动力学条件（共11篇）
动力学条件 篇1
0 引言
当大量弹药堆放在一起,每发弹丸与其它周围的弹丸紧密相连,弹丸成群的发生爆炸时,由于弹丸之间距离较小,有可能阻碍壳体塑性膨胀变形到最大速度半径,相对于单发弹丸爆炸,弹药群爆时炸药爆轰能量发生了重新的能量分配,弹丸壳体周围的膨胀环境也发生了变化,单发弹丸爆炸时的壳体运动方面的计算方法不能应用于此种情况,需要在分析群爆条件下弹丸壳体膨胀过程的基础上,运用爆轰物理学知识,结合材料力学,建立群爆条件下弹丸壳体运动速度的新的算法。
1 群爆弹药弹丸壳体运动过程分析
如图1,当大量弹药堆放在一起,每发弹丸与其他周围的六发弹丸紧密相连。取图1中弹丸1为研究对象,由于应力波传播的速度和壳体塑性变形的速度,远大于弹丸壳体之间相互作用而可能产生的移动速度,因此,对于弹丸1来讲,可以将其与周围六发弹丸爆炸后产生的接触界面,认为为沿其与周围六发弹丸的公切线上的六个刚性壁,并且称其为弹丸壳体运动边界,如弹丸1周围六边形所示。
则对于中心弹丸1,可以将其分成如图2的六个单元,并且只要对其中的一个单元的壳体膨胀过程进行研究就可获得整发弹丸壳体的膨胀过程。如图2,当弹丸壳体开始运动时,壳体与刚性壁的接触半径为r0,随着自由膨胀的壳体膨胀到半径r处时,能够继续膨胀的壳体只有θ对应的部分,其余的部分不能继续发生膨胀,对于膨胀过程中增加的径向面积只是图2中的阴影部分,而不是半径增加后对应的圆环面积。
2 群爆弹药弹丸壳体运动过程分析速度计算
根据群爆弹药弹丸壳体运动特点,结合实际情况,进行以下假设[1,2]:
(1)炸药装药瞬时爆轰完毕,并且在壳体膨胀直至破裂的过程中,各弹丸各自的爆轰产物对其它弹丸壳体的膨胀过程没有影响;
(2)主要研究壳体变形的总体效应,忽略应力波在壳体内传播和反射的细微过程;
(3)主要研究的是壳体的大变形以及破裂过程,不考虑壳体的弹性变形阶段,材料采取理想刚塑性模型,壳体材料不可压缩,遵守塑性变形中体积不变的假定;
(4)膨胀过程中,忽略壳体的轴向运动,即认为壳体轴向不产生应变,并且可以继续膨胀的壳体部分只作径向运动。
根据以上假设,对于某一确定的时刻,如图2中的情况可以认为是由两端固定的圆弧形简支梁组成,并且爆轰产物的压力对该微元所做的功全部用于该简支梁产生挠矩所做的弯曲功和形成壳体的动能。取沿壳体单位弧长的某一微元为研究对象,当壳体膨胀到某一半径r时,微元的厚度为h(r),宽度为b(r),计算时可以将微元近似为长方体,取σ为微元弯曲过程中所受到的应力,则该微元的挠矩所做的功为[3]:
式(2)中p(r)为壳体膨胀到半径r时的爆轰产物压力;r0为弹丸壳体的初始半径。对于所取微元,根据质量守恒方程和材料不可压缩的假设可以得到:
设rnei和unei分别为膨胀过程中壳体的内径和膨胀速度。则由式(3)可以推导出:
对于半径为r的壳体某处厚度为dr的微元,其动能为,结合式(4),整个微元的动能为:
由于忽略壳体的轴向应变,则b(r)不随膨胀半径的变化而变化,结合式(1)、式(2)和式(5),由Wp=W+Wd得到:
假设壳体膨胀过程中,壳体的内外径为a和b;壳体初始内外径为a0和b0。根据材料不可压缩条件b2-a2=b20-a20,则有:,则在此式中,a=r。并设材料的强度极限为σb,产生裂纹时的半径为rf,式(6)化为:
根据式(7)可以求出产生裂纹时的半径。式(7)中,为材料的弹性系数。
假设未遇到刚性壁之前,壳体仍然沿径向做径向膨胀运动,则当壳体壁与刚性壁交接点距离中心r处时,根据几何关系,此时该计算板块总的面积为:。
假设壳体轴向没有应变,爆炸气体按γ律方程做等熵膨胀,则:
设,则根据上式可解得:
式(8)中,ρ0和D分别为弹药装药的密度和爆速,θ可直接由几何关系求出。
3 模型计算
取弹药战斗部模型为:战斗部壳体内装药质量为me,密度为ρ0,格尼常数为,爆速为D,弹壳重量为m,壳体材料密度为ρ,壳体材料的屈服极限和强度极限分别为σs和σb。设弹壳初始内径a0=40mm,初始外径为b0=55mm。对以上各参数取特定值,并将所取数值代入到式(7)和式(8)中,注意单位换算解得破片初速为u=112.541m/s。
而如图1中弹1周围的六发弹丸,每发弹与相邻的三发弹丸相连,组成两个与刚性壁形成的单元,因此,假设这些周围弹在壳体的膨胀的过程中,径向膨胀后的面积是由这两个单元和剩下的圆弧组成,并且圆弧部分按自由膨胀计算。对于这两个单元部分的壳体的破裂半径和破裂速度仍采用式(7)计算,根据文献[3]取此部分的破裂半径为rf=1.13r0。根据几何关系,壳体膨胀后的径向面积为:
将式(9)代入到式(7)计算得到破片初速为:u=49.68m/s
而对于两单元外自由膨胀部分的壳体,其破裂半径肯定大于两单元的破裂半径,认为其在两单元的破裂半径的基础上继续膨胀,算法用自由壳体的计算,而两单元内的面积认为不变,则整个壳体膨胀后的径向面积为:
结合式(10),根据参考文献[1]和[2]可以计算出:rf=1.88r0;u=1076.622m/s。而由格尼公式计算得到[4]破片初速为Vp=729.87758m/s。
4 结果分析
通过建立群爆条件下弹丸壳体运动模型,并进行模型计算,获得了群爆弹药壳体各部分的破裂半径和形成破片的速度。由计算结果可知,当弹药发生群爆时,中心弹破裂形成破片的速度远小于单发弹丸形成破片的速度,而对于周围弹,与其它弹丸壳体接触的部分形成破片的速度小于中心弹弹壳破裂时形成破片的速度,而自由膨胀部分形成的速度则高于单发弹丸形成破片的速度。
参考文献
[1]张守中.爆炸与冲击动力学[M].北京:兵器工业出版社,1993.
[2]张宝平,张庆明,黄风雷.爆轰物理学[M].北京:兵器工业出版社,2001.
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[4]GURNEY R W.The initial velocities of fragments from bombs,shells,and grenades[R].Aberdeen:Ballistic Research Laboratory Report No.405,1943.
动力学条件 篇2
摘要：在高盐条件下,通过耐盐菌群对偶氮染料K-2BP废水厌氧降解动力学实验,模拟得出偶氮染料K-2BP和盐浓度对生物降解双重影响动力学模型.其抑制常数KIS和KT值分别为(329.5±175.8)mg/L和(39.7±27.1)g/L,并通过动力学模型预测的数据和实验数据对比,耐盐菌可用动力学模型描述其在高盐条件下对染料的.降解.作 者：郭建博 周集体 王栋 田存萍 王平 张立辉 Guo Jianbo Zhou Jiti Wang Dong Tian Cunping Wang Ping Zhang Lihui 作者单位：郭建博,Guo Jianbo(大连理工大学环境与生命学院,大连,116024;河北科技大学环境科学与工程学院,石家庄,050018)
周集体,王栋,田存萍,王平,Zhou Jiti,Wang Dong,Tian Cunping,Wang Ping(大连理工大学环境与生命学院,大连,116024)
张立辉,Zhang Lihui(河北科技大学环境科学与工程学院,石家庄,050018)
期 刊：环境污染治理技术与设备 ISTICPKU Journal：TECHNIQUES AND EQUIPMENT FOR ENVIRONMENTAL POLLUTION CONTROL 年，卷(期)：, 7(12) 分类号：X703 关键词：高盐 耐盐菌 生物脱色 动力学
动力学条件 篇3
【关键词】师范生 培养方式 变革 动力 主题 条件
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2016）05C-0136-02
当前，随着基础教育的改革和发展，各地中小学的教育方式发生了很大的变化。而在广西乃至全国的大学中，教师教育培养的未来教师很多不能满足基础教育改革的需要。因此，面对基础教育发展形势的变化，师范院校如何进行师范生培养方式的变革，更好地为基础教育培养新型师资服务是一个值得深思的问题。本文拟从师范生培养方式变革的动力、主题及条件等方面进行探讨。
一、师范生培养方式变革的动力：师范生培养方式不足与基础教育发展变化之间的矛盾
基础教育由数量发展方式向质量发展方式的转变，无疑对师范生的综合素质提出了更高的要求，这就要求师范院校必须重新考量自己的人才培养方式。目前，师范院校主要是通过“专业教育+教师教育+教育实习”的方式对师范生进行专门的教育与培养。显然，此培养方式存在不足之处，已难满足基础教育对教师素质的有效需求。首先，表现为在师范专业教育上，教师的注意力和精力主要用在专业课的教学上，对学生并没有进行相应的职业情感教育，也没能引导学生初步规划自己的职业前景，因而师范生对教师职业没有向往，没有计划，导致对教师职业缺乏认同感。其次，在课程设置上滞后于基础教育课程改革，课程设置仍然是学科本位，壁垒森严，师范生所学的专业知识也是条块状的学科知识的细化，知识储备无法适应基础教育综合学科的教学；课堂教学的内容还是以理论为主，教学的形式是以教师讲解为主，学生的实践时间少，见习和实习时间有限，教学技能缺乏培养和锻炼的平台。培养方式存在不足必然导致师范生在进入中小学从事教育教学“临床性知识”的先天不足，难以适应基础教育对教师越来越高的要求，进而影响到教师的入职实践和专业成长。
由上可见，基础教育的改革促使我们反思现有的师范生培养方式，而原有方式的不足更让我们认识到变革师范生培养方式的紧迫性。可以说，师范生培养方式不足与基础教育发展变化之间的矛盾直接催生了师范生培养方式的变革。
二、师范生培养方式变革的主题：构建系统的师范生培养新方案
对师范生培养方式进行变革应该“不满足对系统的修补，也不是只需要消除和改变原来系统中不合适的或需要改变的方面，而是必须包含着重建的任务”。这意味着师范生的职前教育需要从学校内的基质、整体形态和常规的教育教学时间等方面进行根本的变化，构建系统的师范生培养新方案。
钦州学院作为新建本科院校，自组建教育学院以来，不断创新教师教育培养新模式，提出了“综合教育+全程实践+双向互动”的教师培养新方案。“综合教育”，要求课程的综合化，以培养知识、能力和素质全面发展的复合型师资为目标；“全程实践”，要求师范生“零距离”接触中小学教育教学，加强教学技能训练，以提高学生的职前教育教学技能，满足就业上岗的需求；“双向互动”，是坚持与基础教育互动、互融，在互动中达到双赢的目的。以下以钦州学院为例对如何构建系统的师范生培养新方案进行探讨。
（一）综合教育，实施课程模块教学。作为一所新建地方本科院校，钦州学院从2009年开始实施学分制。教师教育课程体系的基本架构为公共基础课程、学科专业课程、教育专业课程、自选课程及综合实践课程五大课程模块。公共基础课程主要目的是实现学生基本素质的培养要求，对学生正确人生观、世界观和价值观的形成，从业基本要求的训练及专业课程的学习等起到基础作用。学科专业课程主要目的是拓宽学生的知识面，优化学生的知识结构，体现学科交融、专业互通、文理渗透的精神。教育专业课程主要是为师范生未来教育专业发展提供职前的教育训练。自选课程中每一个学生可按专业教育需要、个人志趣和特长选择规定学分的若干门课程。其主要目的是在对学生加强专业基础培养的同时，拓宽专业口径，以满足就业、进一步深造等方面的需求，增强适应性，发展学生个性。综合实践课程主要是通过教学、科研和社会服务的有机结合，培养学生的学习能力、创新能力、实践能力、科学研究能力和综合素质。
（二）全程实践，实践“4+0”模式。2009年，钦州学院开始在教育管理、小学综合文科等专业开始探索全程见习、实习模式——“4+0”模式，即大一到大四每年安排一次见习，大四安排顶岗支教或毕业实习。在这全程的实践过程中，学生每学期都到一线的教学单位进行学习观摩，在观摩中了解小学的教育管理和教学常规工作，以及教育教学的本质特点及发展变化，加深对理论知识的了解。同时，师范生入学后进行相关的语数英的中小学课程标准的讲座和课程安排，到高年级进行相关课程教学时也配备相应的中小学教材，而到中小学调研或助教活动等均有利于培养师范生的专业技能，为教育教学实践服务。
（三）双向互动，达成互利共赢。为了保持教师教育的连续性，实现有效提高师范生实践能力的目标，钦州学院通过成立“教师教育合作共同体”、建立实践基地、顶岗支教等途径为全程实践搭建全程性培养平台。教育合作共同体的成立为钦州学院与钦州市中小学之间搭建了“资源共享、优势互补、共建共享、相互学习、共同发展”的合作平台，又为师范生培养提供了更广阔的实践空间，使人才培养模式实现“量身定做”和“按需打造”，更加适应中小学对教师的要求。此外，钦州学院与中小学建立了一批互利双赢的教育实习基地，基地学校为钦州学院学生的教育见习、实习提供了支持，钦州学院结合高校的理论特长和中学的实践优势，也为基地学校教师的专业发展、科研和教学改革提供支持，实现了资源共享、优势互补。
三、师范生培养方式变革的条件：多元化、全方位的改革
在新的时代背景下，我国教师教育的教育形态正在发生变化，笔者认为，改革招生考试制度、加强师范生培养教材的出版与管理、提高课程落实者的素养、建立MS-EEPO有效教育培训模式将成为我国未来师范生培养方式的应然之路。
（一）进行招生考试改革。现在的人才培养方式不改革，不可能培养出创新型人才来。要培养创新型人才，创造一个好的环境和土壤至关重要。这就需要在招生制度上的突破来保障，建立起高校和中学联合培养个性化人才、经过科学选拔直接进入相应高校、专业就读的新机制。对于师范院校来说，必须真正构建起一条切实可行的特殊人才“绿色通道”，让部分热爱教师职业、思维发展较好的学生不再受到高考的限制而进入适合自己的师范院校学习发展。
（二）加强师范生培养教材的出版与管理。以教育部出台的《教师教育课程标准》为依据，开发课程资源、编写相关教材，出版教师教育课程教材及学科教育课程教材，帮助师范生进行师范职前教育，了解中小学的教育教学常规，为教育见习和实习的有效顺利实施提供帮助。同时，及时编写与基础教育对接的教材。另外，加强教材管理，实施教材选用认证制度，开展优秀教材评选奖励工作，加强对优秀教材编写的资助等。
（三）提高课程落实者的素养。目前，落实教师教育课程的师资，理论课主要由教育学院的教师承担，教育实习、微格教学等实践性课程则由所在专业的学科教学论教师承担。很多教师长期脱离中小学教育，对基础教育缺乏最基本的认知。加上其主要教学精力是集中于专业教学，对类似于“公共课”性质的“教师教育课程”并不重视，教学质量和效果并不能得到学生的认可。客观地说，很多学科教学论教师并不具备承担“教师教育课程”的专业素养和相关背景，如果不提高课程落实者的素养，师范生培养方式变革成效令人担忧。
（四）建立MS-EEPO有效教育培训模式。当前，我国多地的基础教育领域正在进行孟照彬教授创建的MS-EEPO有效教育实验。MS-EEPO有效教育代表着一种新型教育，以其自身的有效性、先进性、系统性、可操作性，为平衡理想的素质教育和现实的应试教育找到了切入点，尝试将素质教育中的“个性、创造性”和应试教育中的“知识性”有效结合，较好地处理了素质教育与应试教育的关系问题。目前，广西、湖南、云南、贵州、广东、陕西、新疆、重庆、甘肃、内蒙古、浙江、辽宁、吉林、四川等省份已有多所校区参与MS-EEPO操作系统应用与研究，并大有发展的趋势。随着MS-EEPO有效教育实验的进一步推广，其已逐步成为中小学教学的主流方式，给基础教育学校内涵建设“革命性”变化：学校的管理理念、教研团队、校容校貌发生了变化；教师的教学方式、精神面貌、师生之间的关系发生了巨大变化；学生学习方式、精神面貌、生生之间的交往状态也有了根本性的变化。可见，MS-EEPO有效教育实验深刻地影响着基础教育的改革和发展，是教育方式的一场变革，使得多地中小学的教育方式发生了很大的变化。
为使教育教学能与基础教育改革接轨，可以以MS-EEPO有效教育为突破口。在高校的师范职前教育与一线的基础教育改革接轨上，MS-EEPO有效教育可以起到衔接的作用。如果大学的师范教育能和中小学的基础教育互动，就能一改以往师范教育与基础教育缺乏沟通交流的局面。应发挥高校的文化引领作用，对师范生进行MS-EEPO有效教育理论和技术的训练，使其实习及就业时便能运用先进的理论和技术。为此，要积极推行双导师制，从知名中小学特级校长、特级教师中聘任基础教育特聘教授，从实习基地学校优秀指导教师中选聘熟悉MS-EEPO有效教育的省级专家兼任导师，负责安排和直接承担师范生教育见习、教育研习和教育实习的指导工作，为高质量的教师培养提供系统保障。
综上所述，基础教育的改革对师范生的职前综合素质教育的内容、培养方式等提出了新的要求，构建系统的师范生培养新方案不但需要具备改革招生考试制度、加强师范生培养教材的出版与管理、提高课程落实者的素养、建立MS-EEPO有效教育培训模式等条件，更需要教育决策者和一线的教育工作者在教育实践中不断反思和总结，结合基础教育的实情采取相应的措施。
【参考文献】
[1]顾明远.教育方式的一场变革[J].人民教育，2012（8）
[2]叶澜.实现转型：世纪初中国学校变革的走向[J].探索与争鸣，2002（7）
[3]王伦.树立科学的教师教育质量观，推进教师教育课程改革[J].中国高教研究，2006（12）
动力学条件 篇4
舰载垂直装填机械是舰载垂直发射系统的一种多关节、可伸缩折叠式特种起重机,用于舰载武器的装填作业。由于海浪作用以及吊重与装填机械臂末端是通过柔性钢缆连接,吊重不可避免地会产生摆动[1]。这种摆动对装填的工作效率和作业安全都会产生很大的危害,直接影响装填的快速性,因此如何消除这种摆动至关重要,而建立其动力学模型是实现消摆的前提。
文献[1]、[2]利用机器人动力学建模原理,将船体看作虚拟杆件,采用拉格朗日方法建立了在船体横摇条件下舰载起重机的动力学模型,但该模型过于复杂,且不能很好反映吊重的摆振情况。文献[3]同样利用机器人动力学建模原理,将履带式起重机的吊顶与吊重的连接处等效为虚拟杆件,采用牛顿-欧拉方法建立了履带式起重机的动力学模型,其推导较为简单,并能够直观的反映吊重的摆振情况,但是它是在静机座条件下的。本文将舰载垂直装填机械看作机器人机械手系统,将船体及吊顶与吊重的连接处均看作虚拟杆件,采用牛顿-欧拉法递推公式建立动机座条件下的吊重摆振动力学模型。
2 机械手模型
舰载垂直装填机械在装填作业时,吊重从起吊点吊运到目标位置上方的过程中,吊重高度保持不变,吊臂不做伸缩运动,所以可不考虑吊臂的伸缩关节,因而可将其等效为具有5个杆件的开链式机器人机械手系统,如图1(a)所示。每个杆件只有一个自由度,各杆件之间通过回转关节连接,其中,杆件1为虚拟杆件,即将舰艇本身看成是从舰艇横摇摇心(这里只考虑横摇作用)到装填机机座的虚拟杆,假设该杆件的一端即横摇摇心是固定于一个固定刚性机座上,可绕横摇轴转动[2],且该杆件的质量集中于横摇中心,关节变量θ1为横摇角;杆件2为装填机回转臂,关节变量θ2为平台回转角度;杆件3为起重臂,关节变量θ3为起重臂的俯仰角度;杆件5为悬吊钢绳和吊重。由于吊重自由地悬吊于臂架的吊顶,为了描述吊重的空间运动,这里引入了一个质量和长度均为零的虚拟杆件4[3],利用与之相连的虚拟关节的关节变量θ4、θ5及起升悬吊钢绳的长度来描述吊重相对于吊顶的空间位置。
为简化分析,这里作如下假定:
1)假定各杆件仅在其质心处具有集中质量,并视各杆件为刚性;
(2)由于在武器的装填吊运过程中一般有工作人员对吊重进行扶持,所以可以忽略风载的影响和吊重的自旋。
根据机器人动力学建模原理,各杆件附体坐标系的建立如图1(a)中所示,图中各坐标系均遵从右手法则。与杆i(i=0,1,…5)固连的坐标系Oi-XiYiZi简称为系i。
由于用θ4描述吊重摆振不很直观,故采用图1(b)中的摆角φ代之,其中φ=θ4+θ3-3π/2,是钢缆在起升平面上的投影与铅垂线的夹角;θ5为钢缆与起升平面的夹角。这样,通过φ、θ5和钢绳的长度便可以完全确定吊重相对于臂架悬吊点的空间位置[3]。
采用修改的D-H(Danvit-Hartenberg)参数[4]确定齐次变换矩阵i-1Ai,即:
式中,i=1,2,…,5;ci=cosθi;si=sinθi;cαi=cosαi;sαi=sinαi(本文中各三角函数以此方法表示)。ii-1R为3×3阶矩阵,为系i中矢量对系i-1的旋转变换矩阵;ii-1P为3×1阶矩阵,为系i-1原点向系i原点移动的位置矢量;O为3×1阶零矩阵。
齐次变换矩阵i-1Ai中的各参数值见表1。
表1中,LB为吊臂的长度;(ex,ey,ez)为系2的原点在系1中的坐标值。
3 动力学模型与优化
3.1 动力学模型
目前常见的机器人动力学建模的方法有牛顿—欧拉法、拉格朗日法、凯恩法、最小约束的高斯原理法等[5]。本文采用递推的牛顿-欧拉法[5]推导系统动力学方程。
假定横摇中心机座是刚性且固定的,则有w0=w觶0=v觶c0=0,若令v觶0=[0 g 0]T(g为重力加速度),在递推过程中自动记入各杆件自身重力。列出已知参数为
其中,rc3为起重臂下铰点到起重臂架质心的距离;LR为吊重处于所要求高度时悬吊钢绳的长度;h为回转臂的长度。
假定各杆件只具有集中质量,则
因杆5所受外力始终沿其附体坐标系的x轴方向(重力已计入加速度),设大小为F,所以杆5所受驱动力和力矩为f5=[F 0 0]T,n5=0。
将以上已知条件先后代入牛顿—欧拉正向递推公式和反向递推公式[5]得到各杆件的角速度、角加速度、加速度和质心加速度及各关节驱动力和力矩。此外,杆1所受力矩根据各级海情确定。
由各关节驱动力矩方程,及杆5的质心加速度在其附体坐标系中y、z轴的分量为0,可得到舰载垂直装填机械进行回转和俯仰运动时的动力学方程组为
其中:
s34=sin(θ3+θ4),c34=cos(θ3+θ4),τ2、τ3分别为关节2和关节3的驱动力矩,m3为吊臂质量。
不难看出,该方程组是一个非常复杂的多变量、强耦合、强非线性的二阶微分方程组,它较为准确地反映了舰载垂直装填机械进行回转和俯仰作业时吊重的运动状态,不仅包含切向力和向心力对机体的影响,还包含哥氏力的影响。
3.2 模型优化
对于上述方程组所描述的舰载垂直装填机械模型,实现完全控制是困难的。为了降低控制难度,做如下优化处理:
1)因为主要是要实现装填机在做回转运动过程中的消摆,所以只考虑做回转运动的工况,则此时有θ觶3=θ¨3=0,且方程(3)可略去;
2)因为装填机的运行速度一般不大,所以可以忽略离心力和哥氏力影响,即略去方程中速度相乘的项。
3)将φ=θ4+θ3-3π/2代入消去θ4,用φ、θ5描述吊重摆角,使模型更直观的反映吊重摇摆情况,即在回转运动过程中,φ为吊重的径向摆角,θ5为吊重的切向摆角。
优化后的动力学模型为
4 实例仿真
本文选取某型舰船的横摇运动参数与海情的关系如表2[2]:
选用正弦横摇运动规律即[1]
仿真参数如表3所示。
设置装填机械在20秒内从平稳启动到平稳制动,转过120度的回转角,回转角度曲线和回转角角速度曲线如图2和图3所示。选择变步长四阶龙格-库塔算法对模型求解[6],分别在五级海情、六级海情及静机座条件下对吊重的切向和径向摇摆角度进行仿真,结果如图4、5所示。
5 结论
分析以上仿真结果可知,在静基座条件下,吊重摇摆角度很小,且以切向摇摆为主;而在动基座条件下,吊重的摇摆角度显著增大,且随海情级别越高而越大,如在五级海情时,吊重的最大摇摆角度为30度左右,而在六级海情时,吊重的摇摆角度最大达到了近50度。显然,若不进行防摇控制,装填机只能在海情级别较低的情况下才能工作,因此,严重影响武器装填作业的安全性和快速性。
参考文献
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动力学条件 篇5
两个力学量算符具有共同本征态系的条件
量子力学是人们了解微观世界的一门重要的课程.在量子力学中,由于任何实物体都具有波粒二象性,必须用算符来表示力学量,因此算符理论显得尤为重要.在研究多个算符时,有一个非常重要的`定理:两个力学量算符能够具有共同本征函数系的充分必要条件是这两个个力学量算符能够互相对易.本文分析了在使用该定理时可能存在的一些问题,并对这些问题进行了澄清.
作 者：高峰 张登玉 张军民 詹孝贵 陈银花 GAO Feng ZHANG Den-yu ZHANG Jun-ming ZHAN Xiao-gui CHEN Yin-hua 作者单位：衡阳师范学院,物理与电子信息科学系,湖南,衡阳,421008刊 名：大学物理 PKU英文刊名：COLLEGE PHYSICS年，卷(期)：28(11)分类号：O413.1关键词：量子力学 算符 本征函数系 对易
动力学条件 篇6
关键词：社会主义；市场经济；劳动力；商品属性
一、劳动力商品定理
（一）所谓劳动力商品定理，是指劳动力成为商品的必要而充分的条件
马克思在《资本论》中分析了劳动力成为商品的两个前提条件：1.劳动者具有人身自由，具有独立的人格，可以自由支配包括出卖自己的劳动力，也就是说，拥有个人劳动力的所有权；2.作为劳动力的所有者的劳动者个人不拥有实现自身劳动力所必需的生产资料，也没有足以维持自身与家庭成员物质资料生活所必需的生活资料，因此只好靠出卖自己所拥有的劳动力来求得生存。
（二）劳动力成为商品是货币转化为资本的关键条件，劳动力的使用过程也是剩余价值的生产过程，科学的反映了资本主义剥削制度产生发展的历史
劳动力商品定理是由马克思首先提出并证明，这一定理仍然是分析社会主义劳动力商品的基本理论框架。但是一些传统的观点还是把劳动力成为商品看作是货币转化为资本的前提，所以在他们眼里劳动是不是商品是资本主义和社会主义的本质区别。劳动力作为人类一般劳动过程的必要要素，是劳动力的自然属性，为一切社会形态所共有。工人将劳动力出卖给资本家，生产剩余价值是资本主义社会的劳动力的社会属性。
二、社会主义市场经济中，劳动力商品的属性
（一）劳动力成为商品是市场经济的根本要求
1.在传统的计划经济体制下，劳动力成为商品的条件不充分
在国有经济中，劳动者没有择业自由，即对自己的劳动力没有所有权，因此不可能有劳动力商品。在公有制经济中，作为生产资料的所有者的是共同拥有公共产权的劳动者整体，而不是任何单个的劳动者个体，劳动者个人没有直接拥有使用自身劳动力所必需的生产资料，生产的人身条件与物质条件仍然以特殊形式相互分离。因此在国家占有几乎全部社会生产资料，劳动者没有择业自由，全民所有制企业对职工有不得解雇的义务的计划经济体制下，劳动力资源配置不依赖于市场机制。
2.社会主义市场经济要求有完备的劳动市场体系
（1） 生产的人身条件所有者与物质条件所有者仍然处于分离状态，即仍然是两个不同的经济主体，因此两种生产要素的结合仍然需要通过劳动力商品的买卖。社会主义条件下，劳动者指的是一个群体，而不是单个某人，针对这一群体，个体劳动者是不能随意处置或使用原本属于群体所有的生产资料，而是处在一种与生产资料相分离的状态。多数情况下企业劳动者集体只是本企业公有生产资料所有权主体的很小一部分，而且是不固定不稳定的一部分，因此无权自由处置企业的公有财产。
（2）社会主义市场经济中，存在不同的利益主体。社会主义市场经济实行公有制为主体多种经济成分并存。在国有企业中，企业的所有权和经营权是相互分离的，不一样的企业与劳动者之间有很大的差别表现在经济利益方面，并且在企业内部各个劳动者之间也有这种显著的差别，企业取得劳动力资源越来越依赖于市场机制。
（3）社会主义初级阶段，需要大力发展非公有制经济。个体所有制以个体劳动为基础，业主既是生产资料的占有者，又是劳动者，不存在两种生产要素相分离的情况，因此也不存在劳动力成为商品的问题。私营经济和“三资”企业的雇工情形和资本主义企业相类似，由于工人不占有企业的生产资料，只能把自己的劳动力当做商品出卖给私营企业主或者“三资”企业的老板，获取高工资收入，劳动力仍然是商品。
（二） 劳动者在社会主义生产中的地位
1.在社会主义条件下，劳动力具有商品的条件主要是指被私营企业、外资企业所雇佣的劳动者付出的劳动力，这种劳动力是一种商品；然而在公有制企业中，劳动力被当作一种生产要素，而不是商品。因此，为了让这种生产要素的劳动力发挥重大作用，就需要通过市场来进行调节，优化组合，合理配置，合理流动。
2.社会主义生产条件下劳动力商品的特殊性主要表现在以下方面：
（1）国有经济中劳动力成为商品和劳动者的主人翁地位不存在矛盾，劳动者的主人翁地位不取决于流通中的交换形式，而是取决于生产中人与人之间的关系，生产资料的占有形式。
（2）在社会主义条件下，公有制企业中的劳动者生产出的产品是一种社会产品，劳动者都可以共享企业的经营成果，没有工资和利润的对立。企业劳动者的工资高低主要取决于企业经济效益的状况，劳动力市场的供求状况对企业收入分配不能产生决定性影响，劳动力的价格不完全取决于劳动力的供求状况。
（3） 虽然公有制经济中劳动力和生产资料的结合在市场经济中也采取了双向选择的市场形式，但真正公有制经济中，劳动者一旦进入企业就享有了作为公有生产资料所有者中的一员所应具有的权，如按劳分配、民主管理、利润分享等，而不仅仅是一个普通的劳动者。
3.劳动力市场的存在和发展壮大已是不争的事实，承认劳动力成为商品与社会主义并不矛盾，这是市场经济条件下生产要素实现市场基础配置的必要条件。劳动力成为商品，是社会主义经济转轨的必然现象。
三、劳动力商品化的历史意义
1.劳动力商品化意味着劳动力人格的独立化。劳动者人格独立化有利于培养大家的自由、民主、平等、竞争意识，消除过去的等级、特权和依附等不好思想；有利于成分发挥劳动者的才能，激发劳动者的创新意识，使劳动者倾其才，尽其能，服务社会；有利于为市场经济的发展营造好环境。
2.劳动力商品化可以使国有集体企业在开放的人力资源市场上配置劳动要素，增强竞争，尽快融入市场经济。（作者单位：辽宁大学）
参考文献：
[1]《资本论》第一卷，中央马列编译局编人民出版社2004年版
[2]《马克思恩格斯选集》人民出版社1995年版
[3]蒋学模 《社会主义经济中的资本范畴和剩余价值》[M]1994年版
[4]李铁映关于劳动价值论的读书笔记[J]中国社会科学 2003年版
[5]蒋学模、史正富《政治经济学教材》上海人民出版社2003年版
动力学条件 篇7
汶川“5·12”大地震给四川省造成极为严重的人员伤亡和财产损失,同时因地震引发了大量的滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害。截至2008年7月20日,42个重灾县(市)震后新增可统计地质灾害隐患多达8627处,其中泥石流837处[1]。这些次生地质灾害阻断交通,堵塞河流,威胁民房和安置点,对灾区人民的生命财产安全形成严重威胁,同时也严重影响灾区抢险救灾工作的顺利开展,并对灾区过渡性安置和灾后重建工作有较大影响[2]。
东龙沟泥石流位于松潘县镇江关乡,属一条老泥石流沟,1985年曾爆发过小型泥石流。近年来,特别是“5·12”地震后,沟域内发生了多处滑坡、崩塌现象,形成了新的物源。目前,东龙沟泥石流所处发展阶段为小周期内的发展期(壮年期),在持续降雨或短时高强度暴雨的诱发下极易复活,暴发中频中—小型粘性泥石流[3]。东龙沟泥石流一旦再次暴发,将直接威胁到居住在沟口的127人的生命财产安全,以及区内的新、老G213国道的正常运营(图1)。因此,研究东龙沟泥石流的基本特征、形成条件、动力学参数,预测其暴发规模,提出切实可行的防治方案,并立即开展应急治理工作十分必要。
1 东龙沟流域概况及泥石流基本特征
东龙沟为岷江的一级支沟,沟域形态为上大下小的勺状地形,纵向长约8.4km,平均宽2.43km,为一树枝状水系,沟谷由窄变宽、由陡变缓,汇水面积20.13km2。东龙沟上游由2条支沟组成,即雪山沟与大寨子沟;两沟沟谷狭窄,沟床纵坡较陡,两岸均发育有众多次级支沟(图2)。其中,雪山沟主要发育有次级支沟4条,大寨子沟主要发育有3条次级支沟。雪山沟与大寨子沟汇流于标高2780 m处,向下约3.28 km长的沟段呈宽缓的槽谷地貌,仅在沟谷南岸见有2条季节性支沟。
1.1 泥石流形成区
泥石流形成区主沟沟床高程3100~2850m,流域汇水面积约3.63km2,约占流域总面积的18.0%。区内,雪山沟与大寨子沟在高程2850 m左右汇流,以下为东龙沟。形成-流通区内,高程2800 m以上为乔木、灌木混合林地,物源匮乏;高程2800m以下植被以稀疏灌木为主,雨季水土流失严重,顺岸坡发育有大量滑坡、崩塌及支沟泥石流,为东龙沟泥石流的发生、发展提供了大量的物源。
形成区内雪山沟流段长约1.31km,汇水面积约2.1km2。主沟流向298→338°,沟谷宽15~30m,沟道宽1~2m,沟床纵坡坡降约236.4‰;沟床内堆积有大量冲洪积块(漂)石土,生长有零星乔木、灌木;沟谷岸坡较陡,坡度35~70°,局部为陡崖,植被茂密,沿谷坡坡脚堆积有大量崩坡积体。
大寨子沟流段长约1.38km,汇水面积约1.5 km2。主沟流向267→232°,沟谷宽15~25m,沟道宽2~3m,沟床纵坡平均坡降205.1‰;沟床内堆积有大量泥石流堆积、冲洪积块(漂)石土,生长有零星乔木及灌木;沟谷岸坡较陡,坡度30~70°,局部为陡崖,沿谷坡坡脚堆积有大量崩坡积体。
1.2 泥石流流通区
泥石流流通区内沟谷长0.7km,汇水面积约1.1 km2。主沟蜿蜒,流向304→283°,沟谷宽15~60 m,沟床纵坡坡降平均106.7‰;沟床堆积有大量冲洪积块(漂)石土;沟谷岸坡较陡,坡度35~70°,局部为陡崖,植被为稀疏灌木及乔木,水土流失现象严重,近期发生了数处滑坡、崩塌现象(图3)。其末端为卡口,最窄处沟谷宽度仅15m。流通区内,东龙沟主要发育有1条次级支沟,为支沟泥石流沟。该支沟发源于东龙沟南西岸,属季节性支沟,测时无水。该沟流向10°,分水岭最高高程3600m,沟口高程2810m,流域高差790m,汇水面积约0.57km2。沟道长约0.5km,沟床纵坡平均坡降537.3‰;沟谷断面呈“V”形,沟床宽5~15 m,沟道宽1~3 m,两岸谷坡坡度35~65°,局部陡立,植被茂密。据调查,该沟沟口段堆积有早期泥石流堆积扇,以上沟段沟底大多堆积有碎石、角砾土。
综上述,流通区沟谷狭窄,加之雪山沟、大寨子沟两沟汇流后流量增大,利于上游泥砂的输排。
1.3 泥石流堆积区
泥石流堆积区沟谷宽80~200m,高程2735~2456 m,流段长2.9 km;区内多横贯沟谷的陡坎,沟谷纵坡平均约115‰,横坡50‰~100‰,扇体稳定;扇缘迭于岷江岸边,对岷江河道造成了挤压,扇缘被岷江切割高度达5~10m。泥石流威胁区村民主要沿国道居住在扇缘一带(图1)。
堆积区内东龙沟还发育有1条次级支沟,属支沟泥石流沟。该沟发源于东龙沟南西岸,调查期间无水,为季节性次级支沟。该沟流向314°,分水岭最高标高3400m,沟口高程2720m,流域内地形高差680m,沟床纵坡坡降平均682.9‰,汇水面积约0.49 km2;沟谷断面呈“V”形,沟床宽3~5m;两侧谷坡坡度40~70°,局部陡立。据调查,该沟沟口段堆积有早期泥石流堆积扇,以上沟段沟底大多堆积有碎石、角砾土,坡面植被以乔木、灌木混合林地为主。
综上述,东龙沟泥石流堆积区沟谷开阔,纵坡较缓,利于洪水携带物质的停淤。目前东龙沟主沟道经应急疏导后,过流能力满足洪水过流条件,但现沟道多弯道,沟床、沟岸均未加固,易产生淤塞,不利于泥石流的排导。
2 泥石流形成条件
2.1 地形条件
东龙沟泥石流流域地处川西北高原东北部的高山峡谷地带,属长江流域岷江水系上游强烈抬升区。第三纪末喜山运动以来由于受区域整体间歇性抬升和河流强烈下切侵蚀作用的影响,区内山势巍峨,沟谷深切,山岭海拔高度一般3500~4500m,岭谷高差1000m左右,呈现出强烈隆升深切割的中高山—高山地貌景观。
东龙沟泥石流流域地势SE高NW低,流域长约8.4km,面积约20.0km2。分水岭最高点为雪姑寨山,流域最高海拔高度为4739m,最低点为岷江河谷,海拔高度2454 m,相对高差约2285 m。沟底标高2800 m以上,沟谷平面形态呈漏斗形态,支沟发育,沟道狭窄,沟床纵坡坡降230.8‰~9 3 2.5‰不等,总体呈逐渐变缓的趋势。以下为前期泥石流堆积形成的U形宽谷地貌,沟床宽8 0~2 3 0 m不等,纵坡坡降8 7.5‰~1 4 0.5‰,两侧谷坡陡立(图4)。堆积区沟谷开阔,纵坡较缓,流通区沟谷狭窄且比较长,形成区汇水面积较大,物源的动储量大。较大的高差和较大的汇水面积使得大量地表水快速汇集,并侵蚀地表和带动松散固体物质运动,从而极易引发泥石流的产生[4]。
2.2 水源条件
东龙沟为树枝状水系,发育于雪姑寨山,其主沟道蜿蜒,流向总体SE→NW,上游主要有2条支沟:南东一支为雪山沟,系东龙沟的主沟,长约4.85 km,主要发育有2条次级溪沟及1条季节性冲沟;北东一支为大寨子沟,长约2.75km,主要发育有3条次级溪沟及1条季节性冲沟,两条支沟汇合后即为东龙沟。东龙沟长3.43km,发育有两条次级季节性冲沟。
东龙沟沟水主要来源于上游大气降水、雪姑寨山冰雪融水及地下水,清水区、形成区产生了全流域95%以上的沟水流量[3]。另据近期洪痕来看,东龙沟下游(堆积区)洪期过流断面一般15~18m2,其流量常暴增数十至数百倍,完全具备产生泥石流的水源条件。东龙沟泥石流暴发的水源条件主要为暴雨作用下沟谷中产生的短时洪水。
2.3 物源条件
东龙沟泥石流流域地形切割强烈,基岩地层岩性主要为砂岩、砂质板岩,岩层陡倾、岩体节理裂隙发育。且区域内构造运动活动性强,因此,在长期风化剥蚀、流水侵蚀、临空卸荷,特别是地震活动等内、外营力作用下,区内重力地质灾害现象发育。基岩出露区,主要的不良地质类型为崩塌及危岩;而沿沟的土质岸坡段,由于东龙沟水流对坡脚的掏蚀,普遍存在有滑塌、支沟泥石流现象。
据调查,流域内集中物源主要为15处崩塌、4处滑塌体及5条支沟泥石流;此外,坡面松散侵蚀产生的物质、洪水冲刷沟床及其两岸携带的物质,也为泥石流提供了一定的物源。
3 泥石流运动和动力学参数分析
由于无泥石流发生时的实际观测数据,对该泥石流沟的分析,主要是依据现场调查访问资料,类比利用目前泥石流运动特征及动力特征研究的成果进行的。目前,形成区内各次级支沟泥石流植被均已恢复,其可启动物源量均较少,且无直接威胁对象。因此,本次将几条次级支沟泥石流作为物源,本文仅以东龙沟(全域)为例对泥石流的运动和动力学参数进行计算分析。
3.1 泥石流流体重度
泥石流流体重度主要根据泥石流易发程度数量化评分,查《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220-2006)附录表G.2,并结合模拟试验综合确定。
(1)现场配浆法
泥石流重度模拟试验主要是根据实地调查访问,请亲眼见证泥石流发生的当地人士多名,在泥石流堆积扇上选择有代表性的堆积物,拌制成暴发时的泥石流流体状体,采用称重法进行测定。按下式计算配制好的样品质量体积比,可近似表示泥石流当时活动状态的重度:
式中:γc—泥石流重度(t/m3);
G1—拌制试验桶与泥石流总重(t);
G2—拌制试验桶空桶重(t);
V—拌制试验桶内泥石流流体体积(m3)。
本次模拟试验主要根据1985年泥石流活动情况进行,现场配方试验得,1985年主沟泥石流平均重度γc为1.593t/m3。
(2)查表法
东龙沟主沟(全域)泥石流易发程度量化得分91分。根据数量化评分(N)与重度、(1+φ)关系对照,东龙沟主沟泥石流重度γc为1.628t/m3,对应1+φ为1.624。
(3)综合取值
因上次泥石流发生时间已有25年,并且配方试验得出的重度值变异较大,加之流域内现有物源条件、水源条件与1985年泥石流有所不同,采用模拟结果取值有所失真。查表取值结果与流域条件基本相符,流域上游汇水条件好,但物源较少,流体密度会偏小,而进入堆积区后经沿途物源补给,其流体浓度会逐渐加大。因此,本次按查表法取值,即东龙沟主沟泥石流重度γc为1.628/m3,为粘性泥石流。
3.2 泥石流流速
泥石流流速是泥石流动力学的重要特征值之一,它与泥石流流量、泥石流体容重、泥石流物质的矿物组成和级配成分以及沟道内其他要素都有很密切的关系。同时,泥石流流速本身又是一个决定着泥石流动力学性质的最为重要的参数之一,目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验公式。
根据泥石流重度判定,东龙沟主沟泥石流属粘性泥石流,按规范采用粘性泥石流通用公式进行流速计算[5],公式如下:
式中:Vc—泥石流断面平均流速(m/s);
nc—粘性泥石流的河床糙率,本文取0.067;
Hc—计算断面平均泥深(m),本文取1.1m;
Ic—泥石流水力坡度(‰),取流域形成区至流通区加权平均坡降,本文取93.2‰。
经计算,东龙沟主沟泥石流流速为4.91m/s。
3.3 泥石流流量
目前,进行泥石流流量计算的方法主要有雨洪法和形态调查法两种。经笔者计算分析发现,采用形态调查法求得的泥石流峰值流量计算结果普遍略小于雨洪法求得的结果。分析其原因,采用形态调查法计算结果没有暴雨频率的概念,仅能代表当次泥石流的特征值,而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植被发育分布情况和径流系数进行计算,具有预测性质。因此,本文仅列举了采用雨洪法的计算结果及综合取值。
(1)设计洪水流量计算
采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》推荐的推理公式计算设计频率条件下的洪水洪峰流量,计算公式如下:
式中:QB—设计洪峰流量(m3/s);
ψ—洪峰径流系数,ψ=1-1.1μ×0τn/Sp;
SP—暴雨雨力(mm/h),SP=H24 p×24n-1;
F—流域汇水面积(km2);
μ—汇流参数,μ=(1-n)nn/(1-n)(Sp/hnR)1/(1-n);
τ—流域汇流时间(h),τ=τ0ψ-1/(4-n);
n—暴雨公式指数,取n=n2 p=1+1.661 lg(H6 p/H24 p);
τ0—产流历时(h),τ0=0.2783/(4-n)/[(m J1/3/L)(SF)1/(4-n)];
m—产流参数,m=0.221θ0.204(θ=1~30时),反算得m'=0.330;
θ—流域特征系数,θ=L/(J1/3F1/4);
L—主沟长度(km);
J—主沟沟床坡降(‰),取加权平均值;
hR—地面径流深(mm),hR=αH24 p;
α—降雨历时24 h的径流系数,查表取0.5;
D—大流域面积修正系数,D=1/(1+0.016·F0.6)。
东龙沟泥石流流域设计洪峰流量计算参数及结果见表1。
(2)泥石流峰值流量计算
以东龙沟流域可能产生的最大清水流量为依据,按照雨洪修正法原理[5],泥石流流量按下式进行计算。
式中:Qc—泥石流峰值流量(m3/s);
QB—频率为P的暴雨洪峰设计流量(m3/s);
φ—泥砂修正系数,φ=(γc-γw)/(γH-γc),计算得φ=0.399。
Dc—泥石流沟堵塞系数,本文取1.3。
东龙沟流域设计泥石流峰值流量计算参数及结果见表2。
3.4 一次泥石流过流总量
一次泥石流总量Q的计算,可根据泥石流历时和最大流量,按照泥石流的发生具有暴涨暴落的特点,将其过程线概化成五边形[5],计算公式如下:
根据调查访问情况综合分析,东龙沟主沟泥石流物源丰富,泥石流一次经历时间较长。因此T按持续时间20min考虑。
3.5 一次泥石流固体冲出物
一次泥石流过程中冲出的固体物质总量不仅与泥石流规模有关,而且与泥石流性质、固体物物理特征等有关。一次泥石流冲出固体物质体总量按下式计算[5]:
式中:QH—一次冲出固体物质体总量(104m3);
Q—一次泥石流过程总量(104m3);
γC—泥石流流体重度,1.628t/m3;
γW—水的重度,1t/m3。
其余符号意义同上。
不同设计暴雨频率下,东龙沟(主沟)一次泥石流过程总量(Q)、一次泥石流冲出固体物质体总量(QH)计算结果见表3。
4 结论与建议
(1)东龙沟泥石流流域地形地貌、地质构造复杂,地震基本烈度为Ⅷ度,区域稳定性差;不良地质现象发育。东龙沟泥石流属老泥石流沟,在汶川“5·12”地震前已进入衰退期。“5·12”地震不但在沟域内形成了大量松散物源,且降低了泥石流暴发需要的激发降雨量,使得东龙沟泥石流的活动频率和规模都将大大增强。目前,东龙沟泥石流处于小周期内的发展期。
(2)根据泥石流易发程度量化打分,东龙沟泥石流综合得分为91分,属泥石流易发沟,其发生机率为85%以上;预测其暴发类型属中小型暴雨型粘性沟谷泥石流,泥石流发生后,可能产生短时堵江。
(3)东龙沟泥石流潜在威胁对象为23户127人及新老国道的安全,危害性及潜在危险性均属中型,采取泥石流防治措施是必要和紧迫的。
(4)针对东龙沟泥石流的特征及其可能造成的危害,建议采取以拦为主的治理措施,通过新建拦挡坝控制泥石流的固体物质下泄量,削弱泥石流的流量和能量,减少对下游建筑物的冲刷、撞击和淤埋等危害。由于下游沟槽已经过应急处治,可进行简易的清淤处理,以满足排洪需要为主。
(5)建议加强对该泥石流的群测群防,并由相关部门设立降雨气象观测站,以便及时预告流域降雨状况,进行泥石流的预测预报工作。
参考文献
[1]黄润秋,李为乐.“5.12”汶川大地震触发地质灾害的发育分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(12):2585～2592.
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动力学条件 篇8
微污染原水中可生成氯胺的含氮物质较多,主要包括氨氮和有机氮如蛋白质、氨基酸、多肽、核酸、尿素和腐殖质等[3,4,5,6,8,9],其主要来源有工业源、生活源、农业源(施用化肥和农家肥)以及水生生物尸体的分解和藻类的代谢等[8,9,10,11]。尿素作为主要氮肥是有机氮的重要来源之一[11];水中常见的氨基酸有20多种[12],其中甘氨酸是最简单的氨基酸,而且作为一种重要原料在医药、食品、农药和饲料行业应用广泛且用量较大[13]。因此,本文选取NH3、尿素和甘氨酸作为微污染原水中含氮物质的代表物,在模拟微污染原水的含氮量及加氯消毒条件下,研究氯与其生成氯胺的特性及影响因素,为微污染原水加氯处理制水工艺加氯量的设计及消毒副产物的控制提供参考,同时也为进一步研究NDMA的生成条件、规律和机理提供参考。
1 材料和方法
1.1 仪器与试剂
主要实验仪器:722型分光光度计(上海光科分光仪器有限公司);恒温水浴(江苏省东台市电器厂);PHS-2C型数显酸度计(上海雷磁分析仪器厂);电子天平(上海光正医疗仪器有限公司);碘量法及容量分析玻璃仪器等。
实验试剂:次氯酸钠,盐酸盐N,N- 二乙基对苯二胺(DPD),十二水合磷酸氢二钠,磷酸二氢钾,硫酸亚铁铵,二苯胺磺酸钡,碘化钾,氨水,纳氏试剂,四水合酒石酸钾钠,尿素,甘氨酸,淀粉,硫代硫酸钠,浓硫酸等,均为分析纯试剂;实验用水为无氨和无需氯的去离子水。
1.2 分析方法
氨氮测定采用纳氏分光光度法[14],氯胺(以有效氯计)测定采用DPD滴定法[15]。
1.3 实验方法
表1列出了文献报道的我国常见微污染原水含氮量及常规加氯处理条件范围,依据该数据或作适当扩展选取的为本实验条件也在表1中列出。以去离子水添加适量的氨水、尿素或甘氨酸模拟含氮微污染原水,并模拟氯(用次氯酸钠代替)与原水快速混合-接触反应过程,考察反应时间、温度、pH以及氯氮质量比δ(Cl2∶N)(简称氯氮比)对氯胺生成的影响及其较佳的生成条件,并在此基础上用初始浓度法进行氯胺生成动力学实验,测定反应级数、速率常数等动力学参数。
2 结果和讨论
2.1 氯胺生成影响因素
2.1.1 反应时间影响
在25±1 ℃、pH=6.5±0.2、(Cl2∶N)=5:1的条件下,反应时间(t)对氯胺生成浓度(ρ)的影响见图1。图1表明,氨、甘氨酸及尿素在加氯条件下都会生成氯胺,且分别在20、20和30min以后各自的氯胺生成量基本趋于稳定。其中,NH3-N在加氯条件下可生成NH2Cl、NHCl2和NCl3,初始浓度为0.5mg/L的NH3-N生成的总氯胺最多可达5.32mg/L,构成比例:NH2Cl>NHCl2>NCl3;初始浓度为0.5mg/L甘氨酸-N最大可产生5.96mg/L的有机氯胺,而初始浓度为5mg/L的尿素-N产生的最大有机氯胺量仅为1.82 mg/L;可见,NH3和甘氨酸在水中生成氯胺的潜能远大于尿素。氯对水中尿素的氯化作用不显著,原因在于氯不易取代其氨基上的氢生成氯胺[21]。
从图1可看出,在同样氯氮比下3种含氮物质生成氯胺量的大小顺序为:甘氨酸> NH3>尿素。为保证反应的充分性,选取30min作为后序实验的反应时间。
2.1.2 氯氮比的影响
在25±1 ℃、pH=6.5±0.2和反应30min的条件下,氯氮比对氯胺生成浓度(ρ)的影响见图2。
图2表明,氨、甘氨酸和尿素的氯胺生成量均随氯氮比的增大呈先增加后减小的趋势。图2(a)显示,氨与氯生成的氯胺种类及浓度受氯氮比的影响较大;当(Cl2∶N)≤6∶1 时以NH2Cl为主,并在5∶1 处其生成量达到最大;(Cl2∶N)在7∶1~8∶1 时以NHCl2为主,在8∶1 处其生成量最大;(Cl2∶N)大于8∶1,NH2Cl、NHCl2生成量均快速降低,原因在于当氯氮比大于8∶1 后,氯与氨反应开始生成N2与硝酸[2];因本实验的pH(6.5)不足以提供生成NCl3的条件[22],故基本无NCl3生成。这是氯与氨典型的折点反应,且反应是连续的,如公式(1)~(4)所示[2,22]。
图2(b)显示,甘氨酸氯胺在δ(Cl2∶N)=5∶1处有最大值;因为甘氨酸在α-氨基位点生成的有机氯胺不稳定,当氯胺生成量达到最大值后,随着氯氮比的继续增大,生成的氯胺可进一步发生氯化水解、脱羧等反应生成氯代亚胺、氰酸或腈类等产物[23,24,25]。从图2(c)可以看出,尿素氯胺的生成量也在(Cl2∶N)=5∶1处最大,(Cl2∶N)大于5∶1时生成量降低;原因在于过大的加氯量,也会促使尿素发生氯化水解反应而生成CO2、N2或NO3-等物质[21]。可见,氨、甘氨酸或尿素与氯生成氯胺(或有机氯胺)的较佳氯氮质量比在5∶1左右。
2.1.3 pH的影响
在25±1 ℃、(Cl2∶N)=5∶1和反应30min的条件下,pH对氯胺生成浓度(ρ)的影响见图3。
图3(a)表明,氯与氨生成氯胺的种类与pH有很大关系;pH≤3 时主要生成三氯胺(占总氯胺60% 以上),pH值在3.5~5.5之间以二氯胺为主,pH≥5.5以一氯胺为主,pH到8以上,主要生成一氯胺(占总氯胺99%以上);其原因可能与水中HClO量及活性有关,pH越小HClO量越多、活性越大[2],越能促进氯胺的进一步氯代反应,如公式(1)~ (4)所示。图3(b)显示,pH=6 时,甘氨酸氯胺的生成量最大,pH<6 或pH>6时,甘氨酸氯胺生成量均有不同程度降低。根据Mehr-sheikha等人的研究,甘氨酸氯胺在水中有两种水解趋势[25]:pH<6时,会发生酸性水解首先生成甲二醇,进而在氯胺的作用下继续水解成N2和NO3-;pH>6时,会发生碱性水解逐步生成CNCl、CNO-和CO2等;这两种水解的结果使甘氨酸氯胺生成量在pH小于或大于6时均有降低趋势。从图3(c)可以看出,pH值在2~4之间,随着pH的减小,尿素氯胺生成量快速增加;pH>4时,其生成量随pH的增加虽呈减少趋势,但减幅较小;原因在于尿素在酸性条件易发生酸性水解而产生NH4+[26],NH4+与氯生成无机氯胺导致尿素氯胺生成量骤增。本实验结果表明,氯氮比同为5∶1的情况下,在pH接近于中性的水中有利于NH2Cl和甘氨酸氯胺的生成,pH<4时则更有利于尿素氯胺的生成。
2.1.4 温度的影响
在pH=6.5±0.2、(Cl2∶N)=5∶1和反应30min的条件下,温度(T)对氯胺生成浓度(ρ)的影响见图4。
图4(a)显示,温度在5~45 ℃ 范围变化,对NH3-N的氯胺生成量基本无影响;图4(b)和图4(c)则显示,甘氨酸氯胺、尿素氯胺生成量均随温度的升高而减小;由此可见,温度升高不利于有机氯胺的生成。由于尿素和甘氨酸的分解温度较高(≥100 ℃)[27],本实验温度下不会造成其分解,造成其氯胺生成量下降的原因可能是:温度升高,HClO稳定性变差,取代尿素和甘氨酸氨基上H的能力降低;温度升高,甘氨酸和尿素分子上氨基水解趋势大于与氯反应的趋势。
2.2 氯胺生成动力学
2.2.1 动力学实验结果
在25±1 ℃、pH=6.5±0.2 的条件下,采用初始浓度法(即保持反应物1的初始浓度不变并≥10倍反应物2的浓度,改变反应物2的浓度)进行氯与氨、尿素、甘氨酸反应生成氯胺的动力学实验,根据图1各反应的速度快慢,分别选取1、1、10min为各自的初始反应时间,实验结果见表2(数据为3组平行实验中偏差较小的2组结果的平均值)。
2.2.2 反应级数及速率常数考察
根据反应式(1)~式(4),假定氯胺生成反应速率方程形式如下:
式中:v为反应速率(以初始平均速率代替,即初始浓度/初始反应时间);k为速率常数;C1、C2为反应物1、2的浓度(反应物1为氯,反应物2为含氮物质);α、β分别为反应物1、2的级数。
若反应物1 浓度不变,相当于k C1α为常数,则以ln v对ln C2作图,根据拟合直线的斜率和截距,即可求出k和β,依次类推。按此法对表2数据进行拟合,得到的拟合曲线方程和动力学参数分别见表3和表4。
表3显示,ln v与ln C有较好的线性关系(R2>0.99),表明本实验氯胺生成反应的速率方程符合式(6)的形式。从表4的动力学数据可以看出,生成NH2Cl、甘氨酸氯胺或尿素氯胺的各反应物的级数均接近1,生成NHCl2的各反应物级数分别为1.68和0.52,因此各反应的总级数均接近2,表明氯与氨、尿素和甘氨酸生成氯胺的反应可能是2级反应,速率常数大小顺序为:甘氨酸氯胺>NH2Cl>NHCl2> 尿素氯胺;速率常数的数据进一步验证了图1的结果。
3 结语
(1)在常温和近中性的水中,氯与氨、甘氨酸和尿素均可生成氯胺;其中,NH2Cl、甘氨酸氯胺和尿素氯胺生成的较佳氯氮质量比为5∶1、反应时间为30min、温度≤25 ℃,氯氮质量比大于或小于5∶1,这些氯胺生成量均会降低;常温下温度对无机氯胺的生成量基本无影响,但温度的升高对甘氨酸氯胺和尿素氯胺生成不利。氯氮比和pH可影响氯与氨生成无机氯胺的种类,氯氮比小于6∶1或pH>5以NH2Cl为主,氯氮比在7∶1~8∶1或pH值在3.5~5之间以NHCl2为主,pH≤3主要生成三氯胺。另外,pH>5和pH<4分别有利于甘氨酸氯胺和尿素氯胺的生成。
(2)氯胺生成反应速率方程符合v=k C1αCβ2的形式(R2>0.99);在25 ℃、pH为6.5、氯氮质量比为5∶1的水中,生成NHCl、甘氨酸氯胺和尿素氯胺的各反应物级数均接近1,生成NHCl2的各反应物级数分别为1.68和0.52,因此氯胺生成反应的总级数接近于2级;氯胺生成速率常数大小顺序为:甘氨酸氯胺>NH2Cl>NHCl2>尿素氯胺。
摘要：在模拟微污染原水含氮量及加氯处理条件下,考察氯与水中氨、尿素、甘氨酸反应生成氯胺的特性及影响因素,通过初始浓度法研究氯胺生成反应动力学。结果表明,在常温、近中性水中,氯与氨、甘氨酸和尿素均可生成氯胺,在25℃,NH_2Cl、甘氨酸氯胺和尿素氯胺生成的较佳氯氮质量比为5∶1、反应时间为30min;氯氮质量比大于或小于5∶1,其生成量均会减少;温度升高对甘氨酸氯胺和尿素氯胺生成不利,但对无机氯胺的生成无影响;pH≥5和pH<4分别有利于甘氨酸氯胺与尿素氯胺的生成,pH>5,氯与氨主要生成NH_2Cl;氯氮比对生成无机氯胺的影响符合折点反应规律。氯胺生成速率方程符合v=k C_1~αC_2~β的形式(R~2>0.99),反应总级数接近于2,速率常数大小顺序为:甘氨酸氯胺>NH_2Cl>NHCl_2>尿素氯胺。
热力学基本公式应用条件的分析 篇9
1 热力学基本公式应用条件的理解
热力学的四个基本公式是:
严格地讲,热力学基本公式的应用条件是:组成不变的封闭体系在不做非体积功的情况下进行的可逆过程[4]。上述热力学的基本公式的应用条件可以从它们的推导过程得到理解。
首先,根据热力学第一定律可以得到
式(a)只适用于组成不变的封闭体系,只有物质守恒,能量才能守恒,所以利用热力学第一定律导出的公式必须服从组成不变的封闭体系这个前提。
其次,在不做非体积功的情况下,也即非体积功δWf=0时:
δWv是体积功,根据体积功的定义:
将式(c)代入式(b)则有:
式(d)适用于不做非体积功的情况。将式(d)代入式(a)则有:
由于利用式(d)和式(a)推导而得到式(e),所以式(e)不仅要服从组成不变的封闭体系,还得服从不做非体积功的应用条件。
根据热力学第二定律可以得到:
式(f)适用的条件是过程可逆。将式(f)代入式(e)则有:
从推导过程看,式(1)是热力学第一定律和热力学第二定律结合不做非体积功条件所得到的联合公式,所以式(1)的应用条件必然是组成不变的封闭体系在不做非体积功的情况下进行的可逆过程。其余三个基本公式是利用式(1)和相应的函数定义式就能得到。
对焓的定义式H=U+p V取微分可得:
将式(1)代入上式则有:
即:
因为H=U+p V适用于任何情况,没有条件的限制,因此式(2)的应用条件也必然是组成不变的封闭体系在不做非体积功的可逆过程。
同理,对亥姆霍兹函数的定义式Α=U-TS和吉布斯函数的定义式G=U+p V-TS进行微分后,然后将式(1)代入则分别得到:
同样的是,Α=U-TS和G=U+p V-TS适用于任何情况,式(3)和式(4)的应用条件也必然是组成不变的封闭体系在不做非体积功的可逆过程。
2 热力学基本公式在不可逆过程中应用的理解
严格地说,热力学基本公式只适用于组成不变的封闭系统中无非体积功的可逆过程,但是遇到不可逆过程也可以使用热力学基本公式。因为热力学四个基本公式中所涉及的热力学变量分别是U、T、S、V、p、H、A、G,而这些热力学变量是状态函数,它们的变化量只取决于过程的始末态,而与具体的变化过程没有关系,通过状态函数法可求得。下面就以Gibbs函数为例分析热力学基本公式在不可逆过程中的应用。
如果组成不变的封闭系统经历了一个微小的不可逆过程,由状态(S,V)达到状态(S+d S,V+d V),系统的d U可以通过设计如下的可逆途径计算:
步骤Ⅰ是等容变熵过程,d V=0,根据式(1)得:
步骤Ⅱ是等熵膨胀(或压缩)过程,d S=0,根据式(1)得:
根据状态函数法可知:
即:
显然,这就是公式(1)的本身。如果把焓函数、亥姆霍兹函数和吉布斯函数应用于不可逆过程,也会得到同样的结论。这一结果表明,组成不变的封闭系统进行简单的物理过程,即使这一过程不可逆,也可以直接使用热力学基本公式计算状态函数的变化量。这个结论的数学意义是:对于发生简单物理变化的封闭系统(组成不变)而言,热力学基本公式适用于不做非体积功的任意过程。
3 热力学基本公式在可逆相变中应用的理解
可逆相变在恒温恒压及两相平衡共存的条件下进行的相变,是一种理想状况,在实际的过程中并不存在。一般把非常接近于平衡相变的相变过程就视为可逆相变。可逆相变尽管不是简单的物理变化。在可逆相变过程中各相的组成和量,从微观角度看始终是变化的,但是从宏观看各相的组成和量却不发生变化,整个系统就相当于组成不变的封闭系统,加之变化过程可逆,所以热力学基本公式也适用于可逆相变的变化过程。
4 热力学基本公式在化学平衡中应用的理解
在一定条件下,化学反应体系达到正反两个方向的反应速率相等时的动态平衡状态就叫化学平衡。不同的体系达平衡所需的时间各不相同,但系统达到化学平衡后共同的特点是:
①宏观性质不再随时间变化,表现为静态,而实际上是动态平衡,正、逆反应速率相等进行;
②产物和反应物的数量之间具有一定的关系,只要外界条件改变,平衡状态就发生变化。
由此可见,当化学反应体系达到平衡时,反应体系中个化学物质的浓度不随时间变化,也即组成不变且可逆。再者,热力学上研究的化学反应体系是一个封闭体系。这也就是说化学平衡在热力学上是一个组成不变的封闭系统,而且过程可逆,因此可用热力学基本公式研究化学平衡问题。
5 结语
根据热力学基本公式的推导过程可知,热力学基本公式的的应用条件是组成不变的封闭体系在不做非体积功的情况下进行的可逆过程。对于组成不变的封闭体系的不可逆过程,由于热力学基本公式涉及的变量都是状态函数,因此热力学基本公式也是适用的。对于可逆相变和化学平衡,因为二者相当于组成不变的封闭系统的可逆过程,所以可用热力学基本公式研究可逆相变和化学平衡问题。
参考文献
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动力学条件 篇10
近年来, 国内外学者对生物质燃料以及煤焦的富氧燃烧进行了较多研究:罗思义[3]等研究发现富氧条件下随着氧气体积分数增加, 生物质燃料的着火温度、燃尽温度等燃烧特征参数均降低, 可燃性增强, 同时燃烧特性指数变大;唐强等[4]对O2/N2和O2/CO2条件下的煤粉燃烧特性研究发现CO2代替N2后煤粉着火温度和燃尽温度均提高, 燃烧时间延长, 综合燃烧特性指数下降, 此结论与Li等[5]利用DTG-TGA对煤粉燃烧的研究结果一致。毛玉如、牛胜利等通过TG实验发现在同样体积比下的O2/CO2气氛与O2/N2气氛中煤焦的失重曲线基本上重合[6,7], Kim等[8]利用一个层流的EFR系统研究两种亚烟煤焦的燃烧特性发现富氧条件下的火焰长度比空气下的短5%-10%, 说明煤焦的燃烧特性在富氧条件下要优于O2/N2气氛下, 此研究结果与Murphy等[9]在一个EFR中研究富氧条件下煤焦的燃烧动力学特性所得的结论存在差异。
由上可见, 现阶段有关富氧燃烧技术的研究主要集中在生物质燃料、煤粉以及煤焦领域, 且对于煤焦的富氧燃烧动力学特性还存在争议。由于生物质焦特性与煤焦差异较大, 很有必要对富氧条件下生物质焦炭的动力学特性进行研究, 以有助于解释生物质焦的反应影响因素。本文采用动力学分析方法, 利用TG研究不同种类生物质焦炭和煤焦在不同富氧气氛下的燃烧特性, 同时对生物质焦炭燃烧的动力学进行分析, 并对比富氧条件下的生物质焦和煤焦的动力学特性。
1 实验分析及方法
1.1 燃料及焦炭特性
试验选取麦秆、木屑、烟煤作为燃料, 原料的元素分析和工业分析如表1所示。试验时将试样粉碎研磨, 生物质粒度小于90目, 烟煤粒度小于180目。热重实验所采用的焦样均在800℃下制成, 采用程序升温法制焦, 升温速率为20℃/min, 采用流量为0.5 L/min的氩气作为保护气。
1.2 TGA仪器及分析方法
热重分析仪采用德国Netzsch公司生产的STA409型热重分析仪;试验采用的升温方式为线性升温, 采用的升温速率为25℃/min;试验气氛按照工况设计设定:分别为O2/N2, O2/CO2气氛, O2浓度百分比变化范围为10%, 20%, 40%, 80%。为保证热重分析仪内气氛达到试验要求, 每次试验进行前, 用所设定工况的气氛吹扫30 min, 试验所采用的气体均为高纯气体 (99.999%) 。着火温度, 燃尽温度, 峰值温度是表征燃烧特性的重要的特征温度, 本文采用TG-DTG传统方法来确定着火温度和燃尽温度[10,11]。燃烧特性指数S[12]是反映燃料的着火和燃烧的综合性指标, S值越大, 表明燃料的燃烧特性越佳, 其定义式为
式中Ti———着火温度/℃;
Th———燃尽温度/℃;
(dw/dt) max———最大燃烧速度/mg·min-1;
(dw/dt) mean———平均燃烧速度/mg·min-1。
2 结果与讨论
2.1 燃料种类的影响
在O2/N2和O2/CO2气氛下, 三种燃料焦样燃烧的TG-DTG特性曲线如图1所示:在4种气氛下, 麦秆焦的TG-DTG失重曲线相对于木屑焦和煤焦显著提前, 靠近较低的温度区间;而在图1 (a) 和 (c) 对应较低的O2浓度0.1时, 木屑焦的TG-DTG失重曲线比煤焦更靠前, 但在图1 (b) 和 (d) 对应较高的O2浓度0.8时, 木屑焦的失重曲线则显著滞后于煤焦;其意味着提高O2浓度对烟煤焦着火特性的改善程度高于木屑焦。
2.2 O2/N2气氛和O2/CO2气氛的影响
相同O2浓度下, O2/N2和O2/CO2气氛对三种燃料焦样的TG-DTG特性曲线的影响如图2所示, 试验工况的结果表明:不论是生物质焦还是煤焦, 在相同的O2浓度下, O2/CO2气氛下焦样的着火均相对于O2/N2气氛发生了延迟。这与唐强等[4]对煤焦的研究结果一致。Murphy等[9]认为CO2取代N2后, 焦着火和燃烧的滞后主要是由于O2在CO2气氛中扩散传质能力低于其在N2气氛中的扩散传质能力导致。同时Rodriguez等[13]还指出焦炭与CO2的气化过程是一个显著的吸热过程, 因此在高浓度的CO2气氛下, 气化反应会使得燃烧过程中焦颗粒表面的实际温度显著低于O2/N2燃烧环境下的颗粒表面温度, 从而在动力学控制反应区内降低了焦颗粒的燃烧速率。
2.3 O2浓度的影响
在O2/N2和O2/CO2气氛下, 改变O2浓度对三种燃料的焦样燃烧TG-DTG特性曲线的影响如图3, 图4, 图5所示。随着O2浓度的升高, TG-DTG曲线均不断向低温区移动。同时值得注意的是, 三种燃料焦样的TG曲线均在某O2浓度以上才开始出现明显的分段现象:当氧气浓度较低 (<0.2) 时, 三种焦样的整个TG曲线均较为平缓, 燃烧处于比较缓慢的氧化过程;但当氧气浓度较高 (>0.4) 时, 焦样在经历了一个较短的缓慢氧化过程后, 开始出现剧烈的失重阶段, 由DTG曲线也可以看出随着O2浓度的升高, DTG峰值显著增大;两种生物质焦当氧气浓度升高到0.4后就已经开始出现剧烈的失重, 而煤焦则到氧气浓度为0.8后才较为明显。
三种燃料焦样的着火温度及燃烧特性指数在O2/N2和O2/CO2气氛下随O2浓度的变化曲线如图6所示。根据图6可进一步看出, 随着O2浓度的增大, 三种焦样在O2/N2和O2/CO2气氛下的着火温度单调降低, 对应的燃烧特性指数则呈指数关系迅速增大, 说明O2浓度的升高显著的改善了焦碳的着火和燃烧特性。麦秆和木屑两种生物质焦的燃烧特性指数均显著高于烟煤焦, 尽管较高氧气浓度下 (>0.4) 麦秆焦的燃烧特性指数显著高于木屑焦, 但对较低氧气浓度下二者进行比较可见, 在较低氧气浓度下 (<0.2) 两种生物质焦的燃烧特性指数的差异并不显著。
3 结论
用热重研究了麦秆焦, 木屑焦以及烟煤焦在富氧气条件下的燃烧特性, 得到了富氧条件下生物质焦和煤焦的燃烧动力学特性规律, 主要得到以下结论:
(1) 无论是生物质焦还是煤焦, 相同的O2浓度下, O2/CO2气氛下焦样的着火相对于O2/N2气氛均发生了延迟, 燃烧特性指数也均低于O2/N2气氛下对应值;在O2/CO2气氛和O2/N2气氛下, 随着O2浓度的增加, 焦样的着火温度均降低, 燃烧特性指数增大, 且提高O2浓度对煤焦着火的改善程度显著优于木屑焦。
动力学条件 篇11
油气二次运移是指油气由烃源岩层进入运载层后的一切运移[1]。二次运移联接了从源岩到圈闭的成藏过程, 对油气高效成藏具有重要意义。
浮力是二次运移的主要动力, 其它作用力如水动力、毛细管力、地下热动力、构造动力等可以叠加到浮力之上[2]。孔隙、断裂、裂缝是二次运移过程的主要通道, 通道喉道半径的差异反映了物性的好坏, 并影响到油气运移效率。
油气二次运移的运移效率包括运移的距离、运移的速度和运移路径变化三个方面[3], 决定了最后能否形成高丰度的油气聚集。在动力充足的情况下, 较差输导层也能成为通道, 运移速度快, 距离远, 输导路径短而直接, 运移效率高, 容易形成高丰度的聚集[4], 如克拉2气田的储量丰度达到59.05×108m 3/km 2。在动力不足的情况下, 只有那些高孔高渗的输导通道才能成为运移通道, 输导路径曲折, 运移速度缓慢, 油气分散, 只能形成低丰度的聚集例如苏里格气田的储量丰度仅1.31×108m 3/km 2。
鄂尔多斯盆地一直被认为是中国乃至东亚最稳定的构造单元之一[5], 盆地整体抬升、斜坡宽缓、背斜微弱、地层水平和接触整合, 都显示出盆地经历的构造运动非常微弱。盆地内部被河流切割冲刷出露的近乎水平的、未变质的、未有明显断裂发育的中生界河湖相地层是其最为典型的标志。这样一个稳定的、弱构造活动的特点, 决定了其内部油气运移动力微弱。
以鄂尔多斯盆地苏里格气田为例, 结合具体地质条件, 建立物理模拟实验模型, 分析了低输导动力情况下油气运移的特点和影响因素, 并用侵入渗流数值方法作了进一步的模拟分析。
1鄂尔多斯盆地苏里格气田区域地质概况
苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北侧, 构造形态为一宽缓西倾的单斜, 在单斜上发育多排北东向低缓鼻状隆起, 鼻隆幅度在 (10—20) m左右, 南北宽 (5—15) km, 东西长 (10—20) km。勘探证实本区低缓的鼻隆构造对天然气聚集不起控制作用, 区内断层不发育, 多为断距小于15m的正断层, 逆断层较为少见。
本区晚古生代地层主要由上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组、中二叠统下石盒子组、上石盒子组至上二叠统石千峰组组成, 经历了泻湖、障壁岛、潮坪和三角洲的陆表海盆, 到以发育河流-湖泊三角洲为主的内陆湖盆沉积的演变历史。
钻井资料分析表明, 苏里格地区主力气层主要位于山西组山1段和下石盒子组底部的盒8段砂层中[6]。其中盒8段厚度约 (80～100) m, 为苏里格气田主力产层, 有多口井在该层位钻获高产气流。受沉积相变化影响, 纵向上气层分布不连续, 常被致密夹层分割。即使在连续的气层内部, 其物性在纵向上仍存在较强的非均质性变化。主力气层的岩性主要为中粗粒石英砂岩, 储集空间以粒间溶孔为主, 还发育有少量原始粒间孔、晶间孔[7]。平均孔隙度 (10～12) %, 最高为21.2%;平均渗透率 (0.5～9) ×10-3μm 2, 最高为62.74×10-3μm 2;排驱压力为 (0.179～1.981) MPa, 平均为0.86MPa;最大连通孔喉半径为 (0.379～4.186) μm, 平均为1.170μm, 一般小于2μm。苏里格气田是盆地迄今为止发现的上古生界储层最好的地区之一。
据前人研究成果[8], 上古生界储层能引起天然气运移需要的最小连续气柱高度在22.07m～67.36m。苏里格气田盒8段储层最大地层倾角约为2°, 产生上述气柱高度需水平距离 (632—1 928) m。克拉2构造 (陡翼倾角27°) 产生上述气柱所需的水平距离为 (43—132) m。显然, 苏里格气田浮力驱动力明显微弱。
2阻流层对油气运移影响的物理模拟实验
2.1物理模拟实验目的和方法
随着各种类型油气田的勘探开发, 学者逐渐认识到储层与盖层之间没有绝对的界限, 具有一定渗透性的岩石, 在运移动力强的时候可以作为储层, 在运移动力弱情况下只能成为流体运移的阻挡层。与盖层相比此类岩层可称为阻流层。通过物理模拟实验, 分析低输导动力条件下油气运移路径的特征, 考察阻流层对油气运移的影响。模拟实验采用常温压下的二维可视模型。模型主体为44×32×6cm 3透明有机玻璃箱 (见图1) 。箱内采用两层石英砂填充, 上层为低目数 ( (20-40) 目) 水湿石英砂层, 模拟阻流层, 下层采用高目数 ( (50-100) ) 目) 水湿石英砂层模拟输导层。
按照国内外常见作法[9,10], 采用原油与煤油的黑色混合物代替天然气作为注入烃流体, 密度为0.714 g/cm3。在实验箱底部埋设胶管, 胶管中心处开注入孔, 胶管与外部滴管相连, 可以缓慢匀速注入流体。
2.2物理模拟实验现象分析
物理实验结果表明, 油在砂体中运移的流态表现为由枝状→网状→渠道流转变的趋势。油优先通过高渗透性的孔喉运移, 并形成树枝状的油气分布 (图2 (a) , 图2 (b) ) 。随油的进一步充注, 运移动力逐渐增大, 促使石油向较小的孔隙充注并把孔隙水排出, 使枝状流态向网络状转变 (图2 (c) , 图2 (d) ) 。随着油进入的数量与分布范围增大, 运移动力进一步增大, 石油向更小的孔隙充注, 石油运移由网络状向渠道流转变 (图2 (e) , 图2 (f) ) 。随着含油饱和度的变化, 流动渠道路径的几何形态也发生相应变化。
油在运移过程中, 常见在静止了一段时间后, 突然向前运移一段距离 ( (1～2) cm) , 然后再停住不动, 随后又很快呈脉冲式向前推进一段距离, 如此反复进行, 总体表现为跳跃式运移的特点, 出现所谓的Haines跳跃现象[11]。
由于存在阻流层, 当油运移至上、下两层的分界面处时, 前锋油停止向上运移, 转为向两侧水平运移, 在阻流层之下形成一个油层分界面。含油饱和度在界面以下不断增加。因为此时油柱高度所产生的浮力还不足以克服上部砂层的毛管压力, 故仍不能穿过界面进入上层。当油源源不断地从油源处供给时, 分界面处的油层不断加厚, 运移动力不断增大, 在某一时刻, 运移动力突破上部砂层的毛细管阻力而优先进入上部阻流层 (图2 (f) ) 。阻流层之下油聚集的厚度与物性之差有关, 物性差别越大, 则临时聚集带越厚。从模型设计的砂层物性来看, 上下均为石英砂层, 并无泥质盖层出现。阻流现象存在的时间与状态和运移动力有关, 如果动力加强, 则阻流层就会很快被突破, 阻流层也就成为输导层。
产生以上实验结果的主要原因是运移动力和毛细管阻力的相互作用。在运移过程中非润湿性的油相首先选择阻力最小的部位, 并经历一段时间以积聚起足够的运移动力, 克服前锋部位的毛细管阻力, 一旦运移动力超过毛管阻力, 油将很快向前运移, 驱替更多的水, 从而导致排水量出现脉冲式变化。
由物性变化形成阻流层阻挡油气运移的现象可以在很多油田的开发过程中观察到, 在隔层的下面, 经常可以获得较高的产量。但是从油气输导过程而言, 过多的物性阻隔带将使烃类流体形成多处临时聚集, 从而影响运移效率, 成为油气高效成藏的不利因素。
3 侵入渗流模型模拟低输导动力条件下天然气运移效率
3.1侵入渗流模型原理及实现
侵入渗流理论起源于物理学中关于两相互不相溶流体驱替过程的模拟实验和数值模拟研究成果[12]。油气二次运移通常被作为一种侵入渗流过程, 侵入渗流 (Invasion Percolation) 模型被视为研究石油运移的最简单、最准确的方法[13]。
模型中把孔隙结构抽象成矩形的网状结构, 由两部分组成, 横线与竖线的交点 (结点) 和相邻结点的连线 (键) 。结点代表孔隙, 键代表喉道, 油气通过喉道进入孔隙。在二维网络的任一节点 (z, x) 处, 烃流体所受的力可以分为两类, 一类促使油气运移的动力, 即由于油气与水之间密度差产生的浮力, 一类是阻止油气向前运移的阻力, 即毛细管阻力, 如下式所示
式中ρw和ρo分别为水和油的密度;r为喉道半径, σ为界面张力;θ为润湿角, z0为初始油柱高度, z为网格某点的高度。
侵入渗流模型最初用于模拟孔隙尺度的驱替过程。在油藏模拟工作中, 通常用放大尺度或称粗化 (Up Scaling) 方法将微观模型扩展到大尺度模型中;在侵入渗流模型的研究中, 也有一些学者将侵入渗流模型扩展到大尺度[14,15]。这些工作发现, 在微观上侵入渗流过程包括非润湿相流体在饱含润湿流体的孔隙介质中运移的分形特征, 以及剩余油束的分布;在宏观尺度上, 侵入渗流的平均结果与多相达西方程获得的结果相一致。因此, 可以认为物理模拟实验与数值模拟二者在机制、运移路线、形态上具有可比性, 侵入渗流模型可以用来研究油气运移过程。
本次工作主要基于鄂尔多斯盆地苏里格大气田的地质数据进行数值模拟。侵入渗流模型需要确定的参数包括:地层水密度ρw, 气层中天然气的密度ρg, 气水界面张力σ, 输导层毛细管半径r等等。各参数均参考实际测试数据设定。
3.2天然气运移数值模拟结果及讨论
3.2.1 阻流层、运移动力与运移效率的关系
考虑到油气运移路径越直接, 路径越窄, 在运移途中的损失最少, 则运移的效率越高, 据此定义侵入渗流模型的运移效率为
为研究输导动力下与阻流层的相互作用, 设计了三组实验:第一组是在相同动力情况下, 由于阻流层物性的变化而引起的运移效率变化。第二组是在相同阻流层情况下, 输导动力变化对于运移效率的影响, 第三个实验模拟了多套阻流层存在时的运移形态。
模型基本参数:模型大小120×90, 输导层孔隙喉道0.001 mm, 正态分布方差0.000 5, 烃水密度差0.8 g/cm3。其余参数及统计数据见表1。模拟结果见图3。
比较实验1和实验2的情况, 二者之间的差别在于实验2模型的阻流层喉道半径 (0.6 μm) 比实验1阻流层喉道半径略小 (0.8 μm) , 正是这样的微小差别, 使得运移初期有更多的天然气被阻隔在阻流层之下, 从而影响了运移效率。
比较实验1和实验3的情况, 二者之间的差别在于实验3的浮力梯度 (键长) 要比实验1高。由于较高的浮力梯度, 天然气很容易突破阻流层阻隔, 从而提高输导效率。从实验3的运移路径图中可以看出在阻流层之下只有较少的气体被阻挡。由此看来, 阻流层 (较低孔渗砂层) 的作用是相对的。低动力情况下, 阻流层作用显著, 高动力情况下阻流层作用不明显或成为输导层。
实验4为设计的多阻流层情况。随着阻流层数的增加, 天然气在运移途中遇到的阻隔更多, 从而更大地降低了输导效率。
3.2.2 苏里格气田盒8气藏输导过程数值模拟
苏里格气田属于广覆式生烃模式[4], 源岩中生成的天然气由下向上, 通过各种通道 (连通砂体为主) 进入储层。运移过程中受到阻流层的影响, 在阻流层之下的相对好的储层之中形成天然气聚集。
设计数值模拟模型基本参数为:模型大小120×90, 储层孔隙喉道0.001 mm, 阻流层孔隙喉道0.000 8 mm, 正态分布方差0.000 5, 烃水密度差0.8 g/cm3。设计模型中天然气由整个底部向上进入储层, 模拟广覆式生烃过程。输导通道按苏里格气田的储层物性, 设为较好储层和致密储层两类。砂体分布为真实气藏剖面。
模拟过程表明 (图4) , 天然气由下部源岩层中生成后, 在浮力作用下, 由下向上运移 (图4 (a) —图4 (c) ) 。在充注过程中, 油气优先进入高渗储层最为明显, 高渗储层未注满时, 不会向低渗储层 (阻流层) 注入。在充注过程中, 如果一个高渗砂体已经充满, 并且没有与另一个高渗砂体相通的情况下, 天然气也会向阻流层中弥散。通过弥散过程, 一旦形成到达另一个高渗砂体的连通通道, 就会停止在阻流层中的运移, 转而集中进入高渗砂岩。
各砂体之间连通的形式不同, 充注的速度也不同。由高渗储层连通的砂体充注快而集中, 而由致密砂岩连接的储层充注过程则相对缓慢, 并且需要更大的动力。
由于苏里格气田运移动力较低, 储层物性较差, 非均质性强, 大量的阻流层对天然气运移起阻滞作用, 使天然气资源分散。这些特定的运移条件造就了现今高储量低丰度的大气田分布现状。根据物理模拟实验和数值模拟结果, 鄂尔多斯盆地天然气勘探应致力于寻找运移动力较高 (即构造坡度较大) 以及储层物性较好的地区, 有望在普遍低丰度的背景下寻找到相对高丰度的天然气藏。
4结论
(1) 物理模拟和数值模拟都显示出油气沿砂体孔隙运移过程受浮力、毛细管阻力及流体性质的影响, 其运移效率取决于运移动力和输导通道之间的相互关系。
(2) 阻流层影响程度的大小取决于运移动力的强弱以及主输导层与阻流层之间物性差异。运移动力越强, 阻流层影响越微弱, 运移动力越弱, 阻流层的影响越显著。
(3) 鄂尔多斯盆地虽然大面积生烃, 但其构造幅度较低, 储层非均质性高、物性较差, 这是造成鄂尔多斯盆地天然气运移效率低的原因。
摘要：浮力是油气运移的主要输导动力之一。孔隙空间是主要的输导通道。在输导动力低的情况下, 相对低渗透储层 (阻流层) 对油气运移效率的影响程度增大。结合鄂尔多斯盆地苏里格气田地质条件, 采用物理模拟和侵入渗流数值模拟, 研究了低输导动力条件下油气运移输导效率影响因素。认识到构造幅度较低时输导动力变弱, 储层非均质性高、物性较差容易形成阻流层, 阻流层分散天然气资源, 成为影响输导能力的瓶颈。提出苏里格气田生烃面积虽大, 但运移效率低是天然气储量大但资源丰度低的主要原因。