定一代飞行器的研发水平,代表一个国家的战略发展实力。高超声速流动独有的热化学反应机制颠覆了风洞实验相似模拟准则,要求发展能够复现飞行条件的风洞实验技术。高超声速六十年研发步履艰难,缺乏复现风洞实验技术是气动领域研究的瓶颈,表现为风洞驱动功率小、实验时间短、测量精度低。该项目提出了系统的爆轰驱动激波风洞理论,发明了体系完整的复现风洞实验技术,在《国家重大科研装备研制》项目支持下,研制成功了国际首座复现高超声速飞行条件的超大型激波风洞,2012年通过验收即开始应用。复现风洞实验技术主要发明点如下:1.大功率激波风洞爆轰驱动技术:复现高超声速飞行条件要求风洞具有极高的输出功率,国际主流机械压缩驱动模式达到了技术瓶颈。该发明点集成反向爆轰耦合卸爆、厚膜深槽临界膜片成型和能量逐级放大直接起爆技术,建立了国际首创大功率爆轰驱动技术,实现了化学能对机械能驱动模式的替代。2.长实验时间激波风洞技术:高焓激波风洞是最具复现潜力的实验装置,但其应用受限于极短的实验时间(毫秒级)。该发明点集成爆轰驱动激波风洞缝合运行、真空系统起动激波反射干扰控制和激波/边界层干涉试验气体污染抑制技术,实现了高焓激波风洞实验时间的量级提升。3.复现风洞高精度测量技术:高超声速流动的大载荷、强冲刷、高热流等极端因素使得气动力/热高精度测量成为国际难题。该发明点集成高频响大量程测力系统一体化设计、天平干扰信号波系适配分离和高精度热电偶技术,把高焓激波风洞测力精度提高一个量级、测热精度提高一倍。基于复现风洞技术研制的超大型高超声速风洞可复现马赫数5〜9飞行条件,实现了试验状态从“模拟”到“复现”的跨越,代表了高超声速风洞的国际领先水平。复现风洞已应用于两个国家重大专项和航天部门多个型号的重大和特种试验,对专项关键技术突破、新型号研发和气动规律认知发挥了不可替代的关键作用,在推动中国高超声速技术发展和避免飞行试验风险方面产生了重大社会效益。中国空气动力学会鉴定为原创性重大发明技术。中国力学学会授予首届中国力学科技进步一等奖(唯一)。美国航空航天学会授予2016年度AIAA地面试验奖以表彰其创新试验技术、引领风洞发展的成就。美国宇航期刊2008和2015年度国际进展综述专题报道。美国国防部国会年度报告连续三年重点关注该项目获发明专利授权12项,发表SCI/EI论文36篇、国际大会报告6篇。
[成果] 1700320219 北京
TB1 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2016
成果简介:该项目属于结构动力学中的动态测试和信号处理领域,面向复杂现场环境下的各类大型工程结构,实现动力学参数测量、性能评价和安全评估。该项目符合“国家中长期科技发展规划(2006-2020)”基础研究方面对科学实验技术和设备的创新要求,还实现了“互联网+”在动态试验中的完整应用。结构动力学设计已成为决定现代工业水平的核心技术,但是传统动态测试技术却难以应对日趋多样化、复杂化、大型化的工程现场。对此,第一完成人应怀樵早在1979年全国核试验防护工程学术会上就提出并采用了基于软件制造仪器的虚拟仪器思想。该项目始于1985年,通过试验方法、信号处理算法、仪器架构三方面的创新发明,实现了复杂工程结构动力学性能的高精度、智能化、分布式测量和评估的整套虚拟仪器技术。项目发明点如下:试验方法上,发明了变时基传函、变幅基双核超量程、系统传函实时反演、超低频快速测量等方法,解决了激励与响应分辨率矛盾、硬件性能局限和测量耗时等问题,建立了诸如飞船发射平台等大型结构现场脉冲激励试验方法。信号处理上,发明了变频基超高精度动态参数计算、新窗函数、FFT/DFT、倒熵谱、振动全息AVD、MII自动化模态等算法,针对信噪比低、信号瞬态性强、对人员水平依赖性大等工程实际问题,建立了大桥、水坝、核电站等复杂现场的精密动态信号分析技术体系。仪器架构上,发明了基于云计算、嵌入式智能硬件和北斗时钟同步的分布式“云智慧仪器”架构,解决了百公里级大跨度高铁线路等工程结构的现场同步测量和监测难题。相比国内外同类技术,该项目在参数测量方面,尤其是低频微振,具有不可比拟的精度水平;在测试技术方面,独创了频率范围、幅值范围和信号转换的扩展方法;在现场应用方面,将高性能动测技术从实验室扩展至野外,实现了复杂现场工程结构的精确动力学性能测试和评估。各技术要点主要以论文形式发表,全部经过科技查新,在力学学报、JVA等期刊发表200余篇论文,出版文集11卷,获得1项发明专利(考虑商业秘密保护,主要核心算法未申请专利),19项软件著作权,2项省部级奖励,培养研究生37名,举办培训班100余次,培训工程人员五千余人次。已应用于各领域两千多家用户,成功完成了长三箭体、长五长七发射平台、神舟飞船、核反应堆、核潜艇、向家坝水电站、钱塘湾跨海大桥等超大型结构的现场试验,以及全国所有高铁线路动力学测试的数据处理。还应用于流固耦合非线性、绝对重力国家标准、甚低频标准测试等重要科学理论研究中。该项目研究26年来,带动了国内该行业的技术进步,多项技术经陈厚群院士等同行专家评价为国际领先水平,打破了国外企业的技术壁垒。成果累计已创直接效益2亿多元,在重大设施性能评估、民生安全、“互联网+”等方面已产生显著效果,在各行业全面推广所提升的国际竞争力可产生千亿级潜在价值。
[成果] 1700320145 北京
TE3 应用技术 天然原油和天然气开采 公布年份:2016
成果简介:稠油是中国重要的战略接替资源,占石油剩余可采储量的比例越来越大,约为40%。稠油和超稠油粘度和密度很高,流动性差,开发难度远高于常规原油,当前平均采收率不足20%。笼统注蒸汽热采的稠油开发技术存在成本高、采收率低、经济性差等问题,且因稠油的高密高黏特性导致采出液处理困难,极大地限制了中国稠油开采的规模发展。该项目发明了水平井井下均匀注汽技术、双同向高速旋流分离技术、复合管道式分离技术,从而大幅度提高了采注比和采收率,克服了笼统注汽效果差以及传统分离需加热掺稀能耗高、体积庞大、效率低、成本高等难点,攻克了(超)稠油热采与处理中遇到的诸多难题。形成了具有完全自主知识产权的高效稠油开发成套技术,大幅降低了开发成本,突破了稠油经济有效开采的技术瓶颈。主要技术发明点有:1)发明了一种包含不同孔径注汽阀组与弹性蒸汽伞的井下注汽技术,自主研发了能实时监测注汽参数的井下测试仪,实现了能准确控制注汽量和注汽位置的均匀注汽,使注汽过程中蒸汽前沿均匀推进。现场应用表明,水平井分段均匀注汽技术与笼统注汽技术相比,将采收率由35-40%提高到50-70%,采注比由0.1-0.2提高到1-2。2)创建了双同向高速旋流方法和微米孔板动态气浮技术,研制了双同向高速旋流器和气浮旋流污水处理装置。在南海陆丰13-2平台进行了污水处理应用,处理来液600方每天,处理后水中含油小于15mg/L。动态气浮选技术在南海流花油田进行了超稠油含油污水处理应用,可将入口含油40ppm的污水处理到含油仅15ppm。3)提出了复合管道式油气水处理方法,研制了具有自主知识产权的“T型多分岔管路+旋流管”复合式分离系统。利用强旋流和动态重力沉降过程,采用新型的管道式系统代替传统的储罐式系统,实现了油气水分离技术的大幅跨越。突破了传统分离系统体积庞大、处理速度慢、效率低下、成本高、不能承受环境高压的技术瓶颈。在辽河油田冷三转站投入使用后,在不搀稀油、不加温、不用大型储罐的条件下,实现了比重达0.99的超稠油油水分离。该项目已获国家发明专利14项,申请国际PCT专利1项。从2004年起,该技术先后在中石油辽河油田、中海油深圳分公司、华油惠博普有限公司(上市公司)进行了推广应用。水平井均匀注汽850余井次,累计增产原油约30万吨,经济效益显著,已经形成了每年100井次以上的推广应用规模。管道式分离技术仅在辽河冷三转分离项目就节省工程造价约4000万元,每年可节省操作费用300万元以上。惠博普公司采用管道式分离技术中标伊拉克艾哈代布油田、哈法亚油田、伊朗MIS油田、北阿油田,合同额上亿元,提高了中国高技术产品的国际竞争力。项目技术推广应用近三年新增利润近3亿元。
[成果] 1600400100 北京
O369 应用技术 自然科学研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:该项目属于固体力学、非线性力学、物理力学和纳微制造的交叉领域。兴起于20世纪80年代的纳微系统科技,不但对航空航天、国防和经济社会发展产生了重要影响,而且为力学学科注入了新的活力。分子间力及由其所诱导的黏附、固-液界面动力学等表面效应既是限制纳微系统产业发展的瓶颈问题,也是固体力学、物理力学和微纳米力学的国际性前沿课题。该项目紧密结合国家在纳微系统领域的重大需求和力学学科国际学术前沿,通过十余年的学术积累在纳微系统中表面效应的物理力学研究方面取得了具有原创性和引领性的成果,得到了国内外同行的广泛认可和高度评价,对于纳微系统的相关力学设计提供了重要参考,引领和推动了纳微系统表面力学及相关领域的研究和发展。该项目所取得的重要科学发现如下: 1在国际上首先提出了“电弹性毛细(EEC)”新概念,应用实验-分子动力学-分子动理论在多尺度上揭示了电场作用下前驱膜的特性以及液滴和弹性膜相互作用的新机制.不但给出了电场下“Huh-Scriven佯谬”的解答,而且成为MEMS驱动方式的一种突破。国际电润湿权威学者C.J.Kim教授重点引用并高度评价该工作;法国J.Berthier教授于2013年在专著《Micro-Drops and Digital Microfluidics》第七章整章介绍了该项目曲面电润湿的研究结果,第12章将EEC作为主要内容加以介绍。2.在国际上率先建立了考虑分子间力的纳微致动器的吸合动力学集总方程,研究了其分岔行为。原创性地提出了考虑分子间力时微器件发生黏附失效的临界尺度-“分离尺度”,该尺度已经成为纳微系统一个新的“基本设计参数”。创建了具有自主知识产权的多场耦合黏附动力学实验平台,揭示了毛细黏附的作用机理。美国科学院院士、英国皇家学会会员J.Israelachvili,荷兰皇家科学院院士J.Th.M.de Hosson.澳大利亚工程院院士S.Kitipornchai,中科院院士温诗铸等大篇幅地重点引用并高度评价了相关结果。3.结合基于微生化传感器的制备,提出了“表面应力起源的一类新机制”,建立的力学模型在国际上被誉为“张等模型”,为微生化传感器进一步提高精度提供了模型上的支持。美国科学院院士、英国皇家学会会员J F.Stoddart等重点引用了相关结果。4.针对纳米薄膜弹性常数的尺度效应,原创性地提出了一个包含表面弛豫、表面应力在内的“半连续晶格模型”,首次解释了薄膜弹性模量随厚度减小而增加或减小两种趋势。带动了纳微系统业界对相关材料力学行为表面效应的研究。俄罗斯科学院院士N.F.Morozov等重点引用相关结果。该项目作为交叉学科的研究领域,成果发表在国际物理和化学类最高学术刊物《物理评论快报》、《美国化学会志》、国际MEMS领域顶级期刊以及力学重要期刊上。2006年在荷兰召开的NEMS中的色散力国际研讨会上做了60分钟大会报告(亚洲首次)。该项目成果在纳微系统表面效应研究领域产生了重要国际影响并引发了大量的后续研究,对该领域发展起到了实质性推动作用。十几位欧、美和中科院/工程院院士几十次地大篇幅引用或发展该项目的相关工作。该项目8篇代表性论文的他引总次数为511次,SCI他引448次;20篇核心论文的他引总次数为1008次,SCI他引879次。
[成果] 1700300277 山东
U45 应用技术 土木工程建筑 公布年份:2016
成果简介:中国是世界上隧道建设规模、难度和数量最大的国家,随着交通、水电等国家基础设施建设重心的战略转移,一大批深长隧道正在或即将修建在地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区,施工中遭遇的“强突发、高水压、大流量、多类型”重大突涌水灾害防控堪称世界级工程技术难题。据统计,中国交通和水电等隧道建设中80%的重大安全事故由突涌水造成,其中近十年发生突涌水灾害294起,伤亡两千余人,造成的经济损失居各类地质灾害之首。重大突涌水灾害难以遏制的重要原因在于对复杂的动力灾变演化机理认识不清,长期处于被动防治,传统监测理论、预警技术与风险控制方法难以实现重大突涌水灾害的有效主动防控,面临巨大技术挑战。 该项目以国家973计划、国家自然科学基金、交通部西部课题与原铁道部科技开发计划及一批国家重难点工程项目为支撑,历经近十年科研攻关与工程实践,解决了突涌水灾害监测预警方法、装备、技术等一系列科技难题,形成了隧道重大突涌水灾害预测预警与风险控制关键技术。主要创新如下: 1、突破了突涌水灾变模式与演化机理的基础理论难题。提出了岩体破裂突水与充填结构渗透突水模式,研制了岩体及充填结构渗流试验系统,发展了突涌水演化过程模拟的非连续变形分析方法,首次系统揭示了不同类型突涌水通道形成的灾变演化机理,为灾害监测奠定了理论基础。 2、解决了隧道突涌水前兆多元信息融合识别与实时监测装备的关键技术难题。首次揭示了岩体破裂与充填结构渗透失稳突水过程多元信息演化模式及其前兆信息规律,研发了复杂环境下突水前兆多元信息融合分析技术,发明了突涌水前兆实时监测装备,实现了突水前兆信息融合识别与涌水通道定位,为突涌水灾害预警提供了强有力的技术支撑。 3、攻克了复杂环境下深长隧道重大突涌水灾害预警与施工风险控制核心技术难题。提出了突涌水实时监控模式与前兆多元信息综合判别准则,研发了适用于复杂环境下多源异构信息精确获取、稳定传输与智能融合的自动化监测预警系统,形成了基于多参量综合识别的风险预警方法,实现了隧道重大突涌水灾害的有效主动防控。 项目成果在中国交通、水电以及矿山等领域得到了成功应用,解决了湖北鄂西高速公路、四川成兰铁路等50余条高风险隧道突涌水灾害防控技术难题,产生经济效益8.71亿元。还在重庆歇马隧道、陕西杜家山隧道、京沪高速济南老虎山隧道等工程中推广应用。中国著名岩土工程专家钱七虎院士、杜彦良院士等都给予了高度评价。 该项目形成国家标准1项、交通部行业标准1项,省部级工法2项、企业级工法3项,授权国家发明专利17项、实用新型及软件著作权28项,出版专著2部、发表SCI/EI文章129篇,应邀国际大会报告6次、国内学术报告14次,多次在全国召开学术和技术培训会,在湖北、四川、山东等地建立了工程示范基地,有力促进了行业科技进步,扭转了中国隧道重大突涌水灾害被动防治局面,在地质灾害防治领域起到了重要的引领和示范作用。
[成果] 1500520109 北京
O35 应用技术 自然科学研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:该项目属于流体力学领域。湍流的主要特征和突出难点是宽广范围内多个时间和空间尺度的非线性耦合,这种非线性耦合产生了极不规则并难以预测的流动形态。作为研究湍流时空耦合的基本概念和有力工具,时空关联不仅对于认识湍流的时空耦合规律,建立预测湍流动态演化的方法,具有重要的科学意义,而且对湍流噪声和混合问题具有重要应用。泰勒和Kraichnan关于时空关联的模型都是湍流领域里程碑式的工作,但它们不适合自然界广泛存在的强剪切湍流。该项目通过对湍流时空耦合机制深入系统的研究,取得了如下科学发现:1.发现了湍流时空信号转换的非线性关系,建立了时空关联的椭圆(EA)模型,解决了泰勒模型缺少涡变形机制的问题。该模型已被国际多个研究组实验证实,并成为研究湍流热对流和边界层等强剪切湍流的重要工具。美国科学院院士Ahlere和德国马普所Bodenschatz等课题组实验表明:在泰勒模型失效的强剪切湍流区,EA模型仍然有效。EA模型是实验证实1962年提出的“湍流热对流终极态”的关键工具,国际理论与应用力学大会Batchelor奖得主Lohse在《J.Fluid Mech.》的论文中评述:借助EA模型,实验发现了湍流热对流的标度律。2.发现并论证了湍流(亚格子)模型的基本问题:涡粘模型对大涡模拟的时间关联产生显著影响。据此,发展了时空关联方法,显著改进了大涡模拟关于时间尺度的结果。该结果随即被美国斯坦福大学和法国流体力学和噪声研究所等众多研究证实,并在国际上形成个新的研究专题:湍流大涡模拟的时间尺度问题。美国斯坦福大学湍流研究中心评述为:时空关联是大涡模拟领域新的重要方法论(methodology)。流体力学核心刊物《Phys. Fluids》的前副编Choi把时空关联方法列为大涡模拟的三项必要条件之法国巴黎第六大学Sagaut教授在他的专著中对大涡模拟的时空关联方法做出完整介绍。3.针对流体力学方程和分子动力学耦合算法,提出了以时空关联为目标函数的动态耦合模型,解决了跨尺度耦合模型的可调参数问题;针对动边界湍流的大涡模拟问题,发展了磨光函数方法,被国外同行验证“大幅度(considerebly)”减少了动边界的非物理振荡误差,广泛地应用于动边界问题的数值模拟。该项目的成果发表在《Phys.Fluids》和《J.Comp.Phys.》等该领域的核心期刊上,其中20篇核心论文他引457次,SCI他引361次;8篇代表性论文他引218次,SCI他引181次:引用作者包括美国科学院院士Ahlers和工程院院士Adrian等十二位国内外院士。曾三次在美国AIAA年会上做邀请报告。何国威担任流体力学核心刊物《Phys. Fluids》的唯一中国编委,被流体力学权威期刊《Annu.Rev.Fluid Mech.》(影响因子11)邀请作为通讯作者撰写综述,介绍湍流时空关联的成果。该项目成果已得到多个国际著名湍流研究机构和学者的实验证实和深入研究,成为湍流时空耦合问题的重要工具和方法论,并导致经典的湍流热对流终极态问题的重要突破,引领并实质性推动了湍流研究的进展。
[成果] 1500400052 北京
TG1 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2014
成果简介:该项目属固体力学的研究领域。纳米结构金属具有高强高韧等宏观力学性能和力学性能的尺度效应。研究该材料力学行为尺度效应的微观机理,从根本上揭示出其高强高韧等力学行为的物理本质,具有重要的科学意义。成果包括:从精细的静、动态实验观测和分子动力学(MD)研究出发,揭示出纳米结构金属的微结构形成、演化和交互作用等系列新规律以及它们对宏观强韧性能的影响机制。该课题组在此方向取得了具有原创性和引领性的成果,得到了国内外同行的广泛承认和高度评价。通过对多晶铝和钻进行表面纳米化并对纳米化后的材料进行精细拉伸实验,首次观测出孪晶和偏位错沿晶界的形成过程及其与晶界的交互作用机制,阐明了该材料的总体增强和增韧机理。该成果为系统掌握纳米结构金属的尺度效应规律、建立跨尺度力学理论提供了实验基础,受到学术界广泛关注,2篇代表性论文被他人SCI引用200多次,其中包括德国著名学者、欧洲科学院院士Fecht教授的重点引用。首次通过准静态拉伸和动态冷轧实验的比对观测证实了纳米晶镍存在起源于晶界的孪晶和偏位错,以往人们只是在MD模拟时才能观察到此现象;进而结合系统的MD研究得出结论:孪晶及偏位错机制起源于晶界。成果对孪晶与偏位错机制在纳米晶金属强韧化中的主导作用提供了有力证据。受到学术界的广泛引用和高度评价,其中包括国际知名学者Gleiter(欧洲科学院、德国科学院、美国工程院外籍三院院士)、美国工程院院士高华健教授、中科院院士张泽教授等的重点引用。对纳米晶镍系统地开展了拉伸、冲击和冷轧等静、动态力学性能的比对实验,首次发现晶粒发生孪晶变形的反尺寸效应;首次发现冷轧引起的加工硬化是由偏位错与孪晶界交互作用所主导的。成果对于深入揭示该材料力学性能的反Hall-Petch行为和加工硬化的微观机理提供了重要证据。受到学术界的广泛引用和高度评价,其中包括美国工程院院士Weertman和Suresh、中科院院士卢柯等。对纳米晶、纳米孪晶以及结构纳米线的力学行为开展了系统的MD研究。首次揭示出孪晶与偏位错的生成和演化机制以及与表面、晶界、孪晶界的交互作用机制;首次获得了均匀拉伸下五重孪晶的生成机制;建立了孪晶和偏位错生成及演化引起材料总体强化的力学机制。成果对建立孪晶与偏位错机制在纳米晶金属强韧化中的主导作用提供了微观物理基础。受到学术界的广泛引用和高度评价,其中包括美国科学院、工程院两院院士Hirth、法国工程院院士吕坚以及中国工程院院士崔俊芝等的重点引用。该项成果在纳米结构金属的力学行为尺度效应微观机理研究领域产生了重要国际影响并引发了大量的后续研究,对该领域的发展起了实质性推动作用。项目执行过程中发表的20篇核心论文,共被SCI刊物引用875次,他人引用729次;其中8篇代表论文共被SCI刊物引用494次,他人引用420次。在引用者中,有14位欧、美国家及中国的院士。
[成果] 1400520122 北京
V 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:碳氢燃料燃烧反应机理是燃烧领域的热点问题。碳氢燃料在不同温度、压力的点火特性,为建立、验证和简化燃烧反应机理提供重要依据。超燃地面实验通过燃烧加热方式获得的高焓气流中含有H<,2>O和CO<,2>等污染组分,研究污染组分对碳氢燃料点火的影响,将为评估污染组分对发动机性能影响的天地换算提供基础。该项目选取超燃发动机重要碳氢燃料国产3号航空煤油和燃烧研究中重要模型燃料乙烯为对象,在超燃发动机工况的空气氧气浓度和较宽的点火压力范围,激波管实验研究了3号航煤和乙烯的点火特性以及污染物H<,2>O和CO<,2>存在时对其点火特性影响的污染效应。在总长10.3m、内经100mm的预加热激波管中,利用燃烧过程中OH、CH自由基特征发射光谱的急剧变化作为点火发生的标志,在空气氧气浓度并覆盖了较宽的压力范围0.5-22atm,进行激波管实验获得了3号航煤点火延时与温度﹑压力﹑当量比﹑燃料和氧化剂浓度等参数的依赖关系。在空气氧气浓度和压力2、7、12atm,获得了乙烯点火延时与温度﹑压力﹑当量比﹑燃料和氧化剂浓度等参数的依赖关系。在宽的压力范围,考察了3号航煤点火特性当量比依赖指数随压力的转变,从高压时+0.23转变为低压时-0.33。在煤油、乙烯点火特性研究基础上,分别考察了污染物H<,2>O和CO<,2>对煤油和乙烯点火特性的影响效应。结果发现:在一临界温度以下,H<,2>O对煤油点火有促进作用,CO<,2>对煤油点火有阻滞作用,这种促进和阻滞作用随着温度降低和污染物加入量增加更加明显;当H<,2>O和CO<,2>同时存在时,在贫油条件下(Φ=0.5)污染组分表现出对煤油点火有轻微的阻滞作用。乙烯点火的污染效应结果表明:在化学当量比条件下(Φ=1),H<,2>O和CO<,2>分别对乙烯点火具有阻滞作用;当H<,2>O和CO<,2>同时存在时,污染组分在较大温度范围内表现出对乙烯点火的阻滞作用。从链反应机理和热力学和输运特性的角度初步讨论了实验结果。激波管点火实验中常用的稀释气体是Ar,发动机实际来流为空气。为了获取惰性稀释气体对碳氢燃料点火特性的影响效应,该项目还选取异辛烷、甲烷、煤油三种碳氢燃料,在Ar和N2稀释条件下进行激波管点火对比实验。结果显示:煤油点火延时时间在N2气稀释条件下比在Ar气稀释条件更短,并且随温度升高差异更明显。研究还表明,稀释剂对不同碳氢燃料点火特性的影响是不同的,也随稀释度的不同有变化。
[成果] 1400520454 北京
TG4 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:该项目主要对车用发动机激光先进制造熔凝过程的力学问题开展了深入系统的研究。针对不同激光束功率密度作用下激光制造过程的不同物理力学机制,建立了相应的高密度激光制造熔池形成与演化的物理和数学模型。该模型考虑了激光与材料的相互作用,热传递、熔池热流体的不可压粘性流动,熔池形成的驱动力,气-液、液-固相变,以及高温下引起的蒸发和溅射等复杂的物理和力学现象。基于此模型计算的瞬态温度场结果,建立了描述结构-热应力-变形关系的宏观数值模型,计算了激光制造结构件的三维瞬态应力变形场,研究了瞬态应力与变形的分布与演化规律、并从焊接热循环的角度解释应力变形的特点。针对高密度激光制造快速、非平衡凝固过程,深入研究了不同激光功率密度下微结构特征及其影响因素。利用等应变法获取了激光异种焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线。针对焊接结构特征创新性地采用广义的SHP(T)B技术,设计了装置的卡套式连接方式,对焊接构件在高温高应变率加载条件下的动态变形特征进行了深入的研究,并对母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了测试和拟合。另外,结合发动机实际应用,对涡轮蜗杆异种金属激光焊接,气缸盖火力面、气门座的激光表面处理,进行了工艺力学分析与评价。尤其针对发动机喷油嘴激光精微打孔,结合喷油孔的喷油特性,包括孔内的燃油流动及孔外的燃油喷射雾化效果对激光打孔工艺进行了优化和评价。
[成果] 1400520010 北京
V22 应用技术 [工程和技术研究与试验发展, 航空航天器制造] 公布年份:2013
成果简介:该项目通过三年的研究,共取得了如下几个方面的进展:1)开展了吸气式飞行器一体化构型全参数化设计工作;2)提出了一种基于外形修正量的参数化设计方法,并在后续的优化设计工作中验证了其有效性和优势;3)在优化设计方法方面,首先将目标函数进行同伦修正,进而与遗传算法结合,发展了一种高效且具有全局搜索特性的同伦扰动遗传算法(HPGA),进而考虑多目标优化设计问题,将多个目标进行凝聚,发展了熵正则化算法。通过多个算例验证了上述方法的有效性;4)在方法研究的基础上,针对吸气式飞行器上壁面多目标优化设计问题、后体-尾喷管一体化构型优化设计问题、乘波体压缩面优化设计问题、以及飞行器前缘热流均匀化等问题开展了一系列优化设计工作,分别获得了飞行器上壁面的变化对其升阻比/容积的影响规律、关键参数对后体-尾喷管一体化构型升力/推力的影响规律、乘波体压缩面外形变化对其升力/阻力/升阻比/容积的影响规律等。在以飞行器前缘热流均匀化为目标的优化中,提出了一种新型前缘型线,其最大热流较常用的二维圆柱或球头钝化方式减小20%左右,且驻点附近热流分布十分均匀。该项目的主要研究内容均完成,研究成果验证了研究思路的正确性和研究计划的合理性。相关研究结果可为进一步的工程应用提供技术支撑和设计参考。通过该项目的支持,在国内外高水平期刊及会议上共发表论文十余篇,其中SCI检索2篇,EI检索2篇,ISTP检索3篇,获得软件著作权登记一项,获得发明专利授权2项,提交发明专利申请2项。
[成果] 1400520217 北京
TQ17 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:陶瓷材料承受热冲击作用后其强度发生灾变性衰减,研究表明,当热震温度低于临界温度时,陶瓷中没有热震裂纹,其强度也不发生变化,但当升温超过临界温度,材料强度将突然大幅下降。显然,裂纹在其中起着决定性作用。特别是,当热震温度介于第一和第二临界温度点之间,热震裂纹和残余强度的关联研究存在很大争议。基于此,该项目开展了陶瓷热震裂纹方面的系统实验研究,并部分澄清关于热震裂纹随热震温度演化中的一些不确定性问题。课题组发现,当温度增加时,热震裂纹斑图呈现三个主要特征:1)裂纹密度和深度增加,最后趋于饱和;2)出现长短裂纹分级结构;3)出现分叉和多级分叉。该项目研究中,发表论文两篇,培养研究生两名。
[成果] 1400520219 北京
TK1 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:对于利用燃料同空气燃烧释放化学能量的吸气式动力系统来说,燃料的分布、它与空气的混合比例(即当量比)不仅决定着燃烧的总体效率,影响着燃烧过程中污染物的形成,对于燃烧的着火、传播和稳定等过程也至关重要。对于在超声速气流内进行快速化学反应的吸气式高速动力系统来说,在燃烧室保持合适的局部燃料/空气当量比更是件关键性的重要工作。该研究针对燃烧研究中诊断技术的需要,发展一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的煤油燃料/空气局部当量比的光谱诊断技术。首先,建立验证该光谱诊断技术准确性的实验平台,探索应用LIBS进行煤油/空气超声速燃烧局部当量比诊断时涉及的基础问题。利用所建立的实验平台了,研究激光诱导的代煤油燃料/空气光谱的谱线中C、H、O、N特征发射谱线强度比同燃料/空气局部当量比的依赖关系。发现了确定了不同气压下煤油/空气混合气体中燃料和空气当量比数值与LIBS中的H/O和H/N原子发射光谱相对强度比之间的对应关系,得到了定标直线斜率随压强的变化规律,并且研究得到了压强变化对Hα谱线半高宽的影响,解决了待测区域压强测量等在线测量时可能涉及到的问题,为下一步在线定量测量大分子复杂燃料系统的燃烧过程中燃料的局部当量比提供了必要的前提实验数据和经验。相关研究结果已经发表于国际刊物,同时在该项目执行期间,培养了多名博士硕士研究生。
[成果] 1400520202 北京
V25 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:热防护层(或涂层)的断裂或层裂是热冲击下该防护层/基体体系或结构的主要失效模式。热冲击下热防护层的断裂是热防护层材料局部达到了极限拉伸强度,一般在薄的热防护层的情形发生该种破坏;而层裂为表层材料或涂层在热失配压应力作用下界面裂纹在剪切主导下的接触扩展问题,层裂过程为一跨尺度力学破坏机制。一年来,项目在执行过程中,主要针对未来近空间飞行器所涉及的热冲击环境以及它对抗热冲击和轻质等方面的要求,结合一种实际的高温发动机叶片体系(陶瓷涂层ZrO2-8%Y2O3/Ni基超合金),从跨尺度力学表征、热-力等效试验和计算模拟等角度系统地研究了热防护层/基体体系(作为未来近空间飞行器设计的可能备选材料结构)的界面层裂问题。首先从前期建立的跨尺度理论模型出发刻划了受热冲击作用外表隔热层与基体层间界面的层裂机制。其次通过热-力等效及系统的热震试验研究(由三点弯曲实验模拟热失配引起的变形失配以及粘接薄板拉剪试验模拟均匀温度热失配;由撕裂试验模拟梯度温度热失配(热冲击)),观测微裂纹形核、演化导致热防护层断裂及层裂的基本规律,建立了跨尺度力学理论参数间的关系。最后,通过大规模的计算机仿真模拟,系统地研究裂纹面的接触摩擦效应及对层裂扩展的影响规律。通过该项目研究,为进一步优化耐热冲击复合材料结构体系提供了理论依据。
[成果] 1400520205 北京
V21 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:项目针对近空间高超声速飞行所面临的稀薄气体环境,重点分析了热化学等非平衡效应及其对飞行器气动力/热的影响。在稀薄条件下,非平衡效应对飞行器头部流场有明显影响,但对飞行器整体的气动影响较小。针对这种多尺度效应,提出以温度分量非平衡度来衡量流动的连续性失效程度,并发展了高超声速流动的高效粒子模拟方法。鉴于碰撞项是稀薄气体模拟的主要难点之一,项目分析了玻尔兹曼模型方程BGK模型的有效性。最后为方便工程应用,发展了高超声速飞行时氧气最大离解度的工程理论,制作了随飞行速度和高度变化的氧气最大离解度图谱。
[成果] 1400520384 北京
TB6 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:该项目针对大振幅、高频率可压缩交变流动和传热机理中的关键科学问题,深入开展了大振幅、高频率可压缩交变流动和传热机理问题的理论与实验的模型化、定量化和方法化的基础性研究,将流体动力学与传热学相结合,以先进低温制冷和热声热机的工程应用为背景,针对典型的管内交变流动规律以及热声换热器、回热器交变流动和传热规律进行了有特色的深入研究,分别在以下4方面获得了创新研究结果:(1)热声发动机谐振腔可压缩交变流动及高精度计算;(2)脉冲管制冷系统交变流动传热机理;(3)交变流动传热系统的相似准则和敏感性分析;(4)热缓冲管、脉冲管中浮力效应影响机理理论分析。先后提出了交变流动与热循环理论分析的新模型、新方法和新流动特征系数,建立了二套实验研究装置,开发了适用于可压缩交变流动的高精度计算程序。该课题至2012年底共完成期刊论文35篇(其中SCI收录21篇,EI收录12篇),发表会议论文20篇,发明专利1项。四年内共培养毕业研究生博士生6人、硕士生3名,出站博士后2人。一名课题组成员获得国际制冷学会“卡尔-林德奖”,该奖项是低温工程领域青年学者的最高荣誉。该课题研究工作推进了国内交变流动及传热机理方面的基础研究工作,同时也为设计高效交变流动制冷系统的流动及传热过程提供了理论依据。
[成果] 1400520413 北京
V23 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2013
成果简介:针对用于空间飞行器姿态调整和位置保持的千瓦级电弧加热发动机的工作过程和运行机理,以及影响发动机运行稳定性、寿命、效率以及可靠性的因素和其中的关键热物理问题进行了系统的实验和数值模拟研究。研制了多种不同结构、功率的电弧加热发动机,建立和完善了电弧加热发动机实验测量系统,并采用多种方法对电弧加热发动机主要性能和特征参数进行了测量,获得了较为系统的发动机特性实验测量结果;对发动机羽流参数的实验测量表明,发动机羽流显著偏离局域热力学平衡状态;研究了发动机启动过程和喷管温度变化对电弧贴附的影响,观察了弧根在阳极表面的贴附形式(扩散型或集聚型),发现发动机热态启动时有利于在发动机喷管下游扩张段形成扩散型弧根,预热喷管及推进剂,避免弧根在阳极表面的局域集聚贴附,将有利于发动机寿命的延长;确立了简单可行的喷管内壁面及外壁面温度分布的检测方法,得到了合理的喷管温度分布及辐射能量损失分析结果;系统研究了宽范围的氮/氢混合气以至纯氢、氮、氨为推进剂条件下,发动机的运行参数规律,研究显示推进剂的热物性参数显著影响发动机中的能量输入及转化过程。与实验研究相配合,以数值模拟方法对电弧加热发动机内的传热与流动、能量转化规律、以及约束通道内工作气体的热壅塞状况进行了系统的比较研究,揭示了由于气体本身热力学和输运性质的差异而引起发动机特性参数变化的原因。发展了高温部分电离气体物性的计算方法,计算获得了多种气体在较宽压力和温度范围内的热力学和输运性质。对氩、氢电弧加热发动机进行的非平衡数值模拟表明,发动机气体流动存在明显的偏离热力学和化学平衡状态,虽然激发态组分在发动机内含量不高,但是对于阳极电弧贴附过程有着重要影响,进而影响发动机内电流、温度和速度分布。该项研究加深了对该类发动机工作过程、机理和规律的认识,为在中国发展有关技术提供了一定的基础知识。
[成果] 1500140372 北京
TN2 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2014
成果简介:激光制造工艺力学是研究激光制造工艺过程中激光材料相互作用下物质运动和变化的一般规律的科学。该书从激光制造工艺力学具有时变力学、多场力学、多尺度力学、多参数力学的特点入手,介绍激光制造工艺力学。系统阐述与制造质量密切相关的激光制造过程控制机理和力学基础。首次明确提出了激光制造工艺力学概念,建立了完整的理论体系,丰富了力学/固体力学/制造工艺力学的学科建设。该书的写作特点是从激光制造的工程应用中提炼出科学原理,通过对基础性科学问题的深入研究指导激光制造技术的创新和发展。所以,激光制造工艺力学是具有时变力学、多场力学、多尺度力学、多参数力学特点的一门涉及物理学、力学、控制学、仿真学等多学科耦合的学科交叉型的新型力学学科。该书可供从事激光制造研究的教师、高年级本科生、研究生以及研究单位、工程单位和相关企业中的研发和工程技术人员阅读、学习参考。
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