考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法

在离散元(DEM)和计算流体动力学(CFD)程序基础上,运用流-固相互作用力方程建立三维CFD-DEM细观耦合数值模拟模型。CFD-DEM的控制方程包括流体-颗粒相互作用力方程、CFD的流体和DEM的颗粒运动方程。其中,考虑到土颗粒的形状效应,引入颗粒滚动阻力机制,介绍了适用性较强的滚动阻力模型。在开源耦合程序CFDEM的框架下,定制CFD开源程序Open FOAM与DEM开源程序LIGGGHTS之间的双向耦合,实现基于颗粒细观的流-固耦合计算。通过砂堆和砂土渗流的模拟分别验证了所嵌入的滚动阻力模型的有效性及耦合模型的可行性。模拟结果表明,圆柱土体中向上渗流流速与水力梯度关系与经典的Ergun理论解接近;耦合模型中所引入的颗粒间滚动阻力模型能够很好地反映颗粒形状对砂堆形成休止角和土体堆积孔隙率的影响。     

非饱和土渗流与变形耦合问题的有限元分析

基于多孔介质力学原理,建立能模拟非饱和土两相流动与变形耦合问题的理论模型。利用Galerkin法对控制方程进行离散,得到控制方程的有限元计算格式。在此基础上,自主开发了有限元计算程序U-DYSAC2,并对Liakopoulos两相流动试验这一经典算例以及重非亲水相流体（DNAPL）在饱和多孔介质中迁移的离心模型试验进行了数值模拟。计算结果表明,理论预测与试验结果基本吻合,验证了所提出的分析方法在模拟非饱和土渗流以及变形问题时的有效性,从而为定量研究饱和-非饱和渗流以及变形问题提供了一条有效途径。     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。      

基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法

描述了一种计算裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法。这种方法忽略裂隙的毛细作用,设定一个与某孔隙饱和度相对应的综合饱和度极限值,并假定：（1）如果裂隙多孔介质的综合饱和度小于该极限值,水只在孔隙中存在并流动,而裂隙中则没有水的流动;（2）如果综合饱和度等于或大于该极限值,水将进入裂隙,并在裂隙内运动。分析比较了等效连续体模型的不同计算方法,并给出了一个模拟裂隙岩体中变饱和渗流与传热耦合问题的应用算例。结果表明,所述方法具有一般性,可以有效地模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的基本特征。     

多孔介质中水气交替注入微观渗流模拟

针对水气交替注入(water-alternating-gas,WAG)过程中,油气水三相渗流的微观机理认识不足和油气水三相流体在多孔介质中分布规律认识不准确等问题,基于三维孔隙网络模型,应用孔隙级模拟方法,从微观角度模拟了不同润湿性多孔介质中的WAG驱替过程.结果表明:连通性较好的多孔介质中,原油主要在前两轮的WAG循环中被驱替出来;在前两轮WAG驱替之后,流体饱和度和分布规律达到比较稳定的状态,但在完全水湿模型中油相仍然在多孔介质中流动.得出的WAG驱替过程中各相流体饱和度的变化规律、各相流体分布规律和驱替类型,较好地阐述和解释了多孔介质中的微观驱替机理.     

应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟

基于多孔介质渗流力学和流固耦合理论,建立了应力作用下煤储层中煤层气流固耦合数学模型,并根据数学模型的非线性特性,采用多重物理量耦合软件COMSOL Multiphysic进行数值模拟分析,通过模拟结果研究了煤岩体中压力和浓度的分布特性,并且研究了耦合与非耦合情况下压力动态曲线,为模拟煤层气产量预测和预防矿井瓦斯突出提供了理论依据。     

有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响

以低渗透多孔介质为研究对象,通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线。研究表明,流体在低渗透多孔介质中渗流时,流固耦合效应十分显著。这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小,而孔隙度的微小变化,都会对渗透率产生大的影响,因此低渗透介质随有效应力的变化十分明显。由于流固耦合效应的存在,在低渗透油气藏的开发中,不宜采用降压开采,进行油藏数值模拟时,也应进行油藏流固耦合数值模拟。      

多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。     

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明：(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES = 10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。