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《辽宁工程技术大学》 2004年
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随机介质固热耦合数学模型与岩石热破裂数值实验

康健  
【摘要】:众所周知,在高温环境下,岩石物理力学特性是一个极重要的问题。在石油的三次开采中,采用火烧油层的方法,降低油的粘度,同时诱发岩石破裂,达到提高储层渗透性的目的;高放射性核废料的深层处置,在相当长的时间,美国、法国一直致力于花岗岩岩层储存核废料,担心的就是岩石热破裂后,使核废料储存区域与地下水相通,最终危及人类生存环境,同时核贮库的围岩是吸收放射性核素并阻碍其迁移的最关键部分,其在高温作用下的长期力学性质及力学行为的演变规律对贮存库的选址、设计及长期安全性预测具有决定性的影响,是需要研究的主要问题之一;高温岩体地热资源开发中,从300℃C以上的高温岩体中,提取地热,由于温度降低,而产生热破裂;液体的地下储藏以及对地壳演变过程的研究和模拟中,所有这些,都迫切需要考虑工程围岩在高温下的物理力学性质和力学行为的长期演变规律。所以,研究在高温条件下岩石的破裂以及物理力学性质对高放射性核废料的深层处置、高温岩体地热资源开发等深部开采问题有着重大的实际工程意义。 目前岩石破裂数值实验研究仅限于在外力载荷下对岩石进行变形、破裂和物理力学性质的研究,在高温下对岩石的物理力学性质的研究又主要依赖于现场观测和实验室物理实验。现场观测对工程而言是非常必要的,但由于这种方法受到现场条件、人力、物力和财力的限制,在较大工程中难以充分发挥其作用。到目前为止,还没有对岩石的热破裂及其在温度作用下岩石的物理力学性质的数值实验研究。由于岩石材料的非均匀性、非连续性、以及几何结构的复杂性,现有的解析方法尚缺少有效的手段对此过程进行研究,很难对岩石的热破裂与物理力学性质的变化规律做相对准确的描述。因此,既考虑岩石材料的随机非均匀性,又考虑了固体变形场与温度场的耦合作用和数值实验节省经费、直观演示等特点,建立随机介质固热耦合数学模型以及有限元数值解法,采用数值实验方法来研究岩石热破裂问题具有更重要的理论意义和现实意义。为此,本文从岩石介质的非均匀性特征入手,在引入岩石非均匀性细观统计描述和物理学愈渗理论的基础上,主要的研究内容如下: 1.考虑岩石颗粒的物理力学性质的随机非均匀性,从理论上建立了随机非均质热弹塑性力学模型和随机介质固热耦合数学模型,并推导随机介质模型的有限元数值解法。这些方程与方法,奠定了岩石热破裂研究的基础。 2.对岩石随机介质的热弹性力学模型的平面轴对称问题和球对称问题分别进行了解析分析,提出了岩石物理力学参数作为随机变量在解析分析中的处理方法,并给出在随机指数分布和韦泊分布下的解析解;对随机介质固热耦合数学模 摘要 型的平面轴对称问题也求出了解析解,包括位移、变形和热应力的精确解。 3.在二维随机非均质热弹塑性力学模型和四种随机分布(均匀分布、指数分 布、正态分布和weibull分布)下,在高温条件下,对热膨胀系数变化引起的岩 石破裂门槛值温度的变化做了详细研究,揭示了岩石热破裂规律及门槛值温度随 分布参数m的变化规律,得到了一致的结论:岩石热破裂门槛值温度随分布参数 m的增加而升高,呈幂函数或直线关系;对岩石的力学性质进行了数值实验研究: 包括门槛值温度随着弹性模量和泊松比的变化规律,采用正态分布和Weibull分 布数值实验的结果与相应的实验结果相吻合;并再现了岩石热破裂的变化过程, 表明文中所采用的数值实验的方法是可行和可靠的。 4.在平面随机介质固热祸合数学模型和三种随机分布(指数分布、正态分布 和weibull分布)下,对岩石的热物理特性(包括温度分布随热传导系数和比热 容的变化规律)、岩石的渗透率和热破裂细观机理进行了数值实验的研究。通过 数值实验详细讨论和分析了由于温度和岩石的非均匀性的作用下岩石试件中的 裂纹的产生、形成、扩展、汇合以及贯通过程的变化规律,从随机介质固热藕合 方面揭示了岩石热破裂的本质。这为深部开采提供了可靠的理论依据,同时对岩 土工程也具有一定的指导意义。 5.采用随机介质固热藕合数学模型,在正态分布、指数分布和Weibull分布 下,对高温岩体地热开发人工储留层二次破裂进行了数值模拟,揭示了岩体温度 场和应力场的特征和变化规律,同时直观地显示出人工储留层二次破裂随分布参 数m和时间变化的全过程,并表明热膨胀系数的概率分布形式对岩体热破裂规律 有重要影响。 本文的研究有以下创新点: 1.提出非均质岩石随机变量及随机概率的概念,考虑岩石物理力学性质为随 机变量,建立了三维随机介质热弹塑性力学模型和随机介质固热祸合数学模型。 2.在这两种模型下分别推导出非均质有限元数值方法。 3.在平面随机介质热弹性力学模型和随机介质固热藕合数学模型的轴对称 问题的解析分析中,提出了岩石物理力学参数作为随机变量在解析分析中的处理 方法,并给出了解析解。 4.通过数值实验的方法详细地研究岩石热破裂随概率分布形式和分布参数m 的变化规律。 5.开发了二维随机介质固热祸合数学模型的岩石热破裂数值实验软件。 6.在实际工程中,对高温岩体地热开发人工储
【学位授予单位】:辽宁工程技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P584

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【引证文献】
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1 唐世斌;唐春安;朱万成;王述红;于庆磊;;热应力作用下的岩石破裂过程分析[J];岩石力学与工程学报;2006年10期
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1 刘卓栋;地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论研究[D];武汉理工大学;2010年
2 张连英;高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究[D];中国矿业大学;2012年
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1 黄鹤;浏阳河隧道掌子面超前预加固施工技术研究[D];西南交通大学;2011年
2 闫娜;降温对岩石裂隙扩展影响机理的数值试验研究[D];西安理工大学;2007年
3 唐鹏;非饱和带环境中岩石结构体风化前锋扩展过程的温度效应[D];昆明理工大学;2008年
【参考文献】
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【共引文献】
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2 傅光耀;王浩;;薄钢铺板对平台主梁变形影响的试验研究和分析[J];四川建筑科学研究;2006年02期
3 常玉珍;吴敏哲;;组合肋壳几何非线性分析[J];四川建筑科学研究;2006年05期
4 王青;徐港;;剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例[J];四川建筑科学研究;2006年06期
5 王开强;孙飞飞;胡大柱;;多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年06期
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7 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期
8 张雪颖;阮怀宁;贾彩虹;;岩石损伤力学理论研究进展[J];四川建筑科学研究;2010年02期
9 肖烨;陈剑毅;易萍华;;自由度匹配技术在框架结构损伤识别中的应用研究[J];四川建筑科学研究;2011年02期
10 张仁义;顾强康;林超群;何培;;沥青和水泥混凝土导热特性研究[J];四川建筑科学研究;2012年01期
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1 陈金辉;康毅力;李大奇;游利军;;致密砂岩储层裂缝面结构模型及应力敏感性研究[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 宫建国;陶钧;曾胜;金涛;;地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
3 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
4 王青平;白武明;王洪亮;;多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(上)[C];2012年
5 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
7 丁晓唐;刘广;蒋勇;;势流体和Housner模型动力研究比较[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
8 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年
9 刘新忠;苗宇;贠冰;;板带热连轧精轧区温度控制模型开发及应用[A];中国计量协会冶金分会2012年会暨能源计量与节能降耗经验交流会论文集[C];2012年
10 王彬;;基于APDL的大口径反射镜优化设计[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年
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1 张红哲;车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D];长春理工大学;2010年
2 赵扬锋;煤岩变形破裂电荷感应规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
3 汪忠明;基于非局部增强梯度模型的混凝土断裂损伤研究[D];合肥工业大学;2010年
4 查云飞;类菱形车转向系统研究与分析[D];湖南大学;2010年
5 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年
6 潘健怡;铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究[D];华南理工大学;2010年
7 许兰贵;变壁厚大锥度薄壁铝罐成形关键技术的研究[D];华南理工大学;2010年
8 谭林;基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D];华南理工大学;2010年
9 付强;1000MW核电站离心式上充泵水力设计与结构可靠性研究[D];江苏大学;2010年
10 吴寒亮;芳纶纤维布约束混凝土短柱的尺寸效应研究与多尺度分析[D];北京交通大学;2010年
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1 黄春光;大倾角“三软”不稳定厚煤层放顶煤开采矿压规律研究[D];河南理工大学;2010年
2 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
3 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
4 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年
5 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
6 胡艳卉;矿井地下水流场数值模拟及其应用研究[D];山东科技大学;2010年
7 武文宾;冲击地压的非线性岩梁混沌动力学分析[D];山东科技大学;2010年
8 姜世元;缺陷法控制冲击地压的力学分析及应用[D];山东科技大学;2010年
9 吕海波;岩石三维内部裂隙扩展过程的数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
10 李成成;综放开采断层应力分布特征与冲击危险评价研究[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
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1 王学滨;;含随机材料缺陷岩样的破坏前兆及剪切带模拟[J];地下空间与工程学报;2007年06期
2 刘雄;宁建国;马巍;;冻土地区水渠的温度场和应力场数值分析[J];冰川冻土;2005年06期
3 李勇,马丽,强祖基;温度异常与地震 [J];北京师范大学学报(自然科学版);2001年04期
4 刘冬生,孙友宏,庄迎春;增强地源热泵竖直埋管地下换热器换热性能的研究[J];吉林大学学报(地球科学版);2004年04期
5 何媛媛;李茂军;马健军;;U型埋管周围温度场的边界元区域分解算法[J];重庆工学院学报(自然科学版);2008年09期
6 黄明利,唐春安,朱万成;岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究[J];东北大学学报;1999年04期
7 朱立平,王家澄,彭万巍,陶兆祥;寒冻条件下热力作用对岩石破坏的模拟实验及其分析[J];地理研究;2000年04期
8 金淑燕,孙天泽,徐实昆,张培春;辉绿岩脆-塑性变形转化的高温高压实验研究[J];地球科学;2000年06期
9 周文戈,谢鸿森,赵志丹,白武明;2.0GPa、室温至1160℃条件下安山岩纵波速度与相变[J];地球科学;1999年03期
10 王绳祖;岩石的脆性-延性转变及塑性流动网络[J];地球物理学进展;1993年04期
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1 李志刚;丁文其;王晓形;谢东武;;特大断面隧道核心土优化分析[A];中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集[C];2006年
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1 刘巍;高温高压下几种岩石的弹性纵波速度及其动力学特征[D];中国地震局地质研究所;2002年
2 谭英杰;泥岩膨胀机理的弹塑性力学分析[D];哈尔滨工程大学;2005年
3 刘春;深埋大断面隧道施工力学性态研究[D];重庆大学;2007年
4 陈剑文;盐岩的温度效应及细观机理研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
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1 刘建新;岩石破裂声发射实验研究[D];中国地震局地球物理研究所;2002年
2 王广地;北山花岗岩温度效应试验研究及粘弹塑性分析[D];西安科技大学;2003年
3 周萍;基于神经网络和遗传算法的岩体参数反分析研究[D];河海大学;2004年
4 齐珺;深部岩体非线性蠕变规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2004年
5 符宾宾;软弱围岩双连拱隧道施工过程的数值模拟研究[D];西南交通大学;2005年
6 张春雷;U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D];天津大学;2005年
7 高小平;盐岩力学特性时温效应实验研究及其本构方程[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2005年
8 闫娜;降温对岩石裂隙扩展影响机理的数值试验研究[D];西安理工大学;2007年
9 曹淑云;滇西点苍山高温糜棱岩显微构造和流动机制研究[D];中国地质大学(北京);2007年
10 龚立强;水布垭导流大跨度隧道信息化施工及有限元数值分析[D];西南交通大学;2007年
【二级引证文献】
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1 王军;崔红庄;戴俊生;季宗镇;;接触变质带中冷凝收缩缝裂缝参数定量研究[J];吉林大学学报(地球科学版);2012年01期
2 游利军;康毅力;;热处理对致密岩石物理性质的影响[J];地球物理学进展;2009年05期
3 康健;赵阳升;赵峥嵘;;随机介质固热耦合模型平面轴对称问题的解析解[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2009年03期
4 李根;李连崇;唐春安;唐世斌;;岩石流/热固耦合下损伤演化并行分析系统及初步应用[J];计算力学学报;2012年03期
5 龙激波;李念平;;外墙保温结构的热应力损坏分析[J];建筑热能通风空调;2008年02期
6 唐鹏;徐则民;;岩石结构体风化前锋扩展机理分析初探[J];矿业研究与开发;2008年04期
7 孟巧荣;赵阳升;胡耀青;冯增朝;徐素国;;褐煤热破裂的显微CT实验[J];煤炭学报;2011年05期
8 胡滨;康红普;林健;蔡嘉芳;姜鹏飞;;温度对树脂锚杆锚固性能影响研究[J];采矿与安全工程学报;2012年05期
9 朱家玲;李慧;张伟;;螺旋管式相变蓄热过程的数值模拟与系统优化[J];天津大学学报;2012年10期
10 龙激波;张磊;;室外气候作用下建筑外墙含湿量对热工性能的影响[J];湘潭大学自然科学学报;2009年04期
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1 康健;毕秀国;刘超;;非均质随机分布对岩石热破裂影响的数值试验[A];第二届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(一)[C];2008年
2 周宏伟;胡本;左建平;;基于细观结构的温度-应力作用下北山花岗岩变形破坏过程的数值模拟研究[A];第三届废物地下处置学术研讨会论文集[C];2010年
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2 李强;油页岩原位热裂解温度场数值模拟及实验研究[D];吉林大学;2012年
3 张连英;高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究[D];中国矿业大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵静;油页岩热解渗透及内部结构变化相关规律实验研究[D];太原理工大学;2011年
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3 王剑英;混凝土试件及其衬砌结构破坏过程的数值模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
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5 唐鹏;非饱和带环境中岩石结构体风化前锋扩展过程的温度效应[D];昆明理工大学;2008年
6 武晋文;花岗岩热破裂实验研究[D];太原理工大学;2008年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 金振民,QuanBai,D.L.Kohlstedt,金淑燕;橄榄石单晶体高温蠕变[J];地球科学;1993年01期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 王绳祖;;高温高压岩石力学发展中的若干问题[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
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5 张曾荣;何绍勋;;钾长石高温高压实验变形研究的意义[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
6 郭才华;宋瑞卿;;高温高压下岩石中纵波速度的测量[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
7 赵阿兴;王子潮;崇秀兰;王绳祖;;地壳温压条件下济南辉长岩蠕变破坏的实验研究[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
8 王子潮;王绳祖;;地壳温压条件下的迁安石英岩强度特性[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
9 施良骐;刘树山;;2GPa固体围压三轴试验装置的设计研究[A];第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集[C];1986年
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8 康健;赵阳升;董晓梅;;岩体介质的随机固流热耦合模型[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
9 赵培;张秋香;陶忠;;PVC精制单元C-1305塔和C-1303塔双塔变压热耦合的研究[A];2005年全国塔器及塔内件技术研讨会会议论文集[C];2005年
10 祝育;刘兴高;钱积新;;自适应预测PID控制在理想物系内部热耦合精馏塔上的应用[A];中国仪器仪表学会第六届青年学术会议论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 宁雷;科研队伍的排头兵[N];中国电脑教育报;2007年
2 姚秋明;地震勘探技术基础研究获新进展[N];中国石化报;2008年
3 记者 王红 通讯员 李丹;我国10万吨燃料乙醇装置开车[N];中国化工报;2001年
4 重庆 潘建;温度传感器LM34/35的应用[N];电子报;2001年
5 航空航天学院教授、全国优秀博士学位论文指导教师 郑泉水;也谈博士生培养[N];新清华;2004年
6 周游;联想服务器再战高性能[N];中国计算机报;2007年
7 实习生 张琦 本报记者 游雪晴;赵志祥:在核世界中追寻梦想[N];科技日报;2006年
8 宋家雨;联想服务器的未来[N];网络世界;2007年
9 尹大强;小卫星发展掀热浪[N];解放军报;2000年
10 ;为了“粮食”,狮子也会“计划生育”[N];新华每日电讯;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 康健;随机介质固热耦合数学模型与岩石热破裂数值实验[D];辽宁工程技术大学;2004年
2 丁锐;随机介质中波散射与传播的随机泛函分析[D];复旦大学;2010年
3 李灿苹;散射波特征与非均匀地质体对应关系研究[D];中国地质大学(北京);2006年
4 邓诗涛;变折射率介质中的光传输及像质评价[D];浙江大学;2008年
5 范小平;用散射体波随机反演研究长白山火山区介质非均匀性[D];中国地震局地球物理研究所;2009年
6 王春;随机激光辐射特性理论研究[D];华中科技大学;2006年
7 刘海;二维随机介质内光波模式的偏振特性研究[D];华中科技大学;2009年
8 王强;提高气冷涡轮气热耦合计算精度方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
9 韩君;黄海物理环境对浮游植物水华影响的数值研究[D];中国海洋大学;2008年
10 王慧琴;随机激光的光学特性及其调制的理论研究[D];南昌大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郑莎;非球形粒子为散射体的随机介质中光传输特性[D];燕山大学;2012年
2 付佃力;飞秒脉冲在随机介质中传播特性的测量[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 李若华;空心四面体框架群减速特性研究[D];河海大学;2004年
4 张渝;中厚钢板弯曲成形及冷却过程的热耦合分析[D];重庆大学;2004年
5 王海松;树林中电波传播路径损耗的研究[D];山东大学;2005年
6 黄海波;涡轮叶片中流场和温度场计算及实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2002年
7 牟云飞;基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究[D];大连理工大学;2009年
8 田仁飞;随机介质和冲断构造带地震波场数值模拟及偏移成像研究[D];成都理工大学;2008年
9 仝庆贵;客运大楼零售店火灾轰燃现象和中庭火灾烟气控制实验研究[D];重庆大学;2003年
10 王海娇;具有微腔结构的随机激光振荡特性及数值分析[D];南京理工大学;2008年
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