壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

平行裂隙沿程水头损失规律的实验研究

为了研究管道-裂隙介质水动力过程,利用不同隙宽及横向宽度的平行裂隙进行室内模拟试验,探究单一平行裂隙中水流流动产生的沿程水头损失随裂隙宽度及横向宽度的变化规律。结果表明:当隙宽小于1.84 mm时,沿程水头损失与流速呈一次函数关系,并且沿程水头损失随裂隙宽度的增大而减小。通过对比管道层流沿程水头损失公式与立方定律,发现管道和裂隙在计算沿程水头损失时主要差别在于后者忽略横向宽度的影响,指出裂隙长宽比在确定管道与裂隙界限中起重要作用。同时通过分析试验所取得的数据,得出裂隙沿程水头损失随裂隙长宽比的增大呈现先减小后增大的趋势,并建立沿程水头损失随裂隙长宽比变化的经验公式。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

矩形狭缝裂隙水流运动特征数值模拟研究

裂隙水流运动规律的研究对岩溶地区水资源合理开发利用以及裂隙岩体渗流理论发展具有重要意义。为探讨立方定律在矩形狭缝平行裂隙中的有效性以及裂隙水流运动特性,对不同尺寸的矩形狭缝平行裂隙水流运动进行数值模拟,基于模拟结果,利用极限流速和极限雷诺数的概念对立方定律在矩形狭缝裂隙中的有效性进行了验证,提出适用于矩形狭缝裂隙的修正立方定律。分析了矩形狭缝裂隙渗透系数随裂隙开度、宽度以及宽度与开度比值的变化,结果表明：裂隙开度越大,宽度越大,渗透系数越大,渗透系数随裂隙宽度与裂隙开度比值的增大而增大,二者之间呈指数关系。对裂隙水流流速分布剖面进行分析,结果表明：裂隙开度越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,且离裂隙中心线越近,绝对偏差越大,相对偏差沿质点位置呈波动变化,变幅较小;流速越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,在裂隙中心线处最大,离裂隙壁越近,偏差越小,而相对偏差随流速的变化幅度相对较小,表现为集中型;裂隙宽度越大,对流速分布影响越小。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

岩溶包气带水流衰减过程与调蓄能力影响机制研究

我国岩溶水资源丰富,是岩溶地区重要的生产生活用水来源。岩溶包气带对地下水起着涵养调蓄作用,为定量评价岩溶包气带水流衰减过程和调蓄能力影响因素,通过搭建实验室尺度的岩溶包气带物理模型,分析衰减曲线与调蓄系数,探究降雨强度、传输带裂隙发育程度、传输带厚度对岩溶包气带水流过程与调蓄能力的影响。试验结果表明,降雨强度的增大将引起岩溶包气带水流衰减系数的增大与调蓄系数的减小,降雨强度对结构一定的岩溶包气带调蓄能力的影响有一定限度;随着传输带裂隙增加,快速流衰减系数呈增大趋势,慢速流衰减系数呈减小趋势,调蓄系数呈减小趋势;传输带厚度的增加引起衰减系数的减小与调蓄系数的增大,但对调蓄系数的影响不明显。     

高山峡谷区岩溶水示踪试验──以川西锦屏地区为例

示踪结果显示,大理岩是以溶蚀裂隙为主的含水介质,其岩溶水流迭较溶洞管道型含水层低一个数量级。在高山峡谷区,包气带深厚,示踪水流的“分流”现象十分普遍;隔水边界易于遭受破坏,不同单元之间越流水力联系较为广泛;且深部裂隙系统开启程度好,岩溶发育深度超过２０００～３０００ｍ,由于补给区与排泄区高差大,为深部区域水流系统的发育提供了介质和水动力条件。      

裂隙岩溶含水系统溢流泉演化过程的数值模拟

本文利用非连续裂隙网络介质模型,耦合水动力条件和碳酸盐溶蚀动力条件,建立岩溶含水系统演化的数学模型,并用数值法进行模拟分析。在已建数值模型基础上,构造了两组实例模型(降水入渗补给的裂隙岩溶含水系统和河流补给的裂隙岩溶含水系统)来研究裂隙岩溶系统中溢流泉早期演化过程。模拟发现,裂隙岩溶含水系统演化过程中,裂隙不断被溶蚀拓宽,致使系统中潜水位不断下降,许多小泉被疏干;同时不同裂隙之间存在溶蚀差异,在潜水位及优势通道附近的裂隙溶蚀速度快,而其它位置则相对慢得多,差异溶蚀促使系统形成优势溶管,优势溶管逐渐袭夺水流,形成大泉。另外对比两模型发现,降水入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道从汇向源发育;而河流入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道则由源向汇发育。      

非等长淹没丁坝群局部水头损失的计算

根据水槽中淹没丁坝群的水流流态,将下坝附近的水流进行分区,导出淹没丁坝下游主槽流速沿程变化公式,并且结合由淹没单丁坝时得出的水头损失计算公式,可以对不同坝长、坝高和丁坝间距、淹没丁坝群的局部水头损失进行计算.     

不同侧压力系数下裂隙网络岩体非线性渗流特性

基于人工裂隙网络模型,展开一系列不同边界荷载作用下含不同交叉点个数的裂隙网络渗流试验。针对所有试验工况,模型进水口水压力范围均为0～0.6 MPa,侧压力系数均由1.0增加至5.0。试验结果表明：裂隙网络体积流速和水力梯度之间的相关性可以通过Forchheimer函数进行拟合,拟合方程中线性和非线性项系数均随着侧压力系数的增加逐渐增大,而随着裂隙网络交叉点个数的增加逐渐减小;渗流试验过程中,非线性效应系数E和水力梯度J之间的相关性可采用一个幂指数函数进行描述,随着水力梯度的增加,非线性效应系数逐渐增大;随着侧压力系数的增加,裂隙网络临界水力梯度呈现逐渐增大的趋势,对于所有裂隙网络交叉点个数（1～12）,当侧压力系数由1.0增加至5.0,临界水力梯度由0.63～12.13增加至6.01～81.55;提出数学模型 对归一化导水系数 随水力梯度的增大而减小的特征进行分析,随着侧压力系数的增加,两者之间的拟合曲线逐渐上移,拟合系数 整体呈现逐渐增大的趋势。裂隙网络的等效渗透系数随侧压力系数的增加逐渐降低。     

初始裂隙对岩溶水紊流形成的影响

岩溶地区地下发育着大量的溶洞和地下河管道,地下水流状态既有层流也有紊流,而紊流是溶洞管道形成的重要条件。紊流的形成受到岩石初始裂隙的影响,初始裂隙的张开度、分布、走向、迹长、密度等因素都影响着裂隙发育过程中水流状态的变化。通过对不同统计特征的初始裂隙网络进行水流和溶蚀的数值模拟发现,以张开度标准差反映的裂隙网络非均匀性越强,模拟紊流出现的时间就越早;主要裂隙的存在使裂隙网络的非均性增强,主要裂隙与水力梯度总方向的角度越小,紊流出现的时间就越早;当裂隙平均迹长过小时会导致裂隙连通性较差,影响裂隙水流和溶蚀作用;裂隙密度,尤其是主要裂隙密度,对岩溶发育的影响较大。相对于次要裂隙,如果主要裂隙密度偏小,紊流形成时间会大大增加,甚至很难形成紊流。当初始裂隙张开度小于0.001 cm,增大水力梯度仍没有紊流发生,岩溶几乎不发育。      

深筒式消力井水力特性试验研究

结合一个深筒式消力井工程的水力学模型试验,说明在高水头、小流量条件下,当水流从管道水流转换为明渠水流时,深筒式消力井是一种合理、可行的消能措施.深筒式消力井能承受输水管道很高的水头,与消力井进水管上安装有控制阀门密切相关.结合理论分析说明,输水管道的压力水头大部分耗散或损失在阀门处,阀门是消力井工程的关键部位,其开度应随压力水头的变化而变化;试验表明消力井出水管出口处的流速呈外弯大、内弯小的流速分布.     

单一裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型,用计算机对单一裂隙动水注浆扩散模型进行编程和分析,试验验证该注浆扩散模型是合理的。研究结果表明,单一裂隙动水注浆在注浆前期浆液扩散面积呈圆形而在注浆后期浆液扩散面积呈椭圆形;浆液扩散半径与浆液黏度成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比;水流流动有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;水流流速增大或减小到一定程度时浆液扩散半径受水流流速的影响程度将逐渐减小;水流流动对逆水流方向扩散半径的影响程度大于顺水流方向扩散半径的影响程度;浆液扩散半径受水流流速影响最大,受裂隙开度影响次之,受注浆压力和浆液黏度的影响相对较小     

山东淄博市大武水源地裂隙岩溶水中污染物运移的数值研究

在分析研究淄博市大武水源地裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上 ,对裂隙岩溶水的水头和污染物运移进行数值研究。目前国内外对裂隙岩溶水进行数值计算时 ,通常用等价多孔介质模型 ,但裂隙岩溶介质和多孔介质有很大不同。裂隙岩溶介质的储水和导水空间为裂隙网络 ,导水系数大 ,地下水的实际平均流速比孔隙水大得多 ,但给水度和贮水系数小。当用等价多孔介质模型进行模拟时应考虑这些特点。对于污染物运移的模拟 ,要同时求解水头方程和对流弥散方程 ,可采用MODFLOW和MT3D软件进行模拟。研究区裂隙岩溶水水头的数值计算表明 ,等效多孔介质模型水头的拟合误差能满足国标GB/T144 97- 93的要求。各时段地下水水量均衡计算的精度也满足要求。对流弥散方程的数值计算 ,由于Peclet数高达 95 .6 7,对流占绝对优势 ,可能存在数值弥散和数值振荡 ,因而采用多种方法进行了比较。对于同一问题 ,同时采用上游有限差分法 (UFDM) ,混合的欧拉拉格朗日方法 (特征线法MOC、改进特征线法MMOC和混合特征线法HMOC) ,总变异消减法(TVD)进行计算 ,并比较其结果。结果表明 ,混合特征线法 (HMOC)和总变异消减法 (TVD)比较适合于对流占优势的运移问题计算。由于渗透系数K和有效孔隙度θ对溶质运移结果的影响很大 ,?     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在实验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

岩体裂隙饱和/非饱和渗流机理初步研究

基于裂隙局部开度为平行板模型的假定,按一定分布抽样生成裂隙面上开度随机数,并分别对单裂隙饱和及非饱和渗流进行了数值模拟.裂隙饱和及非饱和渗流在渗流机理上都是由于水势差引起的,只不过在非饱和渗流情形下,湿润相水压力小于非湿润相空气的压力.饱和渗流时,水流主要集中在大开度,即“沟槽”中;而非饱和渗流时,水流运动多发生在小开度,即“狭缝”中.     

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,...     

基于CFP的岩溶管道流溶质运移数值模拟研究

多重岩溶含水介质的复杂性导致岩溶地下水流动及溶质运移的数学模拟成为地下水研究难点之一。为了探讨岩溶多重含水介质中地下水流溶质运移特征,文章构建了管道流CFP水流模型和MT3DMS溶质运移三维耦合数值模型。在阐述管道流CFP和MT3DMS基本原理的基础上,通过建立水文地质概念模型算例（1个落水洞、4个直管道）,探讨岩溶管道水流及溶质运移规律,分析讨论不同水文地质参数对浓度穿透曲线的影响。研究结果表明:管道流CFP模型能够刻画岩溶管道与基岩裂隙水流交换特征,MT3DMS模型能够模拟穿透曲线的拖尾现象,符合实际岩溶区特征。随着水力梯度、管道直径及管道渗透系数增大,孔隙度减小,浓度曲线峰值越大,峰值到达时间越快,浓度穿透曲线越对称。得出结论:耦合CFP水流模型和MT3DMS溶质运移模型能够刻画岩溶管道流溶质运移规律,为研究岩溶复杂介质污染物运移特征提供一种思路和途径。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在试验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;节理粗糙系数JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。