第一篇：地下水?dāng)?shù)值模擬研究進展和發(fā)展趨勢

地下水?dāng)?shù)值模擬研究進展與發(fā)展趨勢

摘要：地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進展國外對地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對成熟，目前已經(jīng)從“水量問題”的應(yīng)用研究逐步過渡到“水質(zhì)問題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問題。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機制研究、地下水資源預(yù)報評價等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬、進展、發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)有效的數(shù)值計算方法在處理地下水污染、分析地下水資源評估等問題中的應(yīng)用越來越廣泛;利用數(shù)值模擬軟件對地下水流等問題進行模擬，以其有效性、靈活性和相對廉價性逐漸成為地下水研究領(lǐng)域的一種不可缺少的重要方法［1］。尤其針對加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題，建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型進行預(yù)測是查明污染物污染潛水范圍、程度及其分布特征最有效最直觀的方法之一，同時還可以為污染區(qū)實施污染防治與修復(fù)等優(yōu)化配置提供科學(xué)技術(shù)支持［2］。

地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進展國外對地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對成熟，目前已經(jīng)從“水量問題”的應(yīng)用研究逐步過渡到“水質(zhì)問題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問題。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機制研究、地下水資源預(yù)報評價等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果［4］。

近幾十年來，隨著地下水科學(xué)和計算機科學(xué)的發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬也得到了快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：加拿大Borden基地、美國Cape Cod基地與Columbus基地開展的大型野外試驗場研究，大大豐富了地下水溶質(zhì)運移的理論和方法，取得不少新的認識，并為發(fā)展和檢驗溶質(zhì)運移理論和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型提供了大量數(shù)據(jù)（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；隨機方法在非均質(zhì)介質(zhì)滲流和溶質(zhì)運移的模擬中得到比較多的應(yīng)用，從而加深、甚至改變了人們對此類介質(zhì)中流體運動和溶質(zhì)運移的認識（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通過多孔介質(zhì)中水流運動、溶質(zhì)運移和化學(xué)反應(yīng)，甚至生物過程的耦合建立模型來集成地研究這些過程也取得很多進展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，計算方法也取得不少進展，但溶質(zhì)運移模擬中數(shù)值彌散和振蕩問題的解決和地下水模擬逆問題的求解進展比較緩慢（Sun and Yeh，2007）。

由于種種原因，國內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模擬開展得比較晚，始于20世紀70年代初，當(dāng)時文化大革命還沒有結(jié)束，所以從事這項工作困難重重，而且人也不多，主要來自高等學(xué)校和研究部門，以后才逐步擴展到產(chǎn)業(yè)部門。為了加快我國地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展，深切感到有必要

開展相互交流。于是利用一次在水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所開會的機會，在張宗祜所長的支持下，以肖樹鐵教授為首的幾個人（肖樹鐵、張蔚榛、薛禹群等）進行了醞釀，考慮到當(dāng)時文化大革命結(jié)束不久，還是不成立什么組織為好，不定期在一起碰個頭，達到交流的目的就行了。參加人不要太多，也不叫誰負責(zé)。商定邀請參加的人有：肖樹鐵、謝春紅、孫訥正、陳明佑、楊天行、張蔚榛、薛禹群、張宏仁、崔光中、李文淵、陳雨蓀、許涓銘、劉金山等（少數(shù)被邀請人沒有來，未列入名單的來了），水文所當(dāng)時不好定人員名單，決定每次請張宗祜所長指定。每年輪流在一個成員所在地或由他選定的地方開交流會，交流國內(nèi)外最新研究內(nèi)容和進展、以及個人最近研究的心得體會或成果。交流活動按此原則進行之后，效果很好，也得到各方面人士的支持、肯定，有人稱之為“神仙會”。進入80年代中期后，各類學(xué)會逐 漸恢復(fù)活動，這種最初的交流活動形式也就完成了它的歷史使命，在清華大學(xué)數(shù)學(xué)系舉行最后一次學(xué)術(shù)交流后就停止了?，F(xiàn)在回想起來，成員有數(shù)學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家、水動力學(xué)家的這些活動具有鮮明的學(xué)科交叉特點，數(shù)學(xué)家對我國早期地下水模擬的開展起了很好的幫扶、促進作用，可以少走彎路，加快它的健康發(fā)展，對國內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)不正確的苗頭也通過交流取得共識。我國地下水模擬所以能夠很快趕上國際先進水平，筆者認為和這個“神仙會”在早期為它奠定良好且正確的基礎(chǔ)是密不可分的。

二、三十年過去了，當(dāng)年的參加者都已進入古稀之年，個別已作古，不少記憶已經(jīng)模糊，這段歷史寫在這兒或許有益，也可供后人評述。目前我國地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個領(lǐng)域，各類模型的研制能夠滿足國民經(jīng)濟建設(shè)的需要，國際上出現(xiàn)的各類模型在中國基本上都有了，如各類常系數(shù)、變系數(shù)水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林學(xué)鈺等，1985；薛禹群等，1997）、海水入侵模型（Xue et al，1995）、高濃度（>100～200 g/L）咸/鹵水入侵模型（張永祥，1997；張勇等，1999）、地下水中某些組分運移行為的模型（如海水入侵條件下，交換陽離子運移行為模型）（Wu et al，1996）、大區(qū)域地面沉降模型（面積超過17 000 km2）（薛禹群等，2008）、地下水中熱量運移和含水層貯能模型（Xue et al，1990）、地下水資源管理模型（吳劍鋒等，1999）和井渠合理布局模型（李恩羊，1982；張慧春，1989）、各類壩體滲漏模型（毛昶熙，1999）、渠道滲漏模型、地下水-地表水聯(lián)合評價調(diào)度模型等等。運移和化學(xué)反應(yīng)耦合模型以及其他一些耦合模型也有人著手考慮了。上述模型中有些水平比較高，和國際高水平模型基本上處于同一水平。它們涉及的地質(zhì)條件多種多樣，有潛水，也有承壓水，有單個含水層，也有多個含水層存在越流的情況，以及種種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖相變化等。它們有二維的，也有三維的和準(zhǔn)三維的。國外各類數(shù)值方法國內(nèi)均有應(yīng)用，少數(shù)數(shù)值方法還是將國外數(shù)學(xué)家的構(gòu)思加以完善后直接應(yīng)用于地下水模擬的（Ye et al，2004）、或由中國學(xué)者直接構(gòu)思完成的，因而遠早于國外水文地質(zhì)學(xué)者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。隨機水文地質(zhì)的研究雖然起步較晚，但從無到有，成果比較突出，基本能跟上國外同類研究的步伐。但一般只是跟蹤性研究，僅在個別領(lǐng)域接近國際前沿［3］。

如何考慮在下個十年應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域是值得我們思考的，很多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很好的建議（中國地下水科學(xué)戰(zhàn)略研究小組，2009；中國科學(xué)院地學(xué)部地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究組，2008），筆者只是在這兒做些補充或拾遺補漏。要討論這個問題，首先要確定如何來遴選，原則是什么。遴選優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域時先要考慮我國地下水科學(xué)的戰(zhàn)略定位是什么。我想應(yīng)該是：在21世紀的整個地學(xué)發(fā)展中有所作為，為國家的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支持；取得地下水研究重大突破為目標(biāo)，做出與中國作為世界大國身份相稱的貢獻；為保證國家社會、經(jīng)濟發(fā)展安全供水，提供一定的資源量，實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。同時，還要關(guān)注和參與當(dāng)前國際水文地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的前沿科學(xué)問題。這是我們的定位，也是我們的展望。遴選時既要著眼于我國地下水科學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題，又要考慮當(dāng)前國際前沿科學(xué)問題。當(dāng)前水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題主要有：（1）地下水環(huán)境的演化和發(fā)展趨勢；

（2）地下水循環(huán)和地下水資源的可持續(xù)利用；（3）人類活動與地下水環(huán)境。1 期薛禹群：

中國地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望5水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題找到后，解決其中涉及的地下水模擬問題就是我們需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域。其次，需要關(guān)注的就是當(dāng)前國際前沿科學(xué)問題。綜合上述情況，可以遴選出需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域如下。

1）區(qū)域尺度不同地域單元地下水循環(huán)過程及其演化趨勢的數(shù)值模擬

查明區(qū)域尺度地下水循環(huán)過程及其演化趨勢，在此基礎(chǔ)上開展整個盆地大尺度水流和溶質(zhì)運移過程的模擬，才有可能正確評估地下水的補給量，合理確定開采量，為整個盆地地下水資源的可持續(xù)利用奠定堅實基礎(chǔ)。

2）地下水污染的形成機理，各類污染物（包括微生物、無機、有機）在地下水中的運移行為的模擬

地下水污染問題日益嚴重，查明各類污染物在地下水中運移行為、有機污染物的生物降解過程、金屬污染物及放射性核素的生物修復(fù)過程，并在此基礎(chǔ)上賞試通過模擬來再現(xiàn)這些過程，以便找出更有效的修復(fù)技術(shù)。

3）水文地質(zhì)參數(shù)非平穩(wěn)場的時空變異性和尺度效應(yīng)

這是當(dāng)前國際前沿研究課題，我國還很薄弱，加速這方面的研究不僅是實際需要，也有助于我們追趕國際先進水平。

4）含水層非均質(zhì)性對地下水流動和污染物運移的影響，隨機理論的研究和應(yīng)用這也是當(dāng)前國際前沿研究課題，我國也很薄弱，加速這方面的研究是必要的。

5）地下水開發(fā)利用所引起的各類環(huán)境問題（地面沉降、地裂縫、海水入侵等）的模擬和預(yù)測

我國幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，現(xiàn)有模型遠不能滿足各地生產(chǎn)實際的需要，何況有些模型，如地裂縫模型、反映生態(tài)平衡破壞的模型在我國還屬空白。指望依靠國外商用軟件來解決所有這些問題是要失望的。因此，從各地實際情況出發(fā)，研究符合中國國情的各類模型是當(dāng)務(wù)之急，以便為預(yù)測和調(diào)控提供技術(shù)支撐。

6）地下水可持續(xù)利用、科學(xué)管理與決策模型

過量開采和不合理開采地下水已給我國地下水造成一系列復(fù)雜的環(huán)境問題和生態(tài)平衡破壞，為保證地下水的長期、穩(wěn)定的可持續(xù)供給以滿足日益增長的國民經(jīng)濟發(fā)展需求已成為非常緊迫的問題，為此盆地尺度地下水資源的可持續(xù)性科學(xué)管理和決策模型的研究將成為重要的研究方向。

7）隨著石油制品的滲漏，引起人們關(guān)注的非飽和帶多相流問題和介質(zhì)非均質(zhì)性非飽和帶中的水流和溶質(zhì)運移過程直接影響與它相通的飽和帶中的水流和溶質(zhì)運移過程；人類活動則通過非飽和帶間接影響地下水系統(tǒng)；反過來，地下水對地表水和生態(tài)系統(tǒng)的影響又要通過非飽和帶傳遞，因而，非飽和帶成為研究地下水必須關(guān)注的領(lǐng)域。

8）地下水模擬中逆問題的研究

由于含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜、尺度多種多樣，因而給解地下水模擬的逆問題帶來很多困難，甚至成為建立和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的瓶頸，需要對模型結(jié)構(gòu)的確定、尺度選擇、參數(shù)識別、可靠性分析等問題加強研究，盡快取得突破。

為了中國地下水模擬領(lǐng)域的發(fā)展，迎頭趕上國際前進的步伐，有必要積極組織開展以上各方面的研究。很好完成這些項目以后，相信我國的地下水模擬事業(yè)必然會更上一層樓，到達一個新的水平，有可能普遍接近，而在一些領(lǐng)域則達到國際先進水平，做出與中國國際地位相應(yīng)的貢獻［3］。

參考文獻

［1］李思達, 林曼利, 孫瑞.Fellow 在任樓井田第四含水層水流場模擬中的應(yīng)用[J].工程與建設(shè), 2012, 26(1): 21-23.［2］趙慶輝, 王興潤, 張增強.地下水六價鉻運移的仿真及場地修復(fù)限值探討[J].環(huán)境工程, 2011, 29(2): 16-19.［3］薛禹群.中國地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望[J].高校地質(zhì)學(xué)報, 2010(1): 1-6.［4］孫從軍, 韓振波, 趙振, 等.地下水?dāng)?shù)值模擬的研究與應(yīng)用進展[J].環(huán)境工程, 2013, 31(005): 9-13.［5］Winter T C.Numerical simulation of steady state three‐dimensional groundwater flow near lakes[J].Water Resources Research, 1978, 14(2): 245-254.

第二篇：地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

郝治福，康紹忠

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心)

目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世紀60年代中期以來，隨著快速大容量電子計算機的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，數(shù)值計算方法在地下水資源分析評價中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬取得了長足進步。

一、國外地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

目前，國外該領(lǐng)域的研究主要針對數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊因素。

1、該領(lǐng)域科學(xué)家在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的工作程序、步驟方面達成了一致，強調(diào)對水文地質(zhì)條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉(zhuǎn)換問題和量化不確定因素問題。

根據(jù)Anderson等提出的工作程序，要建立一個正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進行以下工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗證和預(yù)報，預(yù)報靈敏度分析，模型設(shè)計與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計。Ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強調(diào)3個方面的問題：①有效地模擬復(fù)雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； ②必須發(fā)展準(zhǔn)確的離散技術(shù)，保留模型重要的物理特性；③發(fā)揮計算機技術(shù)體系的潛力，提供有效的數(shù)值求解算法。針對Newman等的推測，Wood提出了二維地下水運動有限元計算的時間步長條件。Kim等對抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，闡述了其機理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運移行為。Ghassemi指出三維模型可以詳細說明含水層系統(tǒng)的三維邊界條件以及抽水應(yīng)力情況，而二維模型就不能恰當(dāng)處理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的數(shù)據(jù)及模型的不確定性，可以用于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)整合和模型校準(zhǔn)。Mazzia等提出特別的數(shù)值方法用于求解重鹽地下水運移模擬的二維非線性動力學(xué)控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報的不確定性因素問題，并開創(chuàng)性地提出一種隨機地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題。Mehl等提出二維局部網(wǎng)格細分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯誤分析的方法。模擬結(jié)果的可靠性得到了提高。

2、國外開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交

互性、求解方法多樣化等特點得到廣泛的使用，尤其MODFLOW，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計，MODFLOW幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件總應(yīng)用次數(shù)的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水模型的整合強化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。遙感(RS)提供了判斷地質(zhì)邊界、地貌單元和估算地表蒸發(fā)等的工具。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更擴展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實際問題。

Juan等運用ARC/INFO和MODFLOW模擬了美國Jackson Hole地區(qū)的沖積含水層，并通過補給、排泄和水均衡的評估對模型進行了合理的校準(zhǔn)。Winston專門介紹了許多MODFLOW相關(guān)的免費和共享的網(wǎng)絡(luò)資源，為人們學(xué)習(xí)和應(yīng)用該軟件提供了方便。Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW與基于解析元法的MLAEM模型都各有優(yōu)勢，MODFLOW的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于實現(xiàn)與GIS的整合。Harrington等運用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模擬區(qū)域地下水系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素變化情況，并強調(diào)了做細致準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)流分析對于瞬時流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存儲鉆孔資料，設(shè)計GIS管理空間數(shù)據(jù)資料，有很好的推廣價值。Ataie-Ashtiani 等運用基于有限元的二維數(shù)值模型SUTRA模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對基本方程和模型進行相應(yīng)的修改，得到了很好的模擬結(jié)果。Wingle介紹了UNCERT模型，該模型可用于地下水流和污染物運移模擬，得到相關(guān)行業(yè)研究人員的一致認可并廣泛使用。Ramireddygari等通過對POTYLDR地表水模型與MODFLOW地下水模型的修改并增強，用于模擬WetWalnut Creek流域。Osman等使用改進的MODFLOW代碼和MOBFLOW模型，模擬得出地下水滲流和含水層情況，與用SWMS-2D所做結(jié)果吻合很好。Samani等指出軸對稱井流是地下水力學(xué)非常重要的課題，新出版的MODFLOW 2000加入了精確模擬軸對稱井流的標(biāo)定方法，提高了模擬的仿真性。Dahan等提出多變量混和單元模型描述水化學(xué)過程，MODFLOW模擬水文地質(zhì)情況，兩種方法的結(jié)合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學(xué)特征的地下水流線。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于MODFLOW的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用GIS來控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評估作物水分消耗值在時間和空間上的分布情況。

研究人員廣泛應(yīng)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件和3S技術(shù)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，使功能不斷加強，并通過與其他模型耦合發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

二、國內(nèi)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

1、近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國該領(lǐng)域科學(xué)家也做了大量的工作，在建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型中發(fā)現(xiàn)問題，在理論和方法上不斷創(chuàng)新，通過數(shù)值模型理論與相關(guān)研究方向的理論結(jié)合，不斷提高模擬結(jié)果的可靠性。

陳家軍等指出在進行區(qū)域地下水位估值時線性漂移的泛克立格法即可取得很好的效

果。卞錦宇等較好地解決了相對隔水層缺失區(qū)越流系數(shù)無法調(diào)試的問題。王瑋提出了用人工查點法、半自動查點法、數(shù)字化地形圖提取法等獲取數(shù)字高程模型(DEM)的方法，并給出了通過數(shù)字高程模型計算節(jié)點地面標(biāo)高的方法。盧文喜對地下水運動數(shù)值模擬中的邊界條件進行了分析，提出在模型預(yù)報前要考慮自然因素、人類活動因素及鄰區(qū)水流條件因素產(chǎn)生的耦合效應(yīng)問題，先對邊界條件進行預(yù)報。武強等通過對地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結(jié)構(gòu)，并提出了基于屬性關(guān)系的宏觀拓撲結(jié)構(gòu)和基于同構(gòu)或異構(gòu)幾何模型關(guān)系的微觀拓撲結(jié)構(gòu)，用三維空間拾取技術(shù)提供了友好的人機交互環(huán)境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補給法”和“參數(shù)迭代法”提高了模型的仿真性及對地下水資源評價的精度。張祥偉等根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計、逆問題理論和地下水運動理論提出了大區(qū)域地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩(wěn)隨機的假定不能真實反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩(wěn)性間的相互作用。薛禹群等介紹了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應(yīng)用于非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的流動問題，通過計算結(jié)果的比較得出多尺度有限元法比傳統(tǒng)有限元法有效的結(jié)論。魏連偉等基于模擬退火算法(SA)這一全局優(yōu)化技術(shù)，耦合地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的有限元模型，給出水文地質(zhì)參數(shù)的反演方法。綜上所述，針對數(shù)值模擬過程中需要處理的地面標(biāo)高、初始水位、邊界條件、源匯項和水文地質(zhì)參數(shù)等問題，可采取數(shù)字高程模型(DEM)及各種耦合模型，結(jié)合地球動力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計、逆問題理論和三維空間拾取技術(shù)等來提高模擬效果。

2、國內(nèi)在運用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以及地理信息系統(tǒng)的強大功能，并結(jié)合相鄰學(xué)科的模型方面，也做了積極的探索。

陳鎖忠等以GIS為主控模塊，選擇GMS和地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)進行集成分析和設(shè)計。陳勁松等分析了MODFLOW中不同求解方法對精度的影響，選用PCG2法或SIP法求解結(jié)果滿足精度要求，而選用SSOR法獲得結(jié)果無法滿足精度要求。高佩玲等采用系統(tǒng)分解合成方法，利用Develop Studio軟件編制計算程序，得到了區(qū)域地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)分布與水文地質(zhì)勘察所得含水層結(jié)構(gòu)特點及富水區(qū)分布基本相符。楊旭等提出了基于GIS 的“點”、“線”、“面”的模型擬合技術(shù)路線，實現(xiàn)了基于GIS的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實現(xiàn)的技術(shù)路線，提出了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層不規(guī)則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實用價值。陳喜等揭示了獨特沙丘地形和土壤特性對地下水補排量的影響，利用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型MODFLOW和非飽和帶水平衡模型對處于半干旱半濕潤沙丘地區(qū)(SandHills)的地下水位進行了模擬，效果很好。羅毅通過對國際上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水動力學(xué)模型的融合、集成和功能擴展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進了地下水接受土壤水補給的計算和淺層地下水蒸發(fā)的計算。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以其組件化、智能化、可視化和多樣化受到普遍歡迎，GIS與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的整

合具有整體化、自動化、可視化和實時性的優(yōu)點，相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更使其有了廣泛的發(fā)展空間，目前國內(nèi)外對具體問題的處理方法具有很好的參考應(yīng)用價值，大量的研究強化了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢。

三、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中存在的問題

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究有了長足的進步，但由于實際水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，野外試驗數(shù)據(jù)的缺乏，模擬技術(shù)的不合理運用，多學(xué)科交叉存在的難度等，發(fā)展中還存在一些問題：

1、各學(xué)科之間難以溝通，側(cè)重的時間或空間尺度存在較大差異，地下水、地表狀況、土壤、植被、氣候變量和土地利用等都存在時空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。

該領(lǐng)域研究工作的深入越來越依賴于綜合集成和跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮互補作用，可以解決各學(xué)科不同模型存在的一些缺陷，同時，該領(lǐng)域與其他學(xué)科合作建立的耦合模型有更好的實用價值，可以綜合解決流域管理中存在的復(fù)雜問題，如地下水與地表水模型的耦合，陸面過程模擬、分布式水文模型模擬、基于遙感的生態(tài)模型與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對模型的評價才更合理。同時需要指出，面對模型耦合的大問題，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的其他方法也發(fā)揮著不可替代的作用。

2、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的水文地質(zhì)參數(shù)可以通過參數(shù)優(yōu)化來調(diào)整，但參數(shù)調(diào)整的范圍缺少準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。

模型通過參數(shù)調(diào)整與實測值擬合較好，但應(yīng)用到其他區(qū)域或年份時又會出現(xiàn)較大誤差，說明對基本物理過程的描述還不夠準(zhǔn)確。模型反演求參時，解的不唯一問題一直是水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的環(huán)節(jié)。模型中參數(shù)的不確定性將導(dǎo)致計算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結(jié)果的可靠性。如何加強參數(shù)的研究，提高地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的精度仍是亟待解決的問題。研究工作者僅僅通過模型參數(shù)調(diào)整提高參數(shù)精度是徒勞的，應(yīng)加強模型參數(shù)的野外原位測定方法的改進、空間變異分析和新數(shù)學(xué)方法的運用，一個地區(qū)、一個流域或一個水文地質(zhì)單元，應(yīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這個參數(shù)應(yīng)有一定的代表性，應(yīng)加強標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集的制備，這樣可以輕松地進行檢查、評價和修改。

3、隨著計算機的廣泛應(yīng)用，計算機軟件實現(xiàn)了對大量水文地質(zhì)學(xué)及地下水動力學(xué)問題的模擬，其計算能力遠遠超過人們獲取數(shù)值模型所需野外資料的能力，勘探技術(shù)水平需要提高。

在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中，對水文地質(zhì)條件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外試驗數(shù)據(jù)和資料，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層參數(shù)、各類均衡項隨時空變化的數(shù)據(jù)和資料，而這些資料的獲取是建立數(shù)值模型最困難的工作，需要耗費大量人力、財力和物力，同時國內(nèi)缺乏三維水頭和溶質(zhì)濃度等資料，因此三維數(shù)值模

擬的工作受到限制。長期持續(xù)的三維觀測數(shù)據(jù)的獲取及具有更高實際價值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應(yīng)用外國先進的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件的同時，要加快研發(fā)有我國自主產(chǎn)權(quán)的通用軟件。

4、根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問題，尤其是日益嚴重的西部環(huán)境和生態(tài)問題方面，急需該領(lǐng)域科學(xué)家深入研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動力學(xué)特征，提供決策依據(jù)。

重點研究荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運動規(guī)律，特別是淺層地下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，為荒漠、巖溶地區(qū)淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質(zhì)單元(尤其是干旱區(qū)和巖溶山區(qū))地下水流系統(tǒng)具有什么樣的特征? 地下深層水循環(huán)與淺層水循環(huán)之間的關(guān)系是什么? 淺層地下水開發(fā)對地表生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生什么影響？如何運用地下水溶質(zhì)運移模型分析邊界條件的變化、水化學(xué)作用和地球化學(xué)環(huán)境的演變情況? 如何從數(shù)值法的角度評價并預(yù)測地下水的水質(zhì)? 量化氣候、土地利用和人類活動對地下水有何影響? 如何實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用? 對這些問題的回答具有重要的理論和實際意義。同時，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬是依據(jù)對地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的數(shù)值離散解法，并不能代表整個地下水系統(tǒng)研究，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法本身也存在問題，如裂隙介質(zhì)巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問題有待深入分析，所以地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價值。

四、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究展望

隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關(guān)問題的范圍和復(fù)雜性也隨之增大。農(nóng)業(yè)活動區(qū)和城市的人類活動對區(qū)域地下水水位、水質(zhì)的影響日益突出。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬可以量化地下水的動態(tài)變化與人類活動的關(guān)系，可以比較不同開采方案并預(yù)報開采對環(huán)境帶來的影響，以便人們了解采取什么行動來保證含水層的可持續(xù)利用，維持合適的生態(tài)水位。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型在國家制定區(qū)域水政策和方針中將發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，隨著計算機的發(fā)展和GIS技術(shù)的進步，帶來了科學(xué)決策和管理信息的新方法，有利于水文水資源工作者了解地下水在時間和空間上的變化情況，并提供良好的數(shù)據(jù)維護、更新和分析功能，有了完備的數(shù)據(jù)做支持，一方面可以提高模擬的仿真性，另一方面又可大大減輕處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作負擔(dān)。深入挖掘3S技術(shù)在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中的功能仍然是今后工作的重要內(nèi)容。系統(tǒng)論、信息論在地下水研究中也將越來越重要。

如何將現(xiàn)有的各類計算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計算空間單元的分布式模型上來，充分利用RS動態(tài)監(jiān)測信息和GIS空間數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與GIS和RS的集成，是今后的研究重點。應(yīng)充分利用“數(shù)字地球”和國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，將地下水系統(tǒng)納入“數(shù)字地球”、“數(shù)字國土”或“數(shù)字流域”體系。數(shù)值模擬軟

件還將不斷完善，軟件的組件化、可視化、前后處理智能化、離散方法簡單化和求解方法多樣化等特點日益增強，將融入更多功能強大的子程序軟件包。

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型結(jié)合地表水文模型、作物模型、流域生態(tài)模型、區(qū)域氣候模型、分布式水文模型、水平衡模型和隨機法模型等優(yōu)勢，一方面彌補模型的缺陷，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，使物理基礎(chǔ)更加堅實；另一方面擴展模型的應(yīng)用范圍，綜合集成管理模式的模型。

隨著勘探手段的提高，含水層特征參數(shù)的確定方法將不斷豐富，參數(shù)精度不斷提高，數(shù)值模型的標(biāo)定方法及靈敏度的分析將更規(guī)范化。三維數(shù)值模型是未來發(fā)展趨勢，將越來越真實地概化實際的水文地質(zhì)條件。新思維方法、數(shù)學(xué)方法、計算機軟件技術(shù)的應(yīng)用將越來越快地提升地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的功能，有針對性地處理模型中具體的不確定因素，更合理地表征具體的地下水動態(tài)變化特征。通過地下水系統(tǒng)不同模擬方法的耦合和多學(xué)科的深入交流合作，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法將會有更廣闊的前景。

馮翠娥摘編自《水利水電科技進展》第26卷第1期，2006年2月

第三篇：材料研究進展與發(fā)展趨勢剖析

《材料研究進展與發(fā)展趨勢》課程總結(jié)報告

（姓名：王永志）（學(xué)號：z1505031）

一、高分子材料研究進展

主講人：周志平教授，2016年3月2日，研究生樓305室 報告的主要內(nèi)容是：

1、世界高分子事業(yè)的發(fā)展歷史，可以從一些標(biāo)志性的事件和諾貝爾獎的獲得情況來看，比如1946年JPS在美國創(chuàng)刊，至今仍是高分子學(xué)科的最重要期刊之一；1946年世界第一個高分子研究機構(gòu)布魯克林高分子研究所在紐約建立；1953年《高分子化學(xué)原理》在高分子化學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎以及2000年艾倫·黑格等人發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了導(dǎo)電聚合物等。

2、中國高分子事業(yè)發(fā)展歷史，八十年代為第一階段，起步很艱難；九十年代步入第二階段，穩(wěn)定滿增長的階段；現(xiàn)階段為第三階段，我國學(xué)者在各大期刊上發(fā)表論文已占很大比例。北京大學(xué)陸承勛1980年初在國際期刊上發(fā)表第一篇論文，是我國高分子學(xué)術(shù)界以學(xué)術(shù)論文走向世界的先驅(qū)者之一。

3、功能高分子材料發(fā)展趨勢：（1）光功能高分子材料，是指能夠?qū)馕諆Υ孓D(zhuǎn)化的一類高分子材料，在材料領(lǐng)域中占有十分重要的地位。（2）電功能高分子材料，可分為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子和復(fù)合型導(dǎo)電高分子類，主要應(yīng)用于發(fā)光電極管等，較無機材料制作種類繁多、可彎曲大面積等優(yōu)勢。（3）反應(yīng)型功能高分子，化學(xué)和物理穩(wěn)定性好，實現(xiàn)連續(xù)化和自動化操作以及避免副反應(yīng)和提高產(chǎn)率。（4）吸附分離功能高分子主要利用該類材料對液體或氣體中的某些分子具有選擇性的吸附，從而實現(xiàn)復(fù)雜物質(zhì)體系的分離。（5）生物醫(yī)用功能高分子（6）先進復(fù)合高分子材料（7）生物降解及環(huán)境友好高分子材料（8）隱身材料（9）智能高分子材料 通過周老師的報告，我對高分子材料有了進一步的認識，也了解了一些高分子材料的背景知識及發(fā)展趨勢，隨著時代的進步以及對材料的要求不斷地提高，高分子材料的研究與發(fā)展也在往生態(tài)、功能性方面進步，我國高分子材料領(lǐng)域在世界上的地位也逐步不可替代。

二、強流脈沖電子束作用下304不銹鋼和純銅的微觀結(jié)構(gòu)及腐蝕機理

主講人：關(guān)慶豐教授，2016年3月9日，研究生樓305室

報告的主要內(nèi)容：

HCPEB作用機理（特殊的表面改性效果），作用過程：較高的能量在極短的時間內(nèi)沉積在材料表層；

作用效果：在材料表層誘發(fā)熱應(yīng)力場從而材料表面快速強烈的塑性變形。優(yōu)點：HCPEB具有工件變形小、能量效率高、清潔、處理方式靈活等優(yōu)點。選題依據(jù)及研究內(nèi)容

1、經(jīng)HCPEB轟擊之后，金屬材料表面往往會形成大量的熔坑形貌，增加材料表層的粗糙度，并且在材料內(nèi)部誘發(fā)大量的結(jié)構(gòu)缺陷，這些一般會導(dǎo)致金屬耐腐蝕性的降低。但許多研究發(fā)現(xiàn)HCPEB轟擊之后材料的耐腐蝕性能卻顯著的提高，許多研究者根據(jù)此現(xiàn)象進項研究并提出相應(yīng)的耐腐蝕機制模型。

2、馬欣欣等人與俄羅斯Tomsk研究所合作，利用HCPEB對M50鋼進行改性研究，指出表面成分與組織均勻化是耐腐蝕提高的根本原因。

3、Schmuki等人分析了不銹鋼內(nèi)部MnS夾雜物附近化學(xué)成分的變化并研究了其與點蝕之間的關(guān)系。存在問題

1、現(xiàn)存模型卻未考慮到HCPEB轟擊之后微觀結(jié)構(gòu)的形成與演化行為對腐蝕性能的影響。

2、現(xiàn)存模型未研究純金屬的耐腐蝕性能變化，因此實驗體系不完善；

3、現(xiàn)存模型尚不能解釋腐蝕性能隨表層熔坑密度增大而降低的實驗現(xiàn)象。實驗過程

實驗處理參數(shù)：密度，持續(xù)時間，頻率等

表征手段：表面形貌分析，微觀組織結(jié)構(gòu)分析，顯微硬度測試，腐蝕性能測試：愛用傳統(tǒng)的三電極體系，選用CHI660C電化學(xué)工作站。

通過關(guān)教授的報告，我對強化脈沖電子束（HCPEB）有了更深的認識，強流脈沖電子束(HCPEB)表面處理是一種新興的高能束表面處理技術(shù)。HCPEB利用高能電子束為熱源,瞬間作用使材料表面溫度迅速升高,表層成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，是一種新興的高能束表面處理技術(shù)。

三、拓撲絕緣體簡介

主講人：糜建立教授，2016年3月16日，研究生樓305室 報告的主要內(nèi)容：

1、什么是拓撲絕緣體？

2、拓撲絕緣體有什么應(yīng)用前景？

3、為什么叫拓撲絕緣體（本質(zhì)）？有哪些特點？

4、如何獲得拓撲絕緣體材料?

1、拓撲絕緣體是一種內(nèi)部絕緣，表面允許電荷移動的材料。這樣的表面金屬態(tài)是穩(wěn)定存在的，不受到雜質(zhì)與無序的影響，是由體內(nèi)電子態(tài)的特殊性質(zhì)決定的，而不是由表面的性質(zhì)決定。拓撲絕緣體的發(fā)展歷史：第一代：HgTe量子阱，第二代：BiSb合金，第三代：Bi2Se3，Sb2Te3,Bi2Se3等化合物。

2、Moore定律：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，隨著器件的越來越小型化，耗損的功率占比越來越大，摩爾定律能否延續(xù)下去？傳統(tǒng)集成電路發(fā)展到今天已經(jīng)趨向于一個瓶頸，而拓撲絕緣體的發(fā)展則能突破這種瓶頸。

3、拓撲學(xué)：近代發(fā)展起來的一個數(shù)學(xué)分支，主要研究各種“空間”在連續(xù)變換下（不通過撕裂，割破等變換）的不變性質(zhì)和不變量。拓撲絕緣體的“拓撲”不是實空間的拓撲結(jié)構(gòu)，與材料的幾何形貌都沒有關(guān)系。拓撲絕緣體是指電子態(tài)在動量空間中的拓撲結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是電子自旋道耦合的結(jié)果。自旋軌道耦合引起了能帶反轉(zhuǎn)。電子移動經(jīng)過原子核的電場時，會產(chǎn)生電磁作用，電子的自旋與這電磁作用的耦合，形成了自旋-軌道作用。

拓撲絕緣體是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，完全不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”，這種物質(zhì)態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面是無能隙的金屬態(tài)。信息的傳遞是通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷，不涉及耗散過程，不會發(fā)熱。表面金屬態(tài)的出現(xiàn)是由對稱性所決定的，它的存在非常穩(wěn)定，基本不受雜質(zhì)與無序的影響，在未來的電子技術(shù)發(fā)展中有著巨大的應(yīng)用潛力。尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料，成為人們目前關(guān)注的重要焦點和難點。

四、陶瓷復(fù)合材料的設(shè)計及應(yīng)用

主講人：喬冠軍教授，2016年3月23日，研究生樓305室

1、先進陶瓷分類及應(yīng)用：先進陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，結(jié)構(gòu)陶瓷包括氧化物陶瓷、非氧化陶瓷、低膨脹陶瓷、納米陶瓷、陶基復(fù)合材料。而功能陶瓷包括電子陶瓷、熱學(xué)光學(xué)功能陶瓷、生物抗菌陶瓷、多孔化學(xué)陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷優(yōu)異的特性表現(xiàn)為高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點，因此現(xiàn)在許多合金逐漸取代現(xiàn)在的超高合金鋼，如發(fā)動機汽缸套、軸瓦、密封圈等。功能陶瓷材料是具有光、電磁、聲、超導(dǎo)、化學(xué)、生物學(xué)特性，具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。

2、結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展：1980年歐美日掀起陶瓷引擎熱潮，1985年中國滿懷信心預(yù)言前景，1990年汽車用全陶瓷引擎量產(chǎn)，2000年飛機用上全陶瓷發(fā)動機。

3、反應(yīng)結(jié)合的RB-SiC,由針葉、闊葉等樹枝狀的微觀組織，將SiC和C還有樹脂一起反應(yīng)燒結(jié)，最后獲得所需的產(chǎn)品，再由針葉、闊葉延伸到竹子，再到紙張，然后是樹脂，通過工藝條件獲得的納米孔隙結(jié)構(gòu)，這種陶瓷比常規(guī)性能提高一倍。

4、可加工的陶瓷材料、尿素和硼酸結(jié)合先包覆于SiC表層，經(jīng)反應(yīng)后，SiC分散著很多納米級別的BV，這種陶瓷可以加工穿孔、銑工等都可進行。

通過喬冠軍教授的講座，我對陶瓷復(fù)合材料有了新的認識和了解，對材料加工有了新的思路，傳統(tǒng)的材料加工方式應(yīng)在陶瓷材料的帶動下進行新的突破和嘗試，但盡管陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件已用于某些發(fā)動機，但陶瓷基復(fù)合材料并沒有真正地廣泛應(yīng)用，在一些方面有待進一步的研究。

五、快速成型制造技術(shù)

主講人：王雷剛教授，2016年4月13日，研究生樓305室

1、快速成型制造的基本過程：CAD建模、分層、層面信息處理、層面加工與粘接、層層堆積、后處理。

2、快速成型制造的主要方法：（1）選擇性液體固化（SLA）（2）選擇性層片粘接（LOM）（3）選擇性激光燒結(jié)（SLS）(4)熔融沉積成型（FDM）

（1）SLA基本原理：基于液態(tài)光敏樹脂的基本原理，將激光聚集到液態(tài)光固化材料表面逐點掃描，令其有規(guī)律的固化，由點到線到面，完成一個層面的建造，層層迭加成為一個三維實體。SLA方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中研究的最多的方法，也是技術(shù)上最成熟的方法。

特點：

1、SLA工藝成型的零件精度較高，能達到0.1mm，產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學(xué)實驗。

2、但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐，樹脂收縮導(dǎo)致精度下降，光固樹脂價格昂貴，有一定的毒性，且產(chǎn)品不能溶解，不利于環(huán)保。

（2）LOM基本原理：采用激光或刀具對片材進行切割，首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。片狀表面事先涂覆上一層熱熔膠。通過升降平臺的移動和箔材的送給，并利用熱壓輪碾壓將后鋪的箔材與先前的層片粘接在一起，再切割出新的層片，層層迭加得到下一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。

特點：工藝簡單，成型速度快，精度較高，無需加支撐，成本低，力學(xué)性能差。

（3）SLS工藝是利用粉末狀材料成型的，又稱激光熔結(jié)（LF）。特點：材料適應(yīng)面廣，具吸引力，不需加支撐，精度不高，不易做薄壁件。

（4）FDM是將熱熔性材料通過噴頭加熱器融化，噴頭沿輪廓線填充軌跡運動的同時融化材料被擠出，冷卻后形成層面，層面堆積而獲得三維實體。

特點：使用、維護簡單，成本較低，適合做薄壁件，污染小。

3、快速成型的主要特征：高度柔性，可以制造出任意復(fù)雜狀的三維實體；CAD模型直接驅(qū)動，設(shè)計制造高度一體化；成型過程無需專用夾具或工具；無需人員干預(yù)或較小干預(yù)，是一種自動化的成型過程；成型過程的快速性，適合現(xiàn)在的產(chǎn)品市場。

通過王雷剛教授的報告，對快速成型技術(shù)有了大概的了解，快速成型技術(shù)的出現(xiàn)也對傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)產(chǎn)生了很大的沖擊，對制造業(yè)產(chǎn)生了革命性意義，但由于發(fā)展時間相較于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)還相對短暫，技術(shù)、設(shè)備也有待于完善與提高，因此具有良好的廣闊的發(fā)展前景，與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)之間的良性競爭也對雙方的發(fā)展產(chǎn)生促進作用。

六、專利講解

主講人：，2016年4月22日，材料樓418室

報告的主要內(nèi)容是：

1、專利的基本知識。專利通常指的是專利權(quán)，也可以解釋為授予專利權(quán)的技術(shù)發(fā)明。專利權(quán)類型有三種：發(fā)明、實用新型和外觀設(shè)計。發(fā)明：是指對產(chǎn)品、方法或者其改進所提供的新的技術(shù)方案。實用新型：是指對產(chǎn)品的形狀、構(gòu)造或其結(jié)合所提供的適于實用的新的技術(shù)方案。外觀設(shè)計：是指對產(chǎn)品的形狀、圖案或者其結(jié)合以及色彩與形狀、圖案的結(jié)合所作出的富有美感并適用于工業(yè)應(yīng)用的新設(shè)計。不同專利類型的差異很大：發(fā)明專利權(quán)的保護期限是20年，實用新型權(quán)的的保護期限則是10年。發(fā)明專利權(quán)的授權(quán)時間長達2-3年，而實用新型的授權(quán)時間僅幾個月。另外，外觀設(shè)計更傾向于美術(shù)思想美感，而發(fā)明、實用新型則更注重技術(shù)思想、功能和效果。專利權(quán)具有獨占性、地域性和時間性的特點。專利申請程序：按專利法規(guī)定，國務(wù)院專利行政部門負責(zé)全國的專利工作，統(tǒng)一受理和審查專利申請，依法授予專利權(quán)。辦理專利申請應(yīng)當(dāng)提交必要的申請文件，并按規(guī)定繳納費用。專利申請必須采用紙件形式或者電子申請的形式辦理。申請人可以直接面交或通過郵寄的方式向國家知識產(chǎn)權(quán)局提交專利申請，也可以通過設(shè)在地方的代辦處遞交專利申請。國家知識產(chǎn)權(quán)局于2004年3月12日建立了電子申請系統(tǒng)。申請人可通過國家知識產(chǎn)權(quán)局政府網(wǎng)站遞交專利申請。

2、專利申請書的寫法。書的文體：專利文體=說明書+議論文+法律文書。1）說明文：客觀地說明事物，以解說或介紹事物的形狀、性質(zhì)、成因、構(gòu)造、功用、類別等物理的含義、特點、演變等為主要內(nèi)容。要求：講清楚、說明白、揭示本質(zhì)、條理清晰。說明文主要是通過對客觀事物或事理的介紹說明，說明文強調(diào)科學(xué)性、客觀性。2）議論文：其要素有論點、論據(jù)和論證。論點是論文的作者對所論問題的見解和主張。論據(jù)是說明論點的材料。論證是運用論據(jù)來證明論點的過程和方法。論證的類型有主論和駁論。主論從正面論證，駁論從反面論證。專利申請中只有主論。而論證的基本結(jié)構(gòu)層次：三段論式的結(jié)構(gòu)：提出問題、分析問題、解決問題。3）法律文書，即權(quán)利說明書，像法律條文一樣，一個蘿卜一個坑，當(dāng)人家侵犯你的專利時，就看他是否符合相關(guān)條款的表述，如果完全符合，則表示侵犯了你的專利。

通過 老師的報告，我了解了一些關(guān)于專利的知識，專利屬于知識產(chǎn)權(quán)的一部分，是一種無形的財產(chǎn)，與其他財產(chǎn)有不同的特點。像之前所說的，專利具有排他性、事件性和區(qū)域性。專利是受法律規(guī)范保護的發(fā)明創(chuàng)造。另外，授予專利權(quán)的發(fā)明和實用新型，應(yīng)當(dāng)具備新穎性、創(chuàng)造性和實用性。

七、層狀過渡族金屬硫、硒化物納米材料MX2(M?MO,W,Nb,Ta,Ti;X?S,Se)及復(fù)合材料的制備

主講人：李長生教授，2016年4月27日，研究生樓306室 報告的主要內(nèi)容是：

1、研究背景。從結(jié)構(gòu)角度闡述了從Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re，最終推出了開發(fā)新型層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑材料，而MoS2的結(jié)構(gòu)正好符合，于是國外就有人通過氧化—去氧化方法制備了MoS2納米管。

2、納米材料的制備和表征。模板法制備WS2和MoS2，其反應(yīng)方程式如下所示：

(NH4)2MoS4?H2?MoS2?2NH3?2H2S

(NH4)2WS2?H2?WS2?2NH3?2H2S

MoS2和WS2納米管的表征（SEM）可以看出未用NaOH溶液處理，熱處理前后無明顯變化，用NaOH溶液處理后，管狀結(jié)構(gòu)顯示出來。接著對WS2納米管的TEM表征進行了解釋。對NbS2和TaS2納米線（束）的SEM表征也給出了詳細的講解。MoSe2和WSe2納米片狀結(jié)構(gòu)的XRD、SEM表征也被對比突出地講解。對影響NbS2的納米線形貌因素及生長過程進行了討論。

影響WSe2納米顆粒形貌因素及生長過程討論：隨氫氣流量加大形貌趨近片狀。0.75mol/L時，不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，片與片重疊在一起，團聚現(xiàn)象明顯。影響WSe2納米線形貌因素及生長過程討論：800℃保溫1h，過硒系數(shù)分別為1.1、5.2，過硒系數(shù)增加，衍射峰逐漸寬化，粒度減小。

3、摩擦學(xué)特性測試。用AFM評價MoS2和WS2 納米管的摩擦性能：與MoS2相比，WS2晶粒細小且均勻摩擦，力分布起伏小。用MS-T3000 評價NbS2和TaS2納米纖維的摩擦性能：f=0.06-0.13，f隨L增加，但平穩(wěn)。低含量，f隨L增加，高含量，f隨L增加降低，說明承載能力強。先減小后增大，低轉(zhuǎn)速，10％效果好，高轉(zhuǎn)速5％效果好，納米顆粒在潤滑油中所起的作用也發(fā)生了變化。用UMT-2評價MSe2（使摩擦系數(shù)降低約40％-50％）。轉(zhuǎn)速為50MP時的摩擦系數(shù)隨載荷的增加有急劇降低的趨勢。另外，對氧化物超導(dǎo)復(fù)合材料也進行了研究，研究Pb/NiAg,Au/Xe；分子動力學(xué)軟件做數(shù)值模擬得出了同樣的結(jié)論。新型固體潤滑劑的設(shè)計：石墨+復(fù)合氧化物+鈦酸鉀晶須。1000℃時摩擦試驗結(jié)果：

1、純石墨：2-石墨+復(fù)合氧化物；3-石墨+復(fù)合氧化物+鈦酸鉀晶須；4-純復(fù)合氧化物。

通過李長生教授的報告，我對納米材料和復(fù)合材料的制備和檢測方法有了一定的了解，納米顆粒在材料中的形貌和大小對過渡金屬復(fù)合材料的性能有很大的影響，且通過一些數(shù)學(xué)分析方法可以檢測出來，同時由于納米顆粒的形貌的不同使得其在潤滑油中的作用也產(chǎn)生一定程度的變化，因此也是在進行新型固體潤滑劑的設(shè)計時所必須考慮的因素。

第四篇：數(shù)值分析模擬試卷（三）

數(shù)值分析模擬試卷（三）班級 學(xué)號 姓名 一、填空題（共20分，每題2分）1、設(shè)x*=2.3149578…，取5位有效數(shù)字，則所得的近似值x=_______________ ；

.2、設(shè)一階差商，則二階差商__________ ；

3、數(shù)值微分中，已知等距節(jié)點的函數(shù)值，則由三點的求導(dǎo)公式，有_______________ ；

4、求方程 的近似根，用迭代公式，取初始值，那么x1= _________ ；

5、解初始值問題近似解的梯形公式是yk+1 = _________ ；

6、，則A的譜半徑______ ，cond(A)＝______ ；

7、設(shè)，則______ ，______ ；

8、若線性代數(shù)方程組AX=b 的系數(shù)矩陣A為嚴格對角占優(yōu)陣，則雅可比迭代和高斯-塞 德爾迭代都_______ ；

9、解常微分方程初值問題的歐拉（Euler）方法的局部截斷誤差為_____ 10、設(shè)，當(dāng)____________時，必有分解式A=LLT，其中L為下三角陣． 二、計算題（共60分，每題15分）1、（1）設(shè) 試求f(x)在上的三次Hermite插值多項式使?jié)M足 ；

（2）寫出余項的表達式． 2、已知，滿足，試問如何利用構(gòu)造一個收斂的簡單迭代 函數(shù)，使… 收斂？ 3、試確定常數(shù)A，B，C和a，使得數(shù)值積分公式 有盡可能高的代數(shù)精度．所得的數(shù)值積分公式代數(shù)精度是多少？是否為Gauss型的？ 4、推導(dǎo)常微分方程的初值問題的數(shù)值解公式：

三、證明題（共20分，每題10分）1、設(shè)，（1）寫出解 f(x)=0的Newton迭代格式；

（2）證明此迭代格式是線性收斂的． 2、設(shè)R=I－CA，如果，證明：

（1）A、C都是非奇異的矩陣；

（2）

第五篇：油藏數(shù)值模擬學(xué)習(xí)心得

通過了幾節(jié)課的“油藏數(shù)值模擬課”的學(xué)習(xí)，我知道了“油藏數(shù)值模擬”是應(yīng)用計算機研究油氣藏中多相流體滲流規(guī)律的數(shù)值計算方法,它能夠解決油氣藏開發(fā)過程中難以解析求解的極為復(fù)雜的滲流及工程問題,是評價和優(yōu)化油氣藏開發(fā)方案的有力工具。它主要是讓我們石油石油工程專業(yè)的學(xué)生掌握一些基本的油藏數(shù)值模擬技術(shù)和技巧,學(xué)習(xí)基本的油藏滲流數(shù)學(xué)模型及其解法、計算方法和應(yīng)用方法,培養(yǎng)我們用計算機解決油藏開發(fā)問題的能力。

“油藏數(shù)值模擬”涉及的學(xué)科較多,利用數(shù)學(xué)知識和計算機知識較多,我認為是非常難的。雖然教師教的很認真也很耐心，我仍然不能跟著老師的節(jié)奏。因為一開始就知道這個軟件很有實際應(yīng)用價值，所以我也就特別的想好好的學(xué)習(xí)它?？上КF(xiàn)在我面臨著考研這座大山，我實在是沒有充分的時間課下來好好的溫習(xí)與研究老師上課所講的東西。很遺憾，后來老師講的東西我有些就不會了。好在前三四節(jié)課講的內(nèi)容還學(xué)會了，學(xué)會了模擬三層的油層概況。也許這點知識對我以后的再次學(xué)習(xí)會有不錯的基礎(chǔ)作用吧！總之還是很感謝老師的耐心教導(dǎo)。

在學(xué)習(xí)的過程中，我覺得油藏原始參數(shù)，如滲透率、孔隙度等的收集，以及油藏原始數(shù)據(jù)是否齊全準(zhǔn)確非常重要，尤其是一開始填date時的單位的選擇，這些都關(guān)系到數(shù)值模擬的效果。如果原始資料很少，數(shù)值模擬的效果就不可能好。數(shù)值模擬方法越復(fù)雜，所需的原始資料也越多。收集資料時，如發(fā)現(xiàn)必需的資料不夠或不準(zhǔn)確，應(yīng)采取補救措施。通常要求準(zhǔn)備的參數(shù)包括：①油藏地質(zhì)參數(shù)。產(chǎn)層構(gòu)造圖，油、氣、水分布圖，油層厚度、孔隙度、滲透率、原始含油飽和度的等值圖等。②流體物理性質(zhì)參數(shù)。地面性質(zhì)和地層狀態(tài)下的物性數(shù)據(jù)，原始壓力和地層溫度數(shù)據(jù)，對凝析氣田還需要相圖和相平衡的資料。③專項巖心分析資料。油水相滲透率曲線，油氣相滲透率曲線，油層潤濕性，吸入和排驅(qū)毛細管壓力曲線；對碳酸鹽巖孔隙裂縫雙重介質(zhì)儲層，還需滲吸曲線。④單井和分層分區(qū)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和有關(guān)測試資料。⑤油田建設(shè)和經(jīng)濟分析的有關(guān)數(shù)據(jù)。

將收集的油藏地質(zhì)資料進行系統(tǒng)整理后，要將油藏的地質(zhì)特征模式化，以充分反映油藏的構(gòu)造特征和沉積特征，如油層物理性質(zhì)參數(shù)的分布、油氣水的分布、油氣水在地面和地下的性質(zhì)、驅(qū)油動力、壓力系統(tǒng)和地溫梯度等。油藏地質(zhì)模型是否符合實際情況，直接影響數(shù)值模擬成果的準(zhǔn)確性。

由于人們對油田實際地質(zhì)條件的認識有一定的限度，計算時所用的參數(shù)也就有一定的局限性，因此，第一次模擬計算的結(jié)果，如壓力、產(chǎn)量、氣油比、含水率等與油田實際生產(chǎn)狀況常有較大的出入。必須進行分析，修改相關(guān)的計算參數(shù)，重新進行計算。通常，經(jīng)過多次修改可使計算結(jié)果與實際生產(chǎn)歷史基本相符，誤差在允許范圍以內(nèi)。從工程應(yīng)用的角度看，可認為此時所應(yīng)用的計算參數(shù)，反映了油田地下的實際狀況，使用這些參數(shù)來計算和預(yù)測油田未來的動態(tài)，能夠達到較高的精度。在油田開采過程中這類歷史擬合要進行多次，使油田的模型逐步更接近實際而得到更適用的結(jié)果。