流体组织范文

流体组织范文（精选7篇）

流体组织 第1篇

超临界流体的自组织解耦致震机理

从全局来看, 以岩石圈为边界的固体地球系统是1 个极复杂的热力学开放系统, 而从更细致的角度分析却发现, 在地震、火山、地球排气、深海热液喷流等地质作用发生前, 岩石圈极大的单向限制了固体地球系统能量和挥发分的传输, 使其更趋于1 个热力学封闭系统。固体地球系统的能量产源如放射能、重力势能、动能直接作用于地球内部, 太阳能则可固定于植物有机体并随地质大循环传至地球内部, 而热量的向外传输则要受不良导体岩石圈的限制, 使得其获得的热能远大于大地热流的耗散量。根据热力学第一定律, 热力学封闭系统吸收的热能有2 个用途:一部分用来增加系统内能, 另一部分用来对外做功。然而刚性的岩石圈限制了固体地球系统对外做功, 使得热能只能先用于增加其内能。另据侯渭等计算, 现代海洋水仅占全球总水量的6%, 在长期演化进程中, 绝大部分水存留在了固体地球系统内部。水是诸多矿物的组成成分, 矿物中的水主要有吸附水、自由水、结晶水、结构水等。在地质大循环的矿物重融过程中, 矿物的晶格和结构遭受破坏, 水、有机物等挥发分随之逸出进入地球内部, 固体地球系统的挥发分来源还有演化过程中的流体残余、无机成因烃等, 这些挥发分能够在地球内部分异运移, 而若要向外传输则要受到岩石圈的围限。由此固体地球系统构成了1 个短暂存在的不断获取热能和挥发分的单向传输的高温高压热力学封闭系统。

超临界流体孕震体的自组织机理

在固体地球系统内部, 以水为主要成份的挥发分处于超临界态, 形成了多物质组成的超临界流体 (supercritical fluid, 简称SCF) 。 科拉半岛CK—3 超深钻 ( 深11660m) 和巴伐利亚洲KTB超深钻 (深9101m) 均表明地球内部有流体存在, 出露地表的幔源岩石中含有大量的流体包裹体也是较好的证明之一。固体地球系统内的SCF为C—H—O—S体系, 以H2O、CO2、H2、CO、SO2、H2S、CH4等形式存在。下地幔在含SCF的条件下产生部分熔融并对其深部动力学产生重要影响, 碳化钨、自然硅、自然铁等缺氧矿物出现在逸氧度较高的金伯利岩中, 对这种不平衡现象最好的解释是有地幔深处高度还原的SCF携带缺氧矿物渗入到金伯利岩中, 这是证明固体地球系统内部有SCF存在的证据。

总体而言SCF在固体地球系统内广泛存在, 但黏稠的地幔物质迟滞了SCF的运移与扩散, 使得SCF的分布具有明显的不均一性。SCF在横向上受演化历史、地幔对流、矿物组分、构造运动等因素影响。在地幔对流下降流处重力分异加剧, 分异出大量SCF, 加之该区域洋壳和俯冲板块富含流体, 致使汇聚板块边界内成为SCF的巨大储库, 地幔对流上升流从地幔深部带来的SCF也为相应区域提供了一定的SCF来源。SCF在纵向上则主要受重力分异影响, 有背离地心向固体地球系统边界运移的趋势。

SCF贯入岩体裂隙使其介质连续性降低、矿物颗粒边界弱化、岩石流变性和有效粘度降低, 相应区域呈现低速异常。同时, 多种有机物、无机盐溶于SCF中, 使之转变为类似电解质溶液的热液, 电导率得以提高。在重力分异作用下, 熔融的矿物下沉汇入岩浆中, 而SCF则随分异作用上移汇集, 最终形成了以SCF为主要成分的低速高导层。车用太等、研究表明低速高导层对地震起控制作用, 中小地震多发生在低速高导层埋深较浅的隆起部位, 强震多发生在低速高导层埋深适中的地方, 1920 年海原Ms8.0 地震、1995 年1 月17 日日本阪神Ms7.3 地震、1998 年1 月10 日张北Ms6.2 地震的震源MT、CT探测表明震源体实为低速高导流体包体。借助输入的能量流和挥发分流, 低速高导层不断发展壮大, 逐渐远离平衡态自组织为空间有序结构, 这个在多尺度上具有分形结构的SCF团聚体即为孕震体。孕震体是迫于固体地球系统功能转换受阻而生成的, 即孕震体是固体地球系统维持自身长期稳定的产物, 众多孕震体的形成极大的降低了固体地球系统全局崩解的风险。陈禹、在阐述复杂适应系统理论时就曾指出, 个体演变过程即为受限生成过程, 反映了在一定约束条件下, 主体发展和进化的一般规律。

随着孕震体发育渐显成熟, 一方面孕震体拆沉上覆围岩使其逐渐减薄, 另一方面上覆围岩承受的应力却在与日俱增, 应力集中使岩体裂隙发育并逐渐扩张。贯入裂隙、断裂带中的SCF活化了地质断层, 岩层抗剪强度随之下降, 并发地下流体异常。2008 年汶川Ms8.0 地震前就表现出较为显著的地下流体异常, 距震中1000km范围内地下流体异常占各类前兆异常总数的46%。SCF的运移、聚集促进了构造运动的发展, 构造运动又为SCF的运移、聚集创造了条件, 二者相互促进, 协同发展。多物质、多组成形式耦合的相干与协同、进化与发展, 使作为时空延展耗散系统的孕震体远离平衡态自组织演化而归于混沌边缘, 呈现自组织临界性的孕震体表现出了最大的复杂性、最大的演化性、最大的创新性。至此, 极具危险性的超临界流体孕震体就已形成。

超临界流体孕震体的解耦爆炸机理

地壳中临界点附近的水在发生相变时物理化学参数急剧场变化, 表现出临界奇异性, 其热容随温度和压力的变化而变化。当压力恒为临界压力时, 热容值随着温度趋近临界温度而迅速增大, 当温度达到临界温度时热容值变为无穷大, 当温度恒为临界温度时亦同理。当温度和压力同时达到临界值时, 水的相变将表现出最大的临界奇异性。在理论上对临界奇异性进行阐述的是Mie—Grüneisen方程:

式中 (∂P/∂T) v为热压系数, γ 是热力学Grüneisen参数, Cv是等容热容, ρ 为密度, αp为等压膨胀系数, KT为等温压缩系数, 因等容热容、等压膨胀系数和等温压缩系数存在临界奇异性, 在临界点变得无穷大, 致使热压系数变得无穷大, 这表明多元微扰引起的小温度涨落即可引发压力剧变甚至爆炸, 其与深大断裂耦合引发的巨涨落则可触发地震。

随着孕震体的再发展, 孕震体的能量流和挥发分流已不可再输入, 围岩的不可逆损伤已不可再添丝毫, 此时的孕震体处于既平静又具极大变数的混沌边缘。呈现自组织临界性的孕震体既具鲁棒性又具敏感性, 鲁棒性使其趋于保持结构完整, 而敏感性则决定了微小的扰动即可使其产生关联全局的连锁反应。大到天体引力变化, 小到蝴蝶翅膀振动的微扰均可通过自反馈机制不断放大而引发孕震体的灾难性后果。终于, 环境中的某一微扰引发孕震体涨落失稳, 微裂隙随之扩展, 围岩围限压力随之微降, 压力微降又使孕震体发生相应的膨胀, 微胀的孕震体作用于围岩又使裂隙进一步扩展, 如此不断自反馈, 使围岩的裂隙扩展贯通, SCF大量贯入岩体、断层的裂隙中, 断层得到最大程度的活化, 构造运动长时间积累的地壳应力骤然释放, 先前存在的断裂带大幅错动, 岩体裂隙大幅扩展贯通, 孕震体围限压力骤降, 温度有所下降, 当压力和温度无限趋于临界值时表现出极大临界奇异性, 引发孕震体由表及里关联全局的爆炸, 爆炸冲击断裂带造成更大幅度的错动和新断裂, 巨量流体骤然释放使围岩腔不堪自重时向内挤压形成岩爆。上述整个过程自成一体, 伴随着强烈的声光现象在极短的时间内完成, 巨量能量骤然释放产生巨大动能使岩体剧烈震动而形成地震。

伴随着地震剧烈的功能转换以及其他释能过程, 先前短暂存在的单向传输热力学封闭系统随之被突破而归于平衡, 再愈闭再突破则形成下一周期地震。在地震过程中, 大孕震体与深大断裂等诸多因素耦合爆炸形成了多倍于本身的中小孕震体, 中小孕震体再与中小断裂等多因素耦合爆炸形成余震, 主震生余震, 余震生余震, 同级促同级, 一级促一级, 一级一级耦合解体再触发, 直至不具备发震条件而归于平静。从主震发生到余震完结, 各级地震层层嵌套, 呈现自相似性, 其实质是统计意义上无规分形孕震体的逐级崩解。

超临界流体孕震体解耦爆炸的部分证据

深源地震的存在是超临界流体自组织解耦爆炸致震模型坚实有力的理论基础。俯冲到固体地球系统内的俯冲板块在铅垂方向上构成了次一级围限边界, 深源地震的产生由此成为可能。深源地震依附于俯冲板块, 俯冲板块的消融意味着深源地震的消亡。深源地震爆发释放的巨量流体继续运移会对周边区域产生影响。中国东北地区的深源地震与相邻地区的地震、火山活动就具相关关系, 东北深震爆发后的3a内, 中国内地的地震活动会明显增强。Sano等报道2011 年东京Ms9.0 地震后震源区海水中出现3He含量剧增现象, 震后30d以后对深海水取样分析发现, 3He含量仍比震前高出2% ~ 3%, 3He/4He值是幔源物质的重要判识指标, 3He的大幅异常表明在地震时有大量幔源SCF沿同震断裂涌出, 其证明了正是作为孕震必要元素之一的流体为固体地球系统的功能转换创造了条件。这一过程若发生在地球内部的俯冲带内则可对应的形成深源地震。概言之, 浅源地震、深源地震、火山地震等地震形式其本质是相通的, 均是系统边界对系统熵增的围限。

在矿物方面的证据有放射状岩墙、环状岩墙、隐爆角砾岩、地幔捕虏岩、同震断裂不规则爆裂式等。地震过程中压力骤降使围岩腔下方的岩浆急剧上涌贯入裂隙中可形成放射状岩墙, 岩爆致使的围岩腔坍塌再贯入岩浆则可形成环状岩墙。隐爆角砾岩是原岩被高温高压富挥发分流体释压炸裂而形成的角砾结构。在郯庐大断裂两侧的蒙阴加里东期、平邑归来庄燕山早期、五莲七宝山燕山晚期以及新泰车往峪燕山晚期均有发现隐爆角砾, 其多呈筒状、漏斗状、喇叭状, 其中蒙阴常马喇叭状隐爆角砾岩筒最为典型, 四周发育放射状断裂。杜乐天发现部分地幔捕虏岩裂隙极为发育, 从碎裂结构到碎斑结构一直到糜棱岩化, 众多裂隙面产有烃碱流体薄膜喷镀, 这被认为是SCF膨胀或爆炸造成的。另外, 以5.12 汶川地震后的汶川县映秀牛圈沟同震断裂、彭州市龙门山镇—银厂沟同震断裂、青川东河口同震断裂为代表的同震断裂不规则爆裂式表现出基岩成带破裂、崩塌或向外抛掷、喷射等典型的爆炸特征, 这对地震时的爆炸事实也给予了佐证。

在地震学理论方面对超临界流体自组织解耦致震模型给予支持的则有古登堡—里克特关系式, 该关系式给出地震震级M与频率N之间的统计关系:

式中a和b都是常数, 该关系式实质是频度与能量之间的负幂律关系, 地震可看成是1 种特殊的1/f噪声。1/f噪声是呈自组织临界性的复杂适应系统在产生所有各种尺度和持续时间的连锁反应时所能出现的信号, 而分形则是自组织过程的“快照”, 因此1/f噪声和分形结构分别被看成自组织临界性的时间和空间上的“指纹”。自组织临界性是孕震体构成的关键一环, 而地震反映的1/f噪声和所呈现的无规分形恰好证明了孕震体存在着自组织临界性。综上阐述, 一个以理论物理为基础的超临界流体自组织解耦爆炸致震模型至此建立了起来。

地震控制定律

沙堆模型是自组织临界性的经典范例, 处于自组织临界态的沙堆对新添沙粒产生的响应是不可确定的, 沙粒可能停留在沙堆上, 也可能引起局部滑动, 甚至可能引发关联全局的崩塌。作为非线性的复杂适应系统, 孕震体充满变数具有高度的不可确定性。学界业已证明只有二体问题才有一般周期解, 要在像地震这样极复杂多元波动的方程中输入复杂多元波动的值而产生一般周期解是不可能的。地震具有地下不可明见性、参数测量不可精确性、孕育过程变化不可确定性决定地震预测问题在人类可预见的未来很难得到有效的解决, 而人类又不可坐以待毙, 由此探寻地震学的新出路就显得尤为重要起来。在充分认识地震成因的基础上, 笔者研究发现:控制作为人类作用于客观事物的最高形式同样适用于地震学, 它无疑是主动的、可操作的、相对可确定的, 同时也是人类客观认识事物的必然结果。

地震控制的理论基础

虽然地震预测问题仍悬而未决, 但这并不妨碍人类对其分布规律的进一步认识, 受控于巨型地质构造, 地震呈现全球规模的带状分布, 主要有环太平洋地震带、地中海—喜马拉雅地震带、大洋中脊地震带、大陆裂谷系地震带。而地球两极则少有地震发生, 这应与SCF的离极运动有关。曲延军等研究表明, 中国大陆Ms5.0、Ms6.0、Ms7.0 地震震前出现地震空区的比例分别为45.8%、72.6%、100%, 并且地震震级与地震空区持续时间、空区尺度、围空起始震级存在一定的正相关关系。在地下与地震空区对应的是孕震体, 正是地震空区较好的封闭条件为孕震体发展创造了前提, 界定了地震空区即意味着明确了孕震区范围。若依据地震分布规律, 对孕震区的低速高导层施以影响以诱导其向更平和的释能方式转化则可达到消减地震的目的, 这即为地震控制思想的发端。

张璇等报道2013 年4 月20 日四川芦山Ms7.0 地震震前出现了较明显的卫星热红外异常, 热异常特征周期约为64d, 临震特征功率谱幅值为2a内数据最大值, 相对变化率高达9 倍多。震前的卫星热红外异常反映了为固体地球系统的各类地质作用提供动力的正是其蓄积的热能。车用太等研究表明, 中小地震多发生在地热异常区, 而强震则多发生在相对冷的区域, 温泉出露区与强震活动区相间“错位”现象在辽东半岛、云南省红河断裂北段周边盆地、东南沿海等地均有报道。地热异常区上覆围岩封闭性差, 热能和挥发分外泄, 失去了孕育强震的条件, 从而降低了大震的发震频率, 这无疑为地震控制开拓了新思路。

地震控制的三条定律

由物质不灭和能量守恒定律可推出地震控制第一定律:普遍联系与永恒发展的物质和能量彼此转化不可泯灭, 对于剧烈的转化过程需要找出影响其发展与转化的决定因子, 并以此进行有效调控, 使其向有利于人类的方向发展。作为耗散系统的孕震体能够发展到哪1 个危险级别, 取决于胁迫孕震体发展的最薄弱“协议”, 这个最薄弱协议是影响孕震体发展与功能转换的决定因子之一。任何材料或结构的破坏都在限制因素作用下以最容易破坏的方式进行, 各型构造断裂构成了固体地球系统的最薄弱“协议”, 对构造断裂进行有效的诱导与调控可在某种程度上实现对地震的控制。

火山、温泉、地球排气、海底热液喷流、大地热流等地质作用有着相同的实质, 都是固体地球系统能量、挥发分的释放过程, 其中挥发分的释放是间接的释能方式, 所有这种除地震以外的固体地球系统的释能过程都属于不完全的地震 (简称不完全地震) 。不完全地震地震效率低且释能过程相对温和, 其造成的破坏在人类的相对可控范围。由此可推出地震控制第二定律:地震释能消减量同等于不完全地震释能增量, 适时适地的开辟能量释放窗口有利于地震向不完全地震转化, 转化的不完全地震能量可服务于人类的生存与发展。

在非线性非平衡态热力学系统中发生的任何耗能过程, 都将在与其相应的约束条件下以最小耗能的方式进行, 这一表述称之为最小熵产生原理。呈指数增加的弱震频率表明固体地球系统以最少的熵增维持地应力均衡, 固体地球系统在偏离平衡态时有选择能量耗散最小方式的惯性, 使其总体内禀熵产生率对时间的积分取极小值。若孕震体在尽可能小时已具备发震条件则其会尽可能早爆发, 绝不会发展为危险级别更高的孕震体。由此可推出地震控制第三定律:设某时段固体地球系统地震释能为某一定值, 则大震 (Ms ≥ 7.0) 释能消减量同等于中小微震 (Ms<7.0) 释能增量, 适时适地诱发中小微震可有效制约大震发震频率。

结语

(1) 孕震体是输入系统的能量流和挥发分流迫于功能转换阻力自组织形成的空间有序结构。

(2) 地震是呈现自组织临界性的孕震体与构造运动等多因素耦合的逐级崩解。

(3) 普遍联系与永恒发展的物质和能量彼此转化不可泯灭, 对于剧烈的转化过程需要找出影响其发展与转化的决定因子, 并以此进行有效调控, 使其向有利于人类的方向发展。

流体组织 第2篇

1 材料与方法

1.1 材料

α- MEM培养基(Gibco,美国);胎牛血清(Hyclone,美国);1,25- (OH)2D3,Dexamethasone(Sigma,美国); SupperScript Ⅱ逆转录试剂盒,DNase Ⅰ(Invitrogen);PCR 试剂(MBI,立陶宛); GeneAmp PCR System 9600(PE公司,美国);FTC2000 荧光定量PCR仪(枫岭公司,加拿大);流体切应力加力系统(专利号:200420034438)。

1.2 破骨细胞的原代培养、鉴定和纯化

取SD大鼠四肢长骨的骨髓细胞,以1,25- (OH)2D3联合地塞米松诱导培养,培养第7 天,Trap染色、甲苯胺蓝染色和扫描电镜观察鉴定破骨细胞,0.25%胰蛋白酶/0.02% EDTA进行细胞纯化[2]。

1.3 破骨细胞的体外加力

按加载 的 力 值 和 持 续 时间分2 组:(1)力值组:分别对 细 胞 施 加0(对照)、 0.9、 3.2、 8.9、 18.7 dyne/cm2的流体切应力,时间为30 min; (2)时间组:对细胞施加3.2 dyne/cm2的流体切应力,持续时间分别为0(对照)、15、 30、 60 min。每组实验各进行3 次。呈单层排列的细胞受到流体切应力的计算公式为[3]:τ= 6 μQ/wh2。其中μ为培养基表观粘度,Q为流量,w为流槽宽度,h为流槽高度。由血液流变仪测出α- MEM培养基37 ℃时,μ=0.75210-3Pa/s。将加力装置[4]按设计要求安装。系统中加入无血清的α- MEM 培养液(37 ℃)200 ml,保持蠕动泵提供的流量恒定。将载有纯化后的破骨细胞的载玻片放入流槽内,形成密闭的流室。分别对细胞施加相应的流体切应力。

1.4 实时荧光定量巢式RT- PCR

1.4.1 总RNA的提取和cDNA的合成

Trizol法提取总RNA,1%琼脂糖凝胶电泳检验。cDNA反转录试剂盒合成cDNA。进行Cat K mRNA内、外侧引物和管家基因GAPDH TaqMan 探针的设计和合成(表 1)。将cDNA产物进行巢式PCR,第一轮PCR扩增条件:94 ℃预变性2 min;94 ℃变性20 s、55 ℃复性30 s、72 ℃延伸40 s,循环15 次;72 ℃延伸5 min。第二轮PCR扩增条件: 94 ℃预变性2 min;94 ℃变性20 s、55 ℃复性30 s、72 ℃延伸40 s,循环35 次;72 ℃延伸5 min。

注: Cat K:组织蛋白酶 K; GAPDH:管家基因

1.4.2 RT- PCR 对第二轮PCR产物2%琼脂糖电泳,检验无误后,行RT-

PCR。反应体系:10PCR缓冲液3 μl、25 mmol/L MgCl2 3 μl、25 mmol/L dNTPs 0.36 μl、10 μmol/L Cat K内侧上、下游引物各1 μl、10 μmol/L GAPDH探针1 μl、5 U/μl Taq酶 0.3 μl、ddH2O 15.34 μl、巢式PCR产物 5 μl;扩增条件:94 ℃ 2 min; 94 ℃ 20 s、 55 ℃ 30 s、60 ℃ 40 s,循环45 次。

1.4.3 检测结果的计算

扩增反应结束后,绘制相应的扩增动力学曲线。根据曲线确定样品管中荧光强度增加到阈值时的扩增循环数(Ct值),根据Ct值与标准模板初始拷贝的对数值作图,得到该样品的标准曲线。假设实验组相对于对照组中Cat K的相对表达量为Z,根据公式计算Z=2-△△CT,△△Ct = (CtCat K- CtGAPDH)实验组- (CtCat K- CtGAPDH)对照组[5]。

1.5 统计学分析

采用SPSS 11.0统计软件进行统计分析,对各组相对拷贝数进行单因素方差分析,α=0.05, P<0.05具有统计学差异。

2 结 果

2.1 破骨细胞的原代培养、纯化和鉴定

倒置显微镜下观察,破骨细胞呈煎蛋形、漏斗形等不规则形态,有伪足和丝状突起,含多个细胞核。在细胞培养7 d, 0.25%胰蛋白酶/0.02%EDTA消化6～8 min后,纯化率可达90%(图 1)。Trap染色的破骨细胞胞质呈红色阳性反应,胞核阴性(图 2)。甲苯胺蓝染色的骨吸收陷窝为蓝色异染区,呈圆形、腊肠形等形态(图 3)。扫描电镜观察:吸收陷窝呈圆形、椭圆形或不规则形,底面粗糙,有纤维样基底(图 4)。

2.2 RNA 分析和扩增效率分析

总RNA经1%琼脂糖凝胶电泳,28 S、18 S条带清晰可见,无DNA污染条带,无降解条带(图 5)。常规PCR产物经2%琼脂糖凝胶电泳,Cat K和GAPDH条带清晰,未见杂带,相应的碱基数目正确(图 6)。

假定标准模板样品每毫升的初始拷贝数为x107、x106、x105、x104,以样品拷贝数的对数为横坐标,Ct值为纵坐标,拟合Cat K和GAPDH的标准曲线(图 7),其回归系数均大于0.96,拟合满意。利用标准曲线以公式计算扩增效率Ex [5]:Ex=101/-k(k为标准曲线的斜率),Cat K与GAPDH的Ex值近似相同,约为2.1。

2.3 不同流体切应力作用下Cat K mRNA的表达

力值组中,各加力样本Cat K mRNA的相对拷贝数均比对照组(0 dyne/cm2)低。随着力值的增加,各组样本的Cat K mRNA相对拷贝数的均值逐渐减少(P<0.05)(表 2);在时间组中,各加力样本Cat K mRNA的相对拷贝数均比对照组(0 min)低。随着加力时间的延长,各组样本的Cat K mRNA相对拷贝数的均值逐渐减少(P<0.05)(表 3)。

3 讨 论

骨组织中的骨陷窝、 骨小梁等构成陷窝-小管网络系统,其中充满了组织液。动态的生理性轴向或曲载荷产生局部的梯度压力,使组织液从受压区域向拉伸区域流动。在无外源性载荷的生理情况下,由骨内膜血管系统及骨膜表面的淋巴引流系统间的梯度透壁压力驱动,也产生类似的缝隙液体流动[6]。Knothe等[6]证实了骨矿化基质中流体的存在,提示流体切应力可能是与骨改建相关的力学信号之一。

作为正常生理条件下唯一具有骨吸收功能的细胞[7],破骨细胞的力学研究对探讨骨改建的机制具有重要意义。Shibata等[8]对破骨细胞施加机械牵张应力,TRAP、Cat K等基因表达受到抑制,诱导型一氧化氮合酶的表达增强,NO合成量升高。Kulkarni等[9]认为,流体切应力可能通过刺激骨细胞细胞外基质磷酸化糖蛋白的表达,使骨保护素的表达上调,从而抑制破骨细胞的形成。McAllister 等[10]首次报道了来源于骨髓的SD大鼠破骨样细胞是流体切应力敏感细胞,流体切应力促进破骨细胞前列腺素E2和NO的释放。

骨有机质的降解依赖蛋白酶的作用,如组织蛋白酶和基质金属蛋白酶。其中,Cat K系木瓜蛋白酶家族成员,是破骨细胞特征性高表达的溶酶体酶,在骨基质的降解和改建中发挥重要作用[1]。Cat K可使成年骨内的不溶性I型胶原完全降解,还能降解Ⅱ型胶原、骨桥接素和骨连接素。目前,尚未见文献报道流体切应力作用下破骨细胞Cat K表达水平的相关研究。

本研究采用平行平板流体切应力加载系统,对纯化后的SD大鼠破骨细胞,施加流体切应力,实时荧光定量巢式RT- PCR检测Cat K mRNA的表达。结果显示,随着力值的增加和作用时间的延长,破骨细胞Cat K mRNA的表达量均呈下降趋势。说明在流体切应力(0.9～18.7dyne/cm2,30 min和3.2 dyne/cm2,15～60 min)作用下,破骨细胞Cat K mRNA的表达受到抑制,其表达水平分别与力值和加载时间存在负相关关系。本研究结果提示,流体切应力可能通过改变破骨细胞胞内功能性酶(如Cat K)的转录水平而影响骨吸收。有关的作用机制尚不清楚,还需进一步研究。

参考文献

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流体组织 第3篇

英国著名教育学家J.K.Gilbert教授在其组织编著的“Visualization:Theory and Practice in Science Education”一书中特别强调:可视化技术在现代科学教育教学中的应用是一个亟待深入研究的问题[1]。Gilbert教授从认知模型的角度考虑了可视化在宏观、亚微观和符号层面认知中的作用, 讨论了照片、示意图、图表等可视化技术在科学知识描述中的功能。本文在总结“流体力学”、“空气动力学”和“计算流体力学”教学内容以及“飞行器部件空气动力学”教学经验的基础上, 结合参考文献[1]中的教学思想, 系统探讨计算流体力学 (CFD) 可视化技术在流体力学课程教学中的应用。

CFD是采用计算机模拟流体流动及相关现象的一门科学, 主要涉及物理、数值数学和计算机科学等学科。CFD的应用历史可追溯到上个世纪70年代, 理论研究的历史则更早一些。随着计算机技术的发展, CFD所能求解问题越来越复杂, 最早是求解简化方程控制的跨声速流动, 到了80年代初就可以求解二维或三维的Euler方程, 随后Navier-Stokes方程的求解也成为可能。经过本世纪近十年来的快速发展, CFD技术基本成熟, 相应的软件被广泛的应用于航空、航天、汽车、船舶、生物、材料、气象、海洋以及石油工业等领域。

在应用需求的牵引下, 目前大部分CFD软件都已经具有非常友好的人机交互界面, 不仅能够以一定精度计算流体运动控制方程、模拟复杂的流体流动, 更能够通过一定的可视化技术显示所计算流场的空间结构和时间演化特征。因此, 流体力学本科与研究生教学中涉及的诸多基本概念、一般规律和关键问题等, 都可以结合CFD软件进行直观而科学的探讨。

二、基本概念的解释

在传统的教科书中, 流体力学中的基本概念, 如流场、梯度、散度、旋度、流线、迹线、点源和偶极子等, 常常采用一定的数学公式或抽象语言来描述, 这对学生理解实际的流体流动问题是十分不利的。借助于CFD软件, 上述概念可以采用云图、矢量图和等值面等十分直观的显示出来, 下面举例来说明。

教科书关于流场的定义为[2]:流体空间中的某个区域内定义的标量函数或矢量函数, 分别称之为标量场和矢量场。在场内定义的函数可以随时间改变, 此时时间作为参数出现。设是空间点的矢径, x, y, z是的直角坐标, t是时间, 则标量场和矢量场的函数ф或可分析地表为:

在此定义基础上借助于软件可以非常直观的显示标量场、矢量场以及相应的流动特征。

标量场可采用云图来显示, 所谓云图就是采用不同的颜色对应不同的标量数值。图1所示为利用云图显示喷管流场中马赫数的分布情况, 其中黑色到白色的渐变表示马赫数从0.1变化到5.0。由喷管内部流场中颜色的分布可以看出, 喷管内部马赫数从左到右是一直增加的。这样一种显示方法不仅直观的显示了什么是流场, 更从物理上说明了流场中马赫数的变化规律。

由于矢量既有大小又有方向, 矢量场不能像标量场那样仅仅以颜色的变化来区分。在CFD中矢量一般用具有一定长度的箭头来表示, 箭头的方向对应矢量的方向, 箭头的长度代表矢量的大小。图2所示为喷管内部速度矢量场, 由图可以看出流场中每个点处的速度相对大小和方向, 很直观的表示了喷管内部气体逐渐加速的过程。图3所示为喷管内部流线, 每条曲线表示定常流动条件下流体质点在喷管中的运动轨迹, 同样直观的表现了喷管的流场结构。

在流体力学教学中经常会从简化的模型出发, 讨论理想状态下的流动问题, 如点源、偶极子等的流动。这种流场在现实中是不存在的, 通过电磁学或其他方式类比来显示相应的结构往往也不够直观。借助于CFD软件则可以很容易地通过求解简化的控制方程, 得到理想状态下的流场, 然后通过可视化技术实现三维、动态的流动演示。随着CFD技术的越来越成熟, 大部分流体力学教学中涉及的基本概念、假设等, 均可以通过CFD可视化的方式展现给学生, 改变传统教学方法, 提高教学质量。

三、流体力学基本物理现象的演示

CFD软件是通过求解不同初、边值条件下的流动控制方程来研究流体运动特征, 能够客观地反映流体运动的物理规律。因此, 在流体力学教学中, 很多关键物理现象, 如边界层、激波、射流、混合层、卡门涡街等, 也可以通过CFD技术进行分析, 并通过可视化的方式展现给学生。

在流体粘性的作用下, 绕流物体表面一般都会存在紧贴物面非常薄的一层区域, 这层区域被称为边界层。边界层概念的提出是流体力学发展史上里程碑式的事件[3], 然而在流体力学教学中往往很难把边界层的重要性讲清楚。借助于CFD软件, 可以直观地观察水流、气流中边界层的形成过程及其差别, 通过显示边界层速度剖面的形状解释边界层如何影响流场结构, 如图4所示。从图中可以很明显地看出壁面附近气流速度的降低, 体现了气体的粘性效应在近壁附近的作用。

激波是超声速流动中广泛存在的流场结构[4], 采用CFD技术可以模拟各种类型的物体绕流, 显示对应的正激波、斜激波和弓形激波等现象, 从不同的角度加深学生对激波这一物理现象的理解。射流、混合层和卡门涡街同样可以通过适当的CFD技术模拟, 甚至可以显示其中非常精细的流场结构。图5所示为混合层涡结构的CFD数值模拟结果, 由图可以看出混合层流动的失稳过程, 类似的数值模拟结果对流体力学专业高年级本科生和研究生教学是大有助益的。

四、流体力学应用问题分析

在流体力学专业的研究生教学中, 常常会涉及生物流体力学、飞机空气动力学、环境流体力学、化工流体力学、汽车空气动力学等一系列应用流体力学课程。CFD软件在工业上的广泛应用为这些课程的教学提供了大量的素材。图6、图7和图8所示为鳗鱼[5]、高超声速飞行器和F1赛车绕流流场的CFD数值模拟结果, 从中可以分析绕流物体的流动和受力特征, 探索隐藏在背后的物理规律, 加深学生对问题的理解。

五、小结

CFD软件在流体力学课程教学中有着非常广泛的应用前景, 本文以具体实例展示了CFD软件在流体力学基本概念解释、基本物理现象演示和应用问题分析方面的关键作用。通过在教学中恰当的应CFD软件, 可以有效地增强学生的学习兴趣, 提高教学质量。

参考文献

[1]J.K.Gilbert, M.Reiner, M, Nakhleh, Visualization:Theory and Practice in Science Education, Springer Science+Business Media B.V.2008.

[2]J.H.Spurk, N.Aksel.Fluid Mechanics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008.

[3]G.E.A.Meier, K.R.Sreenivasan, IUTAM Symposium on One Hundred Years of Boundary Layer Research, Springer, 2006.

[4]J.D.Anderson, Modern compressible flow-With Historical Perspective, Mc Graw-Hill, 1990.

流体组织 第4篇

1试验材料与方法

试验地于2011年设在黑龙江省克山农场科技示范园马铃薯试验区内, 属丘陵漫岗地, 海拔315m, 属淋溶黑钙土, 耕层30cm, 有机质含量49.12g/kg、碱解氮198mg/kg、有效磷27.2mg/kg、速效钾221mg/kg, pH值为6.43, 肥力中等, 地势平坦。前茬小麦、秋整地、春施肥, 每公顷施磷酸二铵150kg、尿素210kg、硫酸钾150kg。供试肥料:欧迈斯流体硼、欧迈斯流体金钙由中化作物保护品有限公司提供。供试品种:品种1为东农303早熟品种, 生育期75d左右;品种2为克新18号晚熟品种, 生育期98d左右。

试验采取叶面喷雾的形式, 田间试验采取小区对比法, 随机区组排列, 3次重复, 5行区, 行长10m, 每小区面积40m2。试验各处理如下, 东农303品种共设7个处理, 处理1于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼各一次, 用量为300g/hm2;处理2于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼各一次, 用量为600g/hm2;处理3于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体金钙各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为300g/hm2;处理4于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体金钙各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为600g/hm2;处理5于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼、流体金钙产品组合各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为欧迈斯流体硼300g/hm2、欧迈斯流体金钙300g/hm2;处理6于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼、流体金钙产品组合各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为欧迈斯流体硼600g/hm2, 欧迈斯流体金钙600g/hm2;处理7为对照, 同量清水喷施。克新18号共设7个处理, 处理1于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼各一次, 每次用量为300g/hm2;处理2于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼各一次, 每次用量为600g/hm2;处理3于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体金钙各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为300g/hm2;处理4于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体金钙各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为600g/hm2;处理5于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼、流体金钙产品组合各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为欧迈斯流体硼300g/hm2、欧迈斯流体金钙300g/hm2;处理6于马铃薯苗期、盛花期, 叶面喷施欧迈斯流体硼、流体金钙产品组合各一次, 两次喷施间隔10d, 每次用量为欧迈斯流体硼600g/hm2、欧迈斯流体金钙600g/hm2;处理7为对照, 同量清水喷施。

田间管理于5月11日播种, 6月4日出苗。生育期三铲三趟, 区内无杂草。防治晚疫病, 第1次于7月15日, 每公顷喷施70%代森锰锌1800g;第2次于7月22日, 公顷用72%克露2250g;第3次于8月1日, 公顷用64%杀毒矾2025g。气象条件:2011年 (4～9月) 克山农场气候异常, 降水偏少, 气温偏高, 出现了干旱、大风、冰雹, 高温等灾害性天气, 出现历史罕见的气象条件。总降水量349.3mm, 比历年同期少110mm。平均气温为15.7℃, 比历年同期高1.1℃;日照时数为1373.1h, 比历年同期少82.6h。终霜期为5月22日, 比历年晚5d;初霜期9月16日, 比历年早2d;无霜期116d, 比历年少7d;大于等于10℃活动积温初日5月20日, 比历年晚6d;终日9月15日, 比历年少5d;积温2352.1℃, 比历年的2339.8℃多12.3℃。

2试验结果与分析

2.1植物性状调查

东农303属于早熟品种, 生育期75d。与对照相比较, 处理1～6的开花时间没有明显变化, 均为6月29日。花期平均为15d, 落花时间处理组较对照组相比没有任何变化, 于7月14日落花。于天气晴朗、无风情况下对处理组和对照组叶片颜色进行观察, 处理1～6叶片颜色较对照相比, 叶片颜色呈深绿色, 且叶片表面亮泽, 有质感。采收时间为9月1日, 经过去土处理发现, 与对照相比, 处理2、处理4、处理6马铃薯表面光滑有质感。马铃薯直径方面, 处理1～6马铃薯直径较对照组没有显著差异。

克新18号属于晚熟品种, 生育期98d。与对照相比较, 处理1～6的开花时间没有明显变化, 均为7月5日。花期平均为40d, 落花时间处理组较对照组相比没有任何变化, 于8月15日落花。于天气晴朗、无风情况下对处理组和对照组叶片颜色进行观察, 处理1～6叶片颜色较对照相比, 叶片颜色呈深绿色, 且叶片表面亮泽, 有质感。采收时间为9月23日, 经过去土处理发现, 与对照相比, 处理4的马铃薯表面光滑有质感。在马铃薯直径方面, 处理2为33cm、处理4为34.2cm、处理6为33cm, 马铃薯直径较对照组30.5cm有显著差异。

2.2单位面积内马铃薯块茎个数及重量

东农303品种, 经统计分析处理1～6对马铃薯块茎个数及重量的数据后可知, 处理6每平方米大马铃薯个数29.9个及处理4每平方米小马铃薯个数20.3个, 显著多于空白对照每平方米马铃薯个数27.5个和16.8个。重量方面, 与对照比较, 处理1～6每平方米的马铃薯重量并无显著差异。

克新18号品种, 经统计分析处理1～6对马铃薯块茎个数及重量的数据后可知, 处理1每平方米大马铃薯个数20.5个, 处理4每平方米大马铃薯个数20.8个, 处理5每平方米大马铃薯个数20.5个和处理4每平方米小马铃薯个数17个, 显著多于空白对照每平方米马铃薯个数18.5、15.1个。重量方面, 与对照比较, 处理1、处理5、处理6每平方米大马铃薯的重量呈显著差异, 处理1～6小马铃薯与空白对照比较每平方米重量并无显著差异。

2.3产量与效益分析

东农303品种从产量来看, 处理1～6产量与空白对照比较并无显著差异。处理1增产1.17%, 处理2增产1.87%, 处理3增产3.43%。从产值来看, 按照0.60元/kg的应季价格计算, 处理1增加产出325.05元/hm2, 处理2增加产出520.05元/hm2, 处理3增加产出955.05元/hm2, 与空白对照无显著差异。处理1～3公顷纯增效益分别为196.05、181.05、766.05元, 与对照相比无显著差异。处理4～6增产率为负值, 产生此结果的原因推测为单次降雨量大, 田间积水, 导致马铃薯生长受到影响。

克新18号品种从产量来看, 处理1、处理5、处理6产量与空白对照比较有显著差异。处理1增产14.64%, 处理2 增产15.26%, 处理3增产14.95%。从产值来看, 按照0.60元/kg的应季价格计算, 处理1增加产出2820.15元/hm2, 处理5增加产出2940.00元/hm2, 处理6增加产出2880.00元/hm2, 与空白对照显著差异。处理1、处理5、处理6公顷纯增效益分别为2691.00、2691.00、2451.00元, 与对照相比差异显著。处理2、处理3、处理4增产率为负值, 产生此结果的原因推测为单次降雨量大, 田间积水, 导致马铃薯生长受到影响。

3小结

流体包裹体研究认识 第5篇

1热力学研究方法

(1)均一法。在流体包裹体的测温研究中,目前普遍采用的是均一法。均一法是流体包裹体测温的基本方法,H.C.Sorbyl857奠定了流体包裹体均一法测温的理论基础。他提出,矿物形成时所捕获的流体呈均匀的单一相,充满了整个包裹体空胶,随着温度、压力的下降,包裹体中流体收缩系数和主矿物的收缩系数不同.从而产生了气泡。同时,某些流体可能发生不混溶作用,变成两种互不混溶的液体或者在此温度压力下降过程中由于溶解度的降低部分溶质过饱和,进而形成子矿物晶体。这种方法测温速率慢,而且只适用于透明矿物[3-4]。

(2)爆裂法。对于非透明矿物来说,用均一法分析是看不到包裹体内部气、液两相的变化的。因此,爆裂法是再合适不过了,当加热包裹体到达均一温度时,继续加热,包裹体内部压力急剧上升,内压超过包裹体腔承受的压力,包裹体发生爆炸和响声,开始发出响声的温度称之为爆炸温度,爆炸温度是包裹体形成温度的上限值。根据包裹体爆裂时的热声效应设计的爆裂仪称热声爆裂仪。

(3)冷冻法。冷冻这个术语,严格地讲是指在包裹体冷却到室温以下时观察液相向固相的转变(即固化)过程。冷冻法的基本原理就是通过在冷台上改变温度,观察包裹体所发生的相变过程,并与已知的有关体系的实验相图进行对比,确定包裹体中流体所属体系和流体成分。冷冻是对加热的一种全面补充,应该对同一个包裹体进行加热和冷冻这两方面的研究。

2在地质学方面的应用

(1)在找矿评价中的应用:流体包裹体是找矿勘探的重要依据之一,具有实际的应用价值。包裹体在寻找热液隐伏矿床、扩大老矿远景、进行深部预测等方面有着直接和间接的作用。流体包裹体作为成矿溶液(或熔融体)的样品,成矿处的矿物生长的条件、成矿地质环境和成矿物质来源等信息,把包裹体的信息转化为参数与该类型的矿床进行对比,从而获得找矿和矿床深部评价的判断标志。

(2)在矿床学的应用:由于矿轮种类和类型不同,成矿环境和物质来源不同,则矿床的温度和压力条件各异。所以在各种类型矿床中的包裹体也不同,可以用包裹体来确定矿床当时形成的温度和压力,矿床的形成一般都少不了流体的参与,可以用包裹体来确定成矿流体成分;判断物质的来源;分析矿床的沉淀机制。

(3)在构造研究中的应用:在构造内力作用下,岩石矿物将发生各种物理及化学变化。研究表明,岩石在构造应力作用之下,产生压实、压溶、剪切、交代、重结晶等作用甚至形成新的矿物,致使岩石矿物释放出结晶时封存的流体或释放出矿物岩石中的结晶水、晶间水和裂隙水、形成构造运动热流体。在构造运动作用下包裹体提供很多微观构造及构造形成时的各种物理—化学条件的信息:提供构造的温度资料;测定构造热流体的盐度和溶液的密度;估算构造形成的压力和深度;获取构造流体的化学成分;利用流体的同位素组成确定构造流体的来源;测定与构造有关的流体包裹体的年龄,构造活动的时代。

(4)油气包裹体及其在油气藏中的应用:1980年中国科学院地球化学研究所博家谟报道了四川某地石英晶体中存在有机包裹体。1987年施继锡等结合油气田评价对河北等若干地区碳酸盐岩中的有机包裹体进行了较深入的研究,取得了不少有益成果。有机包裹体是含碳氢化合物的流体包裹体,或烃类包裹体,通过有机包裹体的研究,可以测定成岩和油气温度和压力;有机质对金属矿床的形成有重要意义[5]。

(5)包裹体在岩石学研究中应用:①岩浆岩中熔融包裹体的研究很早就已开始,Sorby(1857)第一次识别出了熔岩中的玻璃包裹体,发现它们与冶金炉渣矿初中纳包硬件有很多相似之处。熔融包裹体是正在结晶的矿物捕获这种熔融体而形成的。它们是岩浆成岩作用的样品,也是岩浆演化的原始代表。②大多数沉积成岩作用都可能发生矿物的重结晶、次生加大或新矿物的形成。这些新生的晶体可以捕获溶液而形成包裹体.通过对这些包裹体的研究,可以了解沉积成岩作用时的溶液性质、成分、压力、温度和密度,进而判断埋强深度和剥蚀程度.③在变质岩流体的研究中,可以提供有关变质作用流体相组成、变质矿物生长时流体相演化以及变质作用的温度的温度和压力等方面的资料[6]。

(6)在其他方面的应用:自从1969年第一批阿波罗样品带回地球,就对月球样品进行了包裹体研究.并已经提供了一些意外信息、揭示了由所研究样品反映出的许多有关月球变化的过程。揭示天体物质成分和生成时的物化条件.为探索宇宙起源提供了重要资料.同时这些资料也有助于地球探部结构、物质组成、热动力条件等方面的研究。

参考文献

[1]覃建雄.矿物包裹体在沉积学中的应用.矿物岩石,1992,12(2):103~111.

[2]覃建雄.矿物流体包裹体研究在油气资源评价和油气勘探远景预测中的应用.地质科技情报,1993,12(1):47~52

[3]刘文斌,姚素平,胡文蠧,边立曾.流体包裹体的研究方法及应用[J].新疆石油地质,2003,24(1):264~268.

[4]张文淮.流体包裹体的研究和应用现状[J].地质科技情报,1984,(4):13~19.

[5]张铭杰,唐俊红,张同伟,吕宗刚,杨荣生.流体包裹体在油气地质地球化学中的应用[J].地质论评,2004,50(4):397~406.

流体力学教学思考 第6篇

1 静力学和动力学教学的统一

静力学主要研究静止流体或相对静止流体中点压强分布规律,动力学研究的问题之一是流体运动过程中的能量守恒方程,两者采用的思路可以实现完美统一,以下是对两者分析问题的比较.

流体平衡微分方程:在平衡流体中取边长分别为dx,dy,dz的六面体流体微团,如图1所示.该微团在质量力和表面力的作用下处于平衡状态.质量力在x,y,z坐标轴方向的分量为fxρdxdydz,fyρdxdydz,fzρdxdydz,其中fx,fy,fz为单位质量力,中心点处压强为p,则M,N点处的压强分别为建立x方向平衡方程

化简得,同理得联立得dp=ρ(fxdx+fydy+fzdz),对上式积分即可计算平衡流体中压强p的分布规律.

运动流体微分方程:从运动的理想液体中任取一个以O'(x,y,z)点为中心,边长为dx,dy,dz的微分六面体,如图1所示.设O'点的流速分量为ux,uy,uz;作用于理想液体微分六面体的外力有表面力与质量力,根据牛顿第二运动定律∑F=ma,对x轴方向有

同理

即

即

据此可以推导出流线或微元流束流动过程中的能量守恒方程.

可见,两者分析问题的思路是相同的,但各类流体教材在研究流体运动过程中的能量守恒方程采取的推导方法各不相同.而采用以上推导方法将两者进行比较的同时,既实现了静力学和动力学教学内容的承上启下,也能够让学生理解各类学科知识均存在相通的地方.

2 流体作用在平面上的力和曲面上的力的统一

流体作用在平面上的力最典型的例子便是“静水奇象”.如图2所示,形状不同而底面积均为A的4个容器,装入同种液体,液深相同,自由面为大气压,则流体作用在底面上的总压力相等(即静水奇象).在讲解完流体作用在平面上和曲面上的力后,对静水奇象可进行引申,启发学生思考作用在这4个容器侧面上力的大小关系.显然,这4个容器侧面有平面和曲面,侧面为平面可用流体作用在平面上的合力公式求解,侧面为曲面可分别求出流体作用在曲面的水平分力和竖直分力,然后求合力.按照此种思路无法直接比较合力大小,但把侧面为平面的情况看成曲面的特殊情况,问题就迎刃而解了.流体作用在4个容器侧面的水平分力均相等为Fx=ρghcAx;流体作用在4个容器侧面的竖直分力为Fz=ρgVp,压力体Vp的大小关系为Vp(d)>Vp(a)=Vp(c)>Vp(b);因此,流体作用在4个容器侧面的合力,大小关系为Fa>Fa=Fc>Fb.

可见,教学中需要不拘一格,可对各类流体实际问题,实验现象等进行适当引申,让学生对所学知识能够融会贯通,并且能够看到事物或问题的本质.流体作用在平面上的力可理解为流体作用在曲面上的力的特例,理解到这点,对问题的认识就更深刻了一步.

3 理论和实践的统一

流体力学解决问题的方法主要有3种:理论分析、实验分析和数值计算分析.

实验教学是非常直观的手段,能够将理论与实践教学统一.流体力学中绝大多数重要的概念和原理都源于实验,在教学中若能够将理论教学和实验教学衔接好,能够起到较好的学习效果.例如,在连续性方程和伯努利方程章节讲授结束后,可以直接以雷诺实验装置设置例题讲解管道内沿程损失与压强降的关系,然后辅之以实验环节来验证理论分析的正确与否;还可以用文丘里流量计模型设置例题讲解该装置测量流量的原理,并与实验结果进行比较.此外,在介绍量纲分析和相似原理后,可理论分析管道内沿程损失的表达式,而实验环节则可分析在相对粗糙度保持不变,不同雷诺数时管道内沿程损失与流速的关系,即雷诺实验的定量分析;水平方向高速运动的物体可通过该理论分析其阻力与黏度的关系,也可借助于风洞实验来验证此关系式.理论教学与实验教学两者能够相互补充,加深学生对理论的认识,让学生理解解决问题的方法的多样性及科学的思维方式.

除此之外,还应在教学中将理论分析与数值计算,理论分析与模拟仿真技术相结合的教学方式,激发学生学习的热情,特别是应用计算机解决实际问题的学习热情.Matlab可作为流体力学教学辅助工具,对流体力学中实际问题编写程序文件,直接显示计算结果或图像.另外,对流体力学过程涉及到的常微分方程(ode)等控制方程,Matlab有大量求解ode,并提供了易于使用的用户图形界面(GUI),它的Simulink仿真工具箱可用于求解ode,在Simulink的图形窗口中,用户可以用框图方式建立ode模型,对物理过程进行仿真.此外,对于偏微分方程(pde)等控制方程,Matlab中Pdetool工具箱则提供了一个用有限元方法求解pde的图形界面,通过它可完成从求解区域的绘画、有限元网格的划分、边界和初值条件的设定、方程参数的设置,直至方程的求解及图形显示等一系列工作.笔者以管道内流动计算问题简单谈谈Matlab的应用之一.

管道内流动计算问题可分为求水头损失、求速和求管径3类,由于沿程水头损失为:,在求流速或求管径问题上,需要采用迭代试算法求出最终解.对此问题,在教学中可采用Matlab编写程序来实现,程序框图如图3所示.

可见,利用Matlab编写程序文件,能够直接得到结果,将理论知识与计算机实践相结合,使得所学知识不再虚幻,同时也提高了学生利用计算机解决问题的能力.当然,Matlab的Simlink工具箱和Pdetool工具箱对理论问题的实际模拟也提供了广阔的空间,有助于激发学生的探索精神.

4 课程与专业的统一

流体力学作为一门基础课程,若在教学中能够将理论知识渗透到专业知识当中,能使学生深刻地领会到基础理论知识的重要性及其专业应用,同时,也使教学内容变得更加丰富,提高学生对本课程及专业知识学习的热情.

现以安全工程专业讲授的流体力学课程为例,教学中可以利用流体运动过程中的能量守恒方程分析化工设备的气体和液体泄漏问题;可以利用量纲分析理论估算爆炸产生的冲击波超压;可以利用流体运动过程的沿程损失和局部损失等计算公式对自动喷水灭火系统进行水力计算;可以利用流体运动过程中的动量方程分析阀门突然启闭形成的水击事故.

5 总结

流体力学的教学过程不仅讲授基本理论知识,还需要对教学内容有深入的认识,这样才能在实际教学中不断引导、启发学生去思考,提高学生的创造能力和综合素质.笔者认为教学中哲学思维观的建立、计算机解决实际问题能力培养、专业知识前瞻性的教育至关重要.哲学的思维观能够武装头脑多从系统的角度思考问题本质,本文前“二个”统一正是为了表述此观点;计算机解决实际问题能力培养是基础能力拓展必不可少,对后续专业课有重要意义;专业知识前瞻性的教育能够开启学生走向专业领域的大门,能够激发学生的学习热情.

参考文献

[1]赵孝保.工程流体力学.长沙:东南大学出版社,2008.6

[2]王振东.关于流体力学方法论问题.力学与实践,2004,26(2): 83-85

[3]郭明旻,黄东群.数据输入与处理课件在流体力学实验教学中的应用.力学与实践,2007,29(4):79-80

智能完井控制油藏流体 第7篇

无效注水的两个常见问题是波及效率低和接触因子值低。

在多层的非均质系统中, 当层面呈现各向异性时, 驱替效率很低。即对于给定油井产出液经济上可接受的含水率, 大面积的未波及油藏的含油饱和度较高。这也可称为差的“负荷平衡”。如果油藏是理想的, 在一定程度上“负荷平衡”问题可通过正确的布井来改善。不正确的布井可通过调整井眼流率得到部分改善。这最好通过各种完井方式建立流率控制来完成。对于区域的非均质性可通过制定油藏优化规划来预测每口井的产量。

与直井中低效驱替问题相比, 为了增加接触, 人们设想油藏内部各层是互相独立的, 每层产出液只在井眼中混合。在各层段内进行智能完井。通过观察或模拟手段, 建立了可调节每一独立层段进出流体流率的反馈控制系统。同样也可以设计一个反馈系统维持砂岩表面压力。通常当在一口注水井中建立控制后, 期望每一层尽快产液, 这受到最大允许注入压力的限制。统一的驱替前沿是次要的, 人们希望在最大允许注入压力时注入。

当要求区域负荷平衡时, 人们希望流率控制先行。当垂向非均质性显著及层间未连通时应采用压力控制。本文只考虑压力和流率控制所需的反馈模拟问题。

2 范围和分析

分析三类问题。所有问题中假设井是一口垂直油井。首先, 地层由多层组成, 每层由非渗透性边界分隔开。开发了数学关系式来设计一个压力控制系统。第二个问题是流体控制选择, 为达到负荷平衡, 假设油井之间需要流体控制, 给出了必要的控制算法。最后一个问题是地层渗透率在垂向上是变化的。假设在流动储层中无非渗透层的阻碍。对于可开采的地层厚度, 给出了流动控制系统控制水驱前沿形状的限制条件。

出于实用目的, 控制系统的运行和设计采用一无限圆形反应单元, 这不妨碍我们得出一个一致的结论, 因为反馈系统的设计对偏远油田的生产和井况很不敏感。这样在一口注水井中一旦水驱前沿离井足够远时, 地层的性质就无关紧要了。

控制系统的目的是通过分层完井来实现流率和压力控制, 从而使工程投资最低。

2.1 均质不连通系统中的控制目标

对于注水问题先做一些简单假设:①尽管毛细压力决定着流体的微观分布, 但流体压缩性和毛细压力在确定饱和度等值线方面是次要的;②分流量曲线是下凹的, 这样真正的波动前沿可分成非侵入区域和侵入区域。假设中忽略了小的扰动。在每层i的前沿之前是原生水饱和度Swci区, 前沿之后是圈闭原油饱和度Sori区, 原生水饱和度比剩余水饱和度大, 因此分流量fwc>0。

层i的前沿位置ξi (t) :

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Δzi是i层的厚度。根据每层的累积注入量Qi (t) 公式 (1) 可写成:

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式中, ΔS=1-Sor-Swc。由于接触系数理想, 各层有相同的前沿, 所有层的ξi应该是一样的。只要已知层内饱和度和孔隙度, ξi (t) 由累积注入量来决定。

理想接触因子的要求是不必要的。由于油井的存在, 在水锥进之前完全可以调整ξi。由此认识到直到前沿到达油井前, 在给定层的驱替过程是相当独立的。含水率不满足要求时, 层内的流体流动可以停止, 而其他层可产油。这样结合Qi (t) , 整体的理想接触因子可以实现, 而不需要全程保持均匀的驱替。对Qi (t) 或瞬时流率做一确定的选择, 在无限可能中附加条件对优化生产是必要的。

如没有精确的优化计算, 考虑附加限制的一些实际选择为:①尽量早、尽量多地产油;②使所有的ξi (t) 一致 (例如假设一个理想接触因子, 避免产量过早地变化) ;③根据对油组分的要求选择生产层 (如果层间产出烃类成分变化很大的话) ;④投资回报最大化。条件④和条件①看起来一样, 但条件①因为油的体积流量很小, 在油井接近生产末期时, 操作费用较高。而尽管初始采油速率较小, 但条件②更需要一个平衡的产油速率。忽略选择的过程, 理想的合采体系的控制系统不必依靠油藏反应情况。

条件①的措施是让每层尽量以最大的速度采油, 反过来也意味着每层也应以最大允许压力注水。反馈系统根据测量的实际压力和设计压力之间的差来调整注水速度。条件②中控制qi (t) 是必要的。条件③可采用压力控制, 而条件④控制过程取决于优化计算。

2.1.1 压力控制系统

为跟踪设定压力, 控制系统可能要求每层都采用一台泵。另一个选择是在完井全过程中采用一个共用泵系统, 维持压力高于每层注入压力。每层有一个控制阀, 通过节流来控制每层所需压力。如图1所示。

对于压力控制, 反馈系统控制节流阀将压力控制并维持到需要的压力ps。通过移动阀套的位置h连续调节智能控制阀得到压力降p0-ps。随着h的增加, 阀套使阀门开度增大, 从而提高了阀门因子cv。只要控制系统的反应时间比压力传递到地层边界的时间短, 反馈系统就不能识别有几何边界油藏与无边界油藏的区别。扩散常数为D=k/ (φμc) 时, 压力传递到边界re的时间是rundefined/ (4D) 。这需要与控制器的修正时间进行对比。一个100 mD (1 mD=1.0210-3 μm2) 地层的孔隙度是0.2, re=200 m, 压力传递时间是几个小时, 比修正时间长。

为了进一步简化, 我们用单相流 (单元流度比) 确定单元的反馈功能。这个假设当流动区域足够大时是正确的。基于这些考虑, 在无表皮因子情况下的井眼砂岩表面压力为:

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单元响应由下式计算 (极远处油藏压力为0) :

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通过调整h运行控制器。通常根据转换函数用动力模型控制反馈系统。当我们处理一个合理的特征明显的系统时是很有用的。系统是非线性的, 在地层和完井方面存在偏差, 如存在侵蚀区域。因此我们选择采用一个更简单的控制器I。在PID (比例-积分-微分) 控制器中, 实际位置和设定位置的误差与h成比例, 一个是误差积分, 一个是误差变化率。这需要正确调整、精确的地层特性参数、阀门精确控制, 及PID的三个参数的综合调整。简化控制器I使比例项和微分项为0。结果h变化速率与观测到的误差成比例。控制器I移动阀套的速率与偏离的变化成正比, 如:

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sgn (x) =x/|x|, CI是积分项的比例常数, 由于Δt=修正时间。控制器使pw值趋向ps, 当ps>pw时打开阀套一定高度h, 相反关闭。因为执行过程具有数字特征, 可以给控制器加许多独特的特征。通常调控过度 (如pw>ps) 会损坏地层。可以通过采用一个大CI值控制调控过度, 采用一个小值控制调控不足。

对于机械系统公式 (5) 可进行一些调整。但不像电子系统, 用公式 (5) 计算的电子系统的新位置在比特精度限制内可连续改变, 机械阀门只能采用不连续的h (通常是5~12) 。因此如果在Δt时间内修正没有进行, 我们继续累加h的变化, 当修正执行时把h累加计数器重新归零。进一步的改进是在调控过度时立即减小开度。为执行修正, 寻找最近的停止位置。如果新的停止位置不同, 把h累加器重新归零。否则继续累加要求的h变化。出于实际操作的原因, 机械阀门对应一次修正只有一次位置改变。

实际上大多数的机械阀门是不可逆转的。如果停止位置总数是ns, 循环按1, 2, ns进行。为了减小开度, 必须首先设置最大开度然后循环回去。第二种不可逆转的阀门可以按1, 2, ns, ns-12, 1进行。在模型中对两种阀门都加以考虑。与不可逆转阀门相比, 可逆转阀门可在停止位置上下自由移动, 而且不合适的修正 (如不能接受的调控过度) 是可逆的。对于不可逆转阀门开度的增加会导致pw的增加, 可能导致调控过度, 因而提出了一个预控制方案。估算了在tm时间时给定一个新位置h的pw。如果大于允许压力, h不变。

给定阀套的位置h, 通过下式计算阀门因子:

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fv (h) 描述了阀随位置变化的抗力。通常fv (h) 通过hα (α>0) 来表征。A′是当h最大时每个射开孔的区域, N是孔数。设A≡A′N。

阀门因子通过下式决定流量:

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孔的开度常数β≈1/2, 是经验常数。注意, 公式结构与小孔径孔板流量计的相似。

多层情况时, 每层hi的调整是基于设定压力和观测压力的不同来进行的。另外要检测的是控制系统的稳定性, 以及稳定的主要因素。

2.1.2 流动控制系统

当各井层间负荷平衡或要求各层之间均匀接触时, 流动控制是相似的。不断调整智能完井使测量的q (t) 与设定点的qs (t) 接近。

每层的设定流率可用三种不同的方式维持:①用分立的固定流量泵注入, 不用节流阀, 这是昂贵的选择;②较经济的选择是所有层使用一台泵。我们测量了各层流率, 并在各层完井时控制阀门节流以维持各层流率;③按照公式 (6) 、公式 (7) 特征比节流阀门, 给定p0和pw就可知每层砂岩表面的流率, 这可能是最经济的选择。见图2。

通过比较计算流率和要求流率来调整h。h的修正算法与公式 (5) 相似:

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注意, CI和γ值在压力和流率控制中会有很大不同。

2.1.3 表皮因子和存储

表皮因子可通过试井时的参数计算。因表皮因子引起的压力下降可用下式计算:

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每层都有自己的表皮因子, 公式 (3) 给出s、p (rw+, t) 。不像传统的试井公式, 井眼在储项要求详细的计算。因为智能完井接近于地层情况, 忽略了完井和地层间存储, 但是维持p0的地面控制系统会受到存储效应的影响。假设p0由注入泵系统独立控制, 那么存储问题就变得不相关了。人们只需要在设计地面泵控制时考虑即可。

2.2 设计和数值结果

油藏控制系统的设计有两种模式:①对于给定的油藏和阀门参数, 应采用一个优化方案以发现Cp修正时间的最佳值和h的变化范围, 从而得到满意的操作特性;②通过反复试验得到以上结果。我们发现一旦了解参数的影响, 可相对有效地降低控制常数。

为分析系统的稳定性, 要观测压力从零到设定值、流量从零到设定流量系统的反应。

图2为改变控制器常数CI的效果, CI值远大于图中的最大值, 导致重复振荡, 这受修正允许的变化限制。由控制算法施加的限制有部分的稳定效果。

降低渗透率与改变控制器常数有同样的效果。增加控制器常数可提高反应速度, 但可能不稳定。对于恒定的控制器常数, 降低渗透率可导致更快速的反应 (图3) 。这样对于一个合理的井控设计, 反应特性可用作渗透率指示器。估计的渗透率可用来调整控制器参数。

如图3所示, 当各层渗透率很不相同时, 推荐设计程序首先以最低渗透率层开始运行, 调整CI使系统稳定并得到一个合理的反应, 然后转到下一层的CI, 得到一个与第一层相似的反应。在低渗透层得到一个稳定的反应是困难的, CI极低时, 如果系统精度达不到要求, 可以选择减小p0值。通过降低p0, 高渗透层的反应也可以调整。

下面说明机械阀门系统, 该系统只有预先设定的不连续位置。另一个显著不同是水力制动阀的慢反应。在这个特别的例子中, 我们考虑一个可逆转的水力系统, 它可上下自由移动位置。典型的是5~12个离散点。

图5中使用了12个停顿, 打开高度分别是0.00、0.001、0.002、0.004、0.008、0.015、0.03、0.06、0.1、0.2、0.25和0.3 m, 采用前文描述的的反馈算法。很明显这组停顿对100 mD的地层有合理的反应, 10 mD时是边缘情况, 1 mD时情况不理想。停顿减少时可应用范围也变窄。电子阀门的CI不稳定, 这里用开度确定“yo-yo”值。观察1 mD情况下的流率和开度, 很明显只有最早打开的层调控过度, 因此振动不可避免。这样对于水力控制阀门, 开度的离散设计必须仔细, 以得到期望的渗透率。通过几次反复试验来调整最低渗透率层, 使之与高渗透层保持一致。如果实际的渗透率值与期望值不同, 可调整po或表面节流阀。另一个选择是使一些层接近优化生产。

机械阀门一般是不可逆转的, 除非有一个闭环。如前文所述, 有两个可能的执行过程, 但两者都需要h的单调变化。图5解释了不可逆转系统的运行。图5和图6的区别是很明显的。后者表明两个高渗透率情况的预期控制是按设计进行的。对于渗透率为10 mD和100 mD的情况, 由于变化的不利影响不允许有更大的开度。而渗透率为1 mD的情况超出了预先控制系统的范围, 因为最先的开度设计导致调控过度。

3 井下应用

在井下应用时只需要公式 (5) 和公式 (8) 。对于压力控制只需要设定压力和实际压力。对于流率控制需要测量流率值和设定流率。给定控制器的设计常数, 新h值按照不同类型阀的修正原则确定。在实际油藏作业中不需要油藏参数, 但设计控制常数时需要运行地层和阀门模型, 所以在井下应用时CI的最终值和γ值在可接受的范围。

4 结论

(1) 在非连通系统安装智能完井装置可按照既定的控制策略自动控制每层的注入和产出。

(2) 本文展示了一个简单的、检测反馈系统可行性的控制算法。反应特征表明控制常数和渗透率有一个合理的范围, 在此范围内系统是稳定的。当机械阀门取代电子阀门时, 设计必须考虑停止来实现系统的稳定性和控制的灵活性, 特别是当地层的孔隙度不确切的时候。对于不可逆转阀门, 提出了预控制方法。

(3) 在连通油藏, 在离井眼足够远的位置, 流体流动特性与井眼注入/产出模式无关。特殊情况 (如弱连通系统) 还是有效益的。

符号说明

z__井底至非渗透层底部的垂直距离

A__阀门全打开面积

A′__阀门打开一格面积

c__压缩系统

D__压力扩散系数

G__单元反应, 瞬时

f__摩擦系数

h__阀杆高度

k__渗透率

L__井间距离

n__序数

N__并行槽的数量

r__径向座标

s__表皮系数

U__单元反应, 稳态

z__垂直坐标

α__阀参数

β__阀参数

γ__敏感指数

角标

0__特征/初始/表面

e__外部边界

h__水平

i__油层序号

I__积分项

m__最大值

or__剩余油状态

p__规划

s__停止或设定点

v__阀, 垂直

w__井眼

wc__原生水状态

ζ__前沿