气脉冲除灰技术燃烧和除灰过程研究

中国电站锅炉燃用大量的未经洗选的劣质煤，导致严重的锅炉积灰问题，尤其是125-600MWe的大型锅炉的回转式空气预热器堵灰更加严重。积灰不仅使锅炉热效率下降，而且堵塞烟气流道，影响了锅炉的正常运行。已有的各种除灰器都有较大的局限性。中国科学院力学研究所燃烧研究实验室根据我国国情开发出了燃烧气脉冲除灰技术，并在30多台大型电站锅炉应用取得了很好的效果。为了理解气脉冲除灰的工作过程，掌握运行规律，解释应用中出现的问题，以提高技术水平和开发新产品，尚需对气脉冲除灰的燃烧和除灰过程做更深入的研究。本论文工作针对燃烧气脉冲除灰技术在实际使用中提出的问题，开展了实验室研究。主要研究了乙炔、水煤气、液化石油气和甲烷四种燃料在气脉冲实验装置中的火焰传播情况和压力波形。研究了混合比、阻塞比和出口截面比对火焰速度和压力峰值的影响。在现有点火条件下找到了在静止混合气体中四种燃料的贫点火极限和乙炔在有一定流速时的贫点火极限；比较了燃烧室内乙炔空气混合物静止时和有一定流速时的爆炸压力峰值。初步搞清了各种因素对火焰速度和压力波形的影响，实验结果对实际应用有指导作用。为了理解火焰传播和压力波形之间的关系，用燃烧室内压力均匀的简化模型，计算了压力波形并且与实验结果进行了对照，由此推算了湍流燃烧速度并探讨了各种因素对它的影响。用考虑了管内有压力波传播的一维简化模型，计算了火焰传播过程中燃烧室两端的压力波形和火焰面前后的气流速度，以及不同时刻的燃烧室内气体流速分布。估算了气流剪切力的量级，进行了模拟积灰的气脉冲对比实验，测量了同一气脉冲条件下两种厚薄不同板的振动加速度值及其随时间和空间的衰减情况。还得到了压力在空间的衰减变化情况。定性地研究了积灰脱落机理，初步认为：对于粘结灰只有振动才有效，气流的剪切不能除去粘结灰。

层片TiAl合金的微结构对力学行为的影响

本论文针对可能应用于叶片零部件的铸造全层片TiAl基合金进行了多方面的实验研究。目的着重于观测该材料的力学性能对微结构因素的敏感性及其失效行为，并以裂纹萌生为线索探讨其相关的物理和力学内禀机制的表征。研究工作涉及到多种跨越毫米尺度的宏－细－微观力学测试方法和技术，其中，新型试样的应力分析和可行性说明针对于脆怀板材试样并具有良好自对中能力的夹具设计是成功的。单调拉伸实验和拉一拉疲劳实验得到了所研究试样的基本力学性能和影响疲劳性能的微结构敏感因素，如晶粒取向、晶粒大小等。实验研究重点说明了层片取几因素对疲劳抗力的影响一与拉伸轴方向平行的晶粒具有最好的裂纹萌生抗力。扫描电镜和透射电镜下的原位拉伸实验得到了沿层片裂纹萌生的等征，这些等征包括：层片裂纹与拉伸轴夹角呈40°／60°／90°的方向倾向性、裂纹沿γ相真孪晶层片界面萌生的位置倾向性等。纳米压痕实验和原子力显微实验证了层片的弹性模量差异，为宏一细一微观分析提供了依据。分析和讨论工作针对于沿层片萌裂纹的方向的选择性和位置的倾向性等实验现象，以宏观界面力学方法和晶体学理论，侧重表征了与层间变形特性相关的力学和物理机制：（１）以模理量失配理论为基础提出了等效失配概念，得到瞪层片TiAl合金的等效失配度为0.16；（2）以界面能量释放率断裂准则为基础，提出了模式因子（TiAl,0.24）方法来评价拉、剪力的耦合作用；（3）根据以汤普森四面体所构筑的γ层间组合模型，并采用γ层片的惯习面间异类原子对数（NAT值）、穿层几何协调因子和穿层几何协调加和因子等方法分别表征其原子结构尺度下的界面结全强度和层间变形的位错协调性。分析和讨论重阐明了全层片TiAl有序合金的层间抗剪切能力较弱和γ层间真孪晶界面易于裂纹萌生等结果。

三维离散元改进算法及其在三峡永久船闸高边坡工程中的应用

本文根据面－面接触模型，写出了三维离散元的物理方程及运动方程，对于接触刚度、阻尼系数、时步、计算控制及块体的滑动失稳判据等作了讨论。在NURBM－3D 长方体单元基础上改进了其划分单元的算法，依据岩体中三组真实的节理面划分平行六面体单元，实现了网格的自动剖分，从而可以将单元视为真实的岩块，更客观地体现了节理面对岩体稳定性的影响。运用改进后的三维离散元方法，编制了计算程序，对三峡工程永久船闸高连坡开挖进行了模拟。计算过程包括初始地应力场模拟、岩体开挖过程两个阶段。模拟计算首先给出了为水平、垂直节理面所切割的长方体单元情况下的应力场分析，考证了程序的可行性。将已有的三峡永久船闸实测节理简化为三组节理，完成了初始地应力场的模拟，给出了分四步开挖后的岩体位移场和应力场，计算出岩体开挖过程中产生滑动块体的位置，其结果可以定性地表明：沿节理面的块体滑动是边坡失稳的主要模式。编制的后处理程序提供了计算数据库与绘图软件Origin的接口，可以画出任意剖面或节理面上的应力等值线、位移矢量图及滑动块体分布图，由此可以直观判断岩体不稳定区域和高应力区范围。编制的计算程序在PC机上计算了10万块体单元，用于模拟大型工程，其计算结果与有限元及类似的连续介质模型相比更为合理，为用离散元法进一步研究可变形块体及岩体的蠕变提供了一种切实可行的工具。将离散元法应用于大型工程三维计算是可行的，但在本构模型建立、岩体破坏参数选择等方面均有等于更深入的研究，其结果也有待于更多工程的验证。

柔性加工中高功率激光束空间变换研究

在国民经济中占有重要地位的汽车工业中，对于大型覆盖件模具的表面强化处理，最常见的是火焰淬火。火焰淬火对操作人员的要求高，可控性差，效果不理想，但是由于一直没有适合的方法，目前也只能继续使用。而激光表面强化技术结合柔性加工系统正是解决这类问题的新途径。传统的激光表面强化是采用把激光束离焦后进行扫描的方式，这种方法不能充分利用激光功率密度，而且往往要用转镜或振镜形成条形光斑来加快处理速度，这就需要复杂的机械结构，而且产生难以避免的重叠回火。我们提出一种新方法，利用二元光学元件来获得一种新型的周期光强分布，实现其在高功率激光系统中的应用，并设计成为集成到柔性加工系统中的组成部分，能够完成对大、中型模具表面的激光强化处理。本论文的工作主要是有关激光柔性加工系统中的光束传输及变换子系统，不仅包括理论设计、加工制作，同时还包括把该子系统有效的结合到整个系统中。本研究工作广泛涉及激光理论，光束变换和光纤传输，系统中的模块化集成应用技术，金属材料的特殊分布光强表面改性试验研究等等，是跨学科的交叉研究工作。在本论文中，重点是二元光学元件的设计方法的选择、计算机辅助设计的实现、二元光学元件的制作和在高功率激光传输中的应用，以及特殊光强分布应用于金属表面改性中的相关工作。通过把二元光学元件引入到高功率激光加工中，对出现的新现象给出一定的预测和分析，并获得了良好的强化结果，最终实现了系统的集成化，并具有实际生产所要求的可靠性和灵活性。本论文共分六章，主要包括两方面的内容。第一章为绪论，第六章为结论。第一方面内容在第二章到第四章中说明，是用于高功率激光应用中的二元光学元件的原理、设计和制作。第二方面的内容在第五章中，是关于应用前面设计制作的二元光学元件，在实际的金属材料表面处理中的实验研究，给出了相关试验结果。

可压缩流气动声场的数值模拟

气动声学是一门流动力学和声学之间的交叉学科，主要研究流动及其与物体相互作用产生噪声的机理。动用计算技术研究气动声学问题的手段称为计算气动声学。本文的目的是，基于高精度数值算法的研究，分别运用Lighthill比拟理论、Kirchhoff积分和直接数值模拟等方法，针对翼型绕流、激波-涡干扰和轴对称射流，研究了物面非定常脉动压力、涡脱落、激波-涡干扰以及涡对并等产生噪声的机理。首先针对声场与主流场在能级和特征尺度等方面的差异，从空间离散角度分析了几种差分格式，表明迎风紧致格式/对称紧致格式有较小的数值色散、耗散和各向异性误差，因而适用于气动噪声的计算。以Runge-Kutta格式为例，对时间离散带来的误差进行了分析。指出对声波计算来说，仅考虑格式稳定性是不够的，时间步长还受到允许色散误差和耗散误差的限制。基于保色戎关系的思想，构造了优化Runge-Kutta格式。处例显示优化Runge-Kutta格式相对于经典格式有更高的计算效率。采用3阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式数值模拟了NACA0012翼型的可压缩非定常绕流流场，并将此流场作为近场声源，运用声学比拟理论对偶极子声和四极子声进行研究。结果指出，主流速度对远场声压有决定性影响，在来流马赫数较大时，四极子噪声和偶极子噪声具有相同量级，不能被忽略，表明了可压缩效应对声场的影响。采用5阶迎风紧致格式和4阶Runge-Kutta格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，对激波-单涡/双涡干扰导致的声场进行了直接数值模拟。详细研究了激波-涡干扰产生噪声的机理，指出噪声的产生及其性质和激波变形密切相关。研究了近场噪声衰减和传播距离r的关系，发现噪声衰减大致和r~(4/5)而不是r~(1/2)成反比关系，提出这种差异是由流场的非线性效应引起的。构造了Kirchhoff积分和非定常流动计算相结合的算法。采用5阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式对亚声速轴对称射流进行直接数值模拟。将射流流场作为近场声源，结合Kirchhoff方法求解远场 气动噪声。数值结果表明远场噪声具有方向性，噪声声压在离开对称轴20°处达到最大值。随着传播距离增大，噪声方向性逐渐减弱。

异形流动腔的数值分析和设计优化

动脉粥样硬化的非随机发生与当地的流体动力环境有关。完全模拟体内血流动力学环境是不可能的。我们的思路是将复杂的血管形态，分解成若干几何因素，尽可能地研究某一几何因素对流场和血管内皮细胞生长的影响。在体外实验中，为了便于在线观测，主要采用流动腔（Flow Chamber）技术。不同于国内外己有的研究，我们主要研究几何因素引起的流型的改变及其对血管内皮细胞生长的影响。本论文主要是用数值方法来研究五种几何因素（扩张、弯曲、驻点、分叉和后向台阶）引起的流型特征。分析各参数的影响，进而优化设计。为在体外进行血管内皮细胞培养实验，研究不同流场条件下由于几何形状改变引起的流场特性改变对内皮细胞生长的影响，提供理论依据。

煤油-氢双燃料超音速燃烧研究

本课题进行了“煤油一氢”双燃料超音速燃烧的实验研究，采用一维近似计算程序对实验数据进行处理，对此一维程序所用模型也作了说明。实验采用“煤油一氢”双燃料超音速燃烧方案，即利用少量的氢与来流空气自然形成引导火焰与煤油进行混合燃烧。实验是在超单速燃烧实验台上进行的，实验空气总温1800K左右、总压17atm左右，燃烧室进口M为2.5，可以模拟飞行M数为7的超燃冲压发动机中的燃烧工况。在没有附加点火的情况下，能实现煤油一氢双燃料自点火并维持稳定燃烧的条件包括：氢的最小当量比、燃料的喷注方式与燃烧室几何形状等。因此，本实验进行了四方面的研究内容：（1）氢气当量比对点火极限的影响；（2）煤油驱动气压力对点火极限的影响；（3）不同凹槽形火焰稳定器对燃烧的影响，包括改变凹槽形状和改变喷油孔的位置；（4）实验空气总温对燃烧的影响。用一维超音速燃烧程序对实验数据进行了处理，实验结果表明，通过合理地控制氢气当量比、煤油当量比，在一定的总温总压条件下，利用合适的火焰稳定器，采用煤油一氢双燃料超音速燃烧方案实施煤油的超单速燃烧是可行的，其中凹槽形火焰稳定器对点火与燃烧有重要的作用。本实验研究表明，氢气当量比的最低极限为0.09左右，来流总温最低生在1710K时煤油仍能点燃。实验结果说明，煤油一氢双燃料超音速燃料超烯冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧的氢量可以控制在较低的范围，并且来流温度要求不是很高，因此对于碳氢燃料超燃冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧方案具有较为实用的价值。

水下高速喷流噪声的产生机制与辐射特性

在对喷流噪声研究进展广泛调研的基础上，本论文采用柱坐标下轴对称的线化欧拉方程（LEE）、空间四阶时间二阶精度的MacCormack差分格式，对水下气体喷流的混合噪声产生与辐射特性进行数值模拟研究。采用基于经验公式的积分计算方法来确定求解线化欧拉方程所需的平均流场，对边界条件给予特殊处理以避免声波通过时产生反射。本文计算声明，线化欧拉方程及其相应的高阶数值方法提供了一个可以预报水下气体喷流混合噪声传播的省时高效的途径。给出的结果指出：由于水介质的密度很大，水下气体喷流远场收集到的噪声强度比同样情况下空中气体喷流要小，这说明水下发射导弹更具隐蔽性。同时，由于水介质中的声速很大，水下的高速喷流噪声场呈现更加均匀的性态，而不是象空中混合噪声在下游沿一定的方向辐射。鉴于本文只考虑常温情况，气体喷流速度是影响喷流噪声产生与辐射的重要参数：马赫数增大，远场的噪声强度随之增大。另外，水下喷流噪声的特性还与扰动频率有关。

细胞黏附的力学建模及其力敏感性的机理研究

细胞黏附在机体的生理和病理过程中起着重要的作用。作为细胞内、外信息交流和传递的通道，细胞黏附斑具有独特的力敏感性。实验表明，在力的作用下，黏附斑不仅可以生长、成熟和破坏，而且还能感知外部环境的力学性质，如基底硬度、硬度梯度和形貌等等。细胞黏附如何响应不同的力学刺激，物理机理是什么，如何定量描述这些物理机理？这些问题是细胞生物学和细胞力学中的重要问题。本论文通过在分子和亚细胞尺度上的力学建模研究了黏附斑的力敏感性机理，主要包括以下几方面的内容： (1) 发展了一个非线性的撕裂模型，研究了细胞黏附的稳定性和边缘依赖性。通过引入黏附分子键的非线性本构关系，并考虑黏附分子键的多种分布形式，我们发现黏附分子键的非线性效应对维持细胞黏附的稳定性起着至关重要的作用。黏附分子键的非线性力学性质使黏附分子键可以同时承载，降低了细胞对黏附分子键分布的依赖性，大大提高了细胞的黏附强度。本文的预测结果与实验结果一致。 (2) 建立了细胞黏附的细观力学模型，研究了在力作用下黏附斑生长和失稳的分子机理。在细观力学模型中，引入了“整联蛋白的聚集”和“整联蛋白-配体的反应”两个分子作用机理，并用两个化学反应来描述。通过基于Monte Carlo思想的Gillespie算法模拟了细胞黏附在不同载荷下的响应。我们发现黏附斑只能在一定范围的张力下生长，在这个范围内整联蛋白的聚集机制占主导。而当张力大于某个临界值时，黏附斑将失稳并导致破坏，这时整联蛋白-配体分子键的解离机制占主导。因此，黏附斑对作用力的不同响应，是不同分子作用机制在力作用下相互消长的结果。同时我们还建立了一个唯象的热力学模型中，验证了我们的细观力学模型。 (3) 基于细胞黏附的细观力学模型，研究了周期性载荷下细胞的重排和转向机理。在细观力学模型中，通过黏附块(adhesion plaque)，将整联蛋白-配体分子键和细胞骨架联系起来。基于Monte Calro模拟，我们发现存在一个载荷临界值，当外载大于临界值时，细胞将进行重排。细胞重排的原因是在周期性载荷下黏附斑的失稳。通过引入整联蛋白-配体成键的化学反应动力学和应力纤维的粘弹性性质，解释了细胞黏附稳定性的频率依赖性。本文预测的细胞转向临界载荷和重排方向，与实验结果一致。

微尺度压痕实验的数值模拟及相关问题研究

目前国际上占主导地位的纳米压痕技术是由Oliver与Pharr提出并发展,目前的纳米压痕可以给出整个加、卸载过程的载荷—位移曲线以及硬度与弹性模量随压痕深度变化的曲线,从而提供了丰富的、比较精确的信息,为利用它探索材料比较完整的力学特性提供了可能.为达到该目的,就必须对压痕实验的加、卸过程进行较为深入的研究.作为主要的研究工具,有限元方法模拟微压痕过程在探讨通过实验数据得到更多、更准确的材料表层力学性能参数以及解释实验现象等方面发挥着重要作用.基于计算机速度与容量的原因,较早进行微压痕过程有限元模拟的BhattacharyaandNix、LaursenandSino都使用圆锥压头模拟维氏显微硬度标准正四棱锥Vicker压头与纳米压痕仪标准正三棱锥Berkovich压头,因为圆锥压头具有旋转对称性,可用二维旋转对称单元(二维实体单元)进行计算从而降低计算规模.即便如此,以当时大型计算机的水平,对规模为400~2000个四节点矩形单元的有限元模型进行一次完整的加、卸载过程也需要1~2天.到目前为止,微尺度压痕实验的数值模拟沿用二维模型.事实上,由于加工工艺的限制,微尺度压痕仪的压头如Berkovich与Vicker压头均不个旋转对称性;就微观尺度而言,实际的表层材料都是非均匀的.这些特征均不能由二维模拟体现,所以该文首先建立三维有限元模型,模拟带滑动接触的微尺度压痕加、卸载过程.在此基础上重点讨论了压头几何效应的问题,如二维模拟与三维模拟的关系、显微硬度与纳米的压痕硬度的关系、不同压头下材料的应力应变场、压痕间距与压痕边界的效应等,最后针对微尺度压痕实验中出现的压痕硬度随压痕深度减小而升高的现象,讨论了影响不同压痕深度硬度值的因素.

若干流体力学问题的数学性质研究

该文利用高智的扩散抛物化方程组理论及流体力学基本方程组的特征次特征理论,流体大小尺度（LSS）方程组理论以及摄动有限差分（PFD）方法,研究若干流体力学问题的数学性质.该文得到的主要结论有：1.利用湍流大小尺度（LSS）方程组推导出湍流大小尺度涡量（LSSV）方程组,并证明两个关于湍流大小尺度涡量的命题,从而得到湍流封闭大小尺度涡量（CLSSV）方程组,并对已有的近程相互作用命题进行推广.2.根据扩散抛物化方程组理论和流体力学层次结构方程组的特征和次特征方法,研究了抛物化稳定性方程组（PSE）的特征和次特征以及消除PSE的剩余椭圆特性的问题.3.利用摄动有限差分（PFD）方法得到对流扩散反应方程的变步长摄动有限差分格式,是等步长摄动有限差分格式的推广.

槽道湍流的直接数值模拟

通过直接数值模拟(DNS)研究槽道湍流的性质和机理。包含五个部分：1）湍流直接数值模拟的差分方法研究。2）求解不可压N－S方程的高效算法和不可压槽道湍流的直接数值模拟。3）可压缩槽道湍流的直接数值模拟和压缩性机理分析。4）“二维湍流”的机理分析。5）槽道湍流的标度律分析。1．针对壁湍流计算网格变化剧烈的特点，构造了基于非等距网格的的迎风紧致格式。该方法直接针对计算网格构造格式中的系数，克服了传统方法采用 Jacobian 变换因网格变化剧烈而带来的误差。针对湍流场的多尺度特性分析了差分格式的精度、网格尺度与数值模拟能分辨的最小尺度的关系，给出不同差分格式对计算网格步长的限制。同时分析了计算中混淆误差的来源和控制方法，指出了迎风型紧致格式能很好地控制混淆误差。2．将上述格式与三阶精度的Adams半隐格式相结合，构造了不可压槽道湍流直接数值模拟的高效算法。该算法利用基于交错网格的离散形式的压力Poisson方程求解压力项，避免了压力边界条件处理的困难。利用FFT对方程中的隐式部分进行解耦，解耦后的方程采用追赶法（LU分解法）求解，大大减少了计算量。为了检验该方法，进行了三维不可压槽道湍流的直接数值模拟，得到了Re＝2800的充分发展不可压槽道湍流，并对该湍流场进行了统计分析。包括脉动速度偏斜因子在内的各阶统计量与实验结果及Kim等人的计算结果吻合十分理想，说明本方法是行之有效的。3．进行了三维充分发展的可压缩槽道湍流的直接数值模拟。得到了 Re=3300，Ma=0.8的充分发展可压槽道湍流的数据库。流场的统计特征（如等效平均速度分布，“半局部”尺度无量纲化的脉动速度均方根）和他人的数值计算结果吻合。得到了可压槽道湍流的各阶统计量，其中脉动速度的偏斜因子和平坦因子等高阶统计量尚未见其他文献报道。同时还分析了压缩性效应对壁湍流影响的机理，指出近壁处的压力－膨胀项将部分湍流脉动的动能转换成内能，使得可压湍流近壁速度条带结构更加平整。4．模拟了二维不可压槽道流动的饱和态（所谓“二维湍流”），分析了“二维槽道湍流”的非线性行为特征。分析了流场中的上抛－下扫和间歇现象，研究了“二维湍流”与三维湍流的区别。指出“二维湍流”反映了三维湍流的部分特征，同时指出了展向扰动对于湍流核心区发展的重要性。5．首次对可压缩槽道湍流及“二维槽道湍流”标度律进行了分析，得出了以下结论：a）槽道湍流中，在槽道中心线附近较宽的区域，存在标度律。b）该区域流场存在扩展自相似性（ESS）。c）在Mach数不是很高时，压缩性对标度指数影响不大。本文结果同SL标度律的理论值吻合较好，有效支持了该理论。对“二维槽道湍流”也有相似的结论，但与三维湍流不同的是，“二维槽道湍流”存在标度律的区域更宽，近壁处的标度指数比中心处有所升高。

电弧离子镀中脉冲偏压对TiN,CrN薄膜性能的影响

在电弧离子镀技术中使用脉冲偏压电源是近年来发展起来的一项新技术。研究表明，在薄膜沉积过程中，以直流偏压为基础，迭加一个高脉冲电压，有助于改善薄膜的性能，并且能够在较低的沉积温度下获得结合力较强、内应力较小、表面光洁度也比较好的薄膜。通过正交设计和方差分析，本文首次研究了在电弧离子镀技术中使用脉冲偏压电源， 在高速钢和不锈钢基体上沉积TiN和CrN的过程中，对薄膜的表面粗糙度、表面形貌、结合力、显微硬度、沉积速率等性能的影响，发现：（1） 在考虑气氛、弧电流和脉冲电源的各种参数的情况下，气氛和频率是影响薄膜性能的主要因素；（2）在气氛、弧电流不变的条件下，脉冲电源的频率和占空比是影响薄膜粗糙度的主要因素；（3）在比较了直流偏压和脉冲偏压的实验结果之后，认为利用直流迭加脉冲的偏压方式，经过优化参数，能够比较显著地 降低薄膜的表面粗糙度，提高沉积速率。

海床对水表面波动态响应的研究

在设计各种各样的海工结构物时，必须考虑海洋波浪引起的海床变形乃至失稳问题。本文旨在通过波浪作用下海洋土动态响应的研究，对海洋土在各种加载条件下所呈现的动力学特点做全面细致的了解，揭示一些现象的力学机制，为工程设计提供可参考的科学依据。系统地研究了线性波和有限深底床相互作用下底床土层的动态响应。应用弱非弹性多孔介质模型，针对波浪衰减、底床中应力场分布以及土骨架位移等问题，进行了详细地分析。预测了在不同的波参数和土参数下，土床可能发生破坏的最大深度，分别分析了粗，细砂土床中渗滤作用和土颗粒之间的库仑摩擦对底床稳定性所带来的影响。通过对不同土质底床在波浪作用下所表现的动态特征，讨论了粉土床发生共振液化的力学机制，提出了共振液化发生的必要条件。考虑了非线性波和弱非弹性多孔介质的耦合，推导了在弱非弹性多孔介质上传播的浅水波方式，得到了依赖于土参数的椭圆余弦波波面方程，以及土床应力场和土骨架位移的关系式。根据浅水波相速度和衰减率的计算结果，分析了浅水波在不同土质底床上的传播特性，具体讨论了在椭圆余弦波作用下土床中孔隙水压力随波高和周期的变化关系，通过和线性波结果的比较分析，给出了该理论的适用范围，并得到他人实验结果的验证。分析了短峰和底床相互作用所引起的防波提失稳问题。给出了非完全反射防波堤前土床中的应力场分布，对短峰波所引起的底床液化势及剪切破坏进行了详细地讨论。针对不同土质底床，计算了底床最大破坏深度以及破坏区域随加载波周期、水深及入射角的变化关系。参照实际工程，讨论了考虑防波堤自重情况下防波堤的失稳，给出了敏感区域。

新型固井前置液研究及环空驱替机理分析

固井前置液是置于固井水泥浆与钻井液间的一段具有特殊性能的液体，用于冲洗井壁、防止污染，以提高固井质量。同时，前置液与固井水泥浆分界面的稳定性对固井质量亦有重要影响。以往，主要考虑配制淡水钻井液体系中的前置液。本文研究海水钻井液体系中前置液的配制，这是一个新课题，对保证这类油气井长期安全生产具有重要意义。 本文针对海水钻井液体系的特点，提出了一种新型前置液配方，对其在固井过程中的各种性能进行了众多的室内实验研究，结果表明：新型前置液属非牛顿流体，其本构关系基本符合幂律模式，高温高压的影响不大；新型前置液与海水钻井液、固井水泥浆及盐水等有良好的相容性；其中的固体颗粒及表面活性剂能实现物理与化学冲洗，有效冲刷井壁泥饼。 开展了高温高压下水泥浆流变性能的实验研究，表明水泥浆本构方程符合屈服幂律模式。采用屈服幂律模型，对水泥浆环空流动规律及影响因素进行了数值模拟，得到环空偏心度、环空返速和流动介质对流动不均匀性的影响规律，其中偏心度是引起环空流动不均匀的主要原因。同时开展了相应的实验研究，数值结果与实验相吻合。 研究了环空偏心度、环空返速及前置液物性参数对前置液－水泥浆界面稳定性的影响。表明，偏心度对环空驱替界面稳定性具有重要影响，降低套管偏心度可提高界面稳定性。环空返速和前置液物性对界面稳定性亦有一定影响，低速层流界面稳定，湍流驱替界面掺混程度低，增大水泥浆和前置液的密度差、降低前置液的流型指数、稠度系数和屈服应力都可使界面趋于稳定。 将新型前置液应用于胜利埕岛油田4个井组18口井，进一步开展了两期现场对比和两次推广应用试验研究。现场试验表明，应用新型前置液后，环空水泥浆界面清晰，混浆段长度缩短，第一界面的合格率除一口水平井为93％外，其余井均在95％以上，第二界面的合格率则可提高40～50％。因此，新型前置液具有很好的推广应用前景。