流固耦合问题及研究进展

传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。      

岩体介质的随机固流热耦合模型

考虑岩体介质是由基质岩块与裂缝组成的结构体,采用岩体结构力学的研究方法,针对岩石矿物组分及其分布的不同,将物理力学参数作为随机介质,建立了岩体介质的三维随机非均质固流热耦合数学模型,介绍了随机有限元计算方法,深入分析了随机固流热耦合模型的特点,该模型是经典固流热耦合数学模型的扩展,为岩石热破裂数值实验的研究提供了理论基础及其方法。     

多孔介质固液耦合相似材料的研制

为研究地下结构与富水多孔岩体的相互作用问题,根据模型试验相似理论,研制出了一种多孔介质固-液耦合相似材料,该材料由中粗砂、水泥、透水混凝土增强剂合水按一定配比均匀拌和压制而成。运用正交试验设计原理进行配比试验,制作模型小试件,进行了单轴抗压强度、渗透系数、重度、弹性模量、泊松比等参数测试,找出了相似材料各成分对配比试件的影响特征,可根据需要在物理模拟试验中选取不同配比。该配方力学指标稳定,满足一次性浇筑大尺寸模型试件的要求,适用于进行结构与围岩体耦合失效破坏模式的大型物理模拟试验,为富水条件下地下结构风险评估提供了相似试验材料     

含裂隙饱和多孔介质流-固耦合的扩展有限元分析

基于应力平衡方程、渗流连续性方程以及改进的Biot有效应力原理,建立了含裂隙可变形饱和多孔介质流-固全耦合问题的控制方程。流体在介质和裂隙中的流动均满足达西定律,得到的非线性全耦合方程不仅反映多孔介质内部物理量的耦合效应,还考虑介质与裂隙之间的耦合作用。扩展有限元法在处理含裂隙问题时具有独特的优势,采用普通有限元和扩展有限元法构建了数值计算体系。在进行空间离散时,介质内部的位移和孔隙压力均采用普通的有限元进行离散;裂隙处的位移模式引入扩展有限元中的两类附加位移函数,以反映裂隙面的位移强不连续性和裂隙端部的应力奇异性;引入孔隙压力加强函数,以体现裂隙法向孔隙压力的弱不连续特征。使用向后差分格式进行时间离散。算例验证了该模型和算法的正确性和有效性,分析了裂隙的存在对流体流动的延迟作用、裂隙中张开位移及孔隙压力等物理量的分布情况,讨论了渗透率、外部流量的改变对计算结果的影响。     

非饱和土中的流-固耦合研究

概述了非饱和土变形．渗流相互作用的多相流一固耦合理论的研究进展。重点讨论了在理论研究和实际应用方面所存在的几个主要问题，其中包括理论控制方程组描述、土．水特征曲线、固体骨架的弹塑性本构模型以及各种数值算法等研究。另外，就该理论在降雨入渗滑坡、土体的蒸发固结效应等问题的应用进行了简单的讨论，并指出了目前应用的热点和新的研究领域。研究结果表明，进一步发展非饱和土流．固耦合理论对解决非饱和士力学和环境地质灾害的工程问题有着重要的意义。     

饱和多孔介质热-水-力控制方程耦合项的意义及耦合影响分析

基于饱和多孔介质完全耦合条件下热-水-力控制方程的一般形式,对各耦合项的物理意义进行了分析。以等温条件下水-力耦合的Biot渗透固结理论和等压条件下热-力耦合的热弹性理论两种退化形式为基础,给出耦合系数的物理意义及其函数表达式。研究表明,其中一些耦合系数实际上有相同的物理意义和数学形式,因而可使控制方程得到简化。针对不同的介质特性以及热、水、力条件,给出几种特定情形下控制方程的简化形式。以无限大多孔介质中球域热源的热力学响应分析为例,对一些耦合项的影响程度进行了比较研究。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合数值模拟

根据低渗裂缝性砂岩油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型;通过实验得出有效压力改变对储层孔隙度、渗透率影响的规律;考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性,将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立起适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上,编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件.通过数值模拟和不考虑流-固耦合时的计算结果相比,可以看出低渗油藏中流-固耦合效应十分明显.     

空心圆柱饱和多孔介质热固结问题的解析解

基于考虑热渗效应和等温热流效应的热-水-力耦合的线性热弹性固结控制方程,建立无限长空心圆柱饱和多孔介质热固结问题的一种理论求解方法。该方法先给出Laplace变换域上的解,然后,利用Stehfest法求其数值逆变换。该理论解考虑了空心圆柱体内、外透水界面随时间变化的外力和温度荷载耦合作用过程。最后,通过一算例分析了饱和多孔介质的热固结特征,给出其温度、孔压、位移和应力的演化规律     

岩石流-固耦合实验研究

应力与岩石的变形破坏和渗透特性关系密切。实验结果显示,一方面,岩石破坏前后其渗透性达到最大,渗透率变化与岩石性质有关,砂岩的变化服从指数函数关系,泥质砂岩、砂质泥岩或者泥岩服从抛物线型函数关系;另一方面,在大多数情况下,应力变化仅导致岩石微小变形而并未破坏。渗透性随有效应力变化,并且与岩石空隙形状有关,岩石空隙形状包括三重孔隙介质,分别为基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙。裂缝性岩心的渗透率和孔隙度损失较孔隙性岩心、毛细管型岩石损失大,渗透率的变化总是大于孔隙度的变化。孔隙岩块的孔隙度和渗透率随有效应力的变化关系符合指数型数学模型,裂缝型岩石宜用幂指数型数学模型描述,毛细管型岩石则用二次抛物线数学模型描述较为恰当。     

我国油藏渗流-温度-应力耦合的研究进展

油藏流固耦合理论的研究,近年来引起中国学者的极大兴趣,成为油藏工程及相关领域研究的热点问题之一。笔者不但比较系统地介绍了石油工程中遇到的不可忽略的流固耦合问题,而且,对油藏流固耦合的主要研究方法、研究结果等进行了报道,并对油藏热流固耦合研究的发展趋势和前沿方向进行了展望。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

Two methods for pore network of porous media

Two approaches of generating pore networks of porous media are presented to capture the pore fabric. The first methodology extracted pore structure from a computer simulated packing of spheres. The modified Delaunay tessellation was used to describe the porous media, and modified Nelder–Mead method in conjunction with three pore‐merging algorithms was used to generate the pore size and coordination number distributions of the randomly packed spheres. The Biconical Abscissa Asymmetric CONcentric bond was used to describe the connection between two adjacent voids. This algorithm was validated by predicting pore structure of a cubic array of spheres of equal radius with known pore sizes, throat sizes and coordination number distributions. The predicted distributions of pore structure agreed well with the measured. Then, the algorithm was used to predict pore structure and permeability of randomly packed spherical particles, and predicted permeability values were compared with published experimental data. The results showed that the predicted permeability values were in good agreement with those measured, confirming the proposed algorithm can capture the main flow paths of packed beds. The second methodology generated an equivalent pore network of porous media, of which the centers of voids were located in a regular lattice with constant pore center distance. However, this network allowed for matching both main geometrical and topological characteristics of the porous media. A comparison of the two approaches suggested that the second approach can also be used as a predictive tool to quantitatively study the microscopic properties of flow through porous media. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于SPH方法的非饱和多孔介质相变耦合研究

在考虑相变的热能平衡方程和非饱和水分迁移质量控制方程的基础上,建立温度场-水分场的耦合模型,并采用一种无网格粒子算法（SPH）进行数值求解。其中,耦合方程中考虑了水流传热以及温度势对水流的直接驱动,在不考虑相变的情况下,该耦合模型可退化为常温下的水-热耦合模型,故可用于模拟冻融循环的相关问题。从求解热能平衡方程中的含冰量出发,实现解耦并对半无限单向冻结条件下介质内非稳态温度场和体积含水率分布场进行模拟,将耦合作用下的温度场与不耦合的解析解进行对比,反映出水分迁移对温度场存在较大影响。最后,求解了路基边坡在季节性周期温度边界下,温度场、水分场分布的演变规律,并评估了边坡阴阳面受热不均对水热两场分布的影响。计算结果基本能反映土冻结相变的实际物理过程,光滑粒子算法可以用于尝试解决冻土领域的其他相关问题。     

储层流固耦合的数学模型和非线性有限元方程

根据饱和多孔介质固体骨架的平衡方程和多孔介质中流体的连续性方程,建立了储层流固耦合数学模型。模型中引入了Jaumann应力速率公式描述多孔介质固体骨架的大变形效应,并考虑了地应力、初始孔隙压力、初始流体密度和初始孔隙度对耦合模型的影响。基于与微分方程等价的加权余量公式,在空间域采用有限元离散,对时间域进行隐式差分格式离散,导出了以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量的储层流固耦合的非线性有限元增量方程。该模型在石油工程中有广泛的应用,为储层流固耦合的数值模拟奠定了理论基础。     

A finite element method for modeling coupled flow and deformation in porous fractured media

Modeling the flow in highly fractured porous media by finite element method (FEM) has met two difficulties: mesh generation for fractured domains and a rigorous formulation of the flow problem accounting for fracture/matrix, fracture/fracture, and fracture/boundary fluid mass exchanges. Based on the recent theoretical progress for mass balance conditions in multifractured porous bodies, the governing equations for coupled flow and deformation in these bodies are first established in this paper. A weak formulation for this problem is then established allowing to build a FEM. Taking benefit from recent development of mesh‐generating tools for fractured media, this weak formulation has been implemented in a numerical code and applied to some typical problems of hydromechanical coupling in fractured porous media. It is shown that in this way, the FEM that has proved its efficiency to model hydromechanical phenomena in porous media is extended with all its performances (calculation time, couplings, and nonlinearities) to fractured porous media. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

非均匀多孔介质等效渗透率的普适表达式

多孔介质渗流是普遍的物理过程,涉及地下工程、地热开采、环境工程等各行各业,尤其是工程建设,常面临防渗问题。由于地质条件的复杂性,工程区域地层受到成岩、压实、风化、生物作用等各种影响,故渗流性质复杂,常需要对建设区域的渗流状况进行数值模拟,从而为工程的设计施工提供决策依据。数值仿真结果依赖于对地层介质关键参数的选取,但目前工程多将其视为均匀介质处理,对于介质的非均匀特性考虑较少。文章旨在研究非均质多孔介质渗透率空间分布与等效渗透率的关系。基于连续介质假定、达西定律以及非均匀多孔介质渗透率空间分布函数,建立一维到三维的达西渗流问题模型,通过求解偏微分方程和理论推导,得到基于渗透率空间分布函数的等效渗透率理论表达式,并与有限元计算的数值解进行对比分析,结果表明理论值和数值解误差很小,证明等效渗透率的表达式的合理性。利用该成果可通过多点局部渗透率的测定构建渗透率空间分布函数,从而对整体渗流区域的渗透性质进行快速计算和评估,从而简化异常复杂的工程地质模型以减少计算量需求,对于工程仿真的快速计算和结果评估有重要意义。     

Numerical study of boundary conditions for solute transport through a porous medium

A transition region may be defined as a region of rapid change in medium properties about the interface between two porous media or at the interface between a porous medium and a reservoir. Modelling the transition region between different porous media can assist in the selection of the most appropriate boundary conditions for the standard advection–dispersion equation (ADE). An advantage of modelling the transition region is that it removes the need for explicitly defining boundary conditions, though boundary conditions may be recovered as limiting cases. As the width of a transition region is reduced, the solution of the transition region model (TR model) becomes equivalent to the solution of the standard ADE model with correct boundary conditions. In this paper numerical simulations using the TR model are employed to select the most appropriate boundary conditions for the standard ADE under a variety of configurations and conditions. It is shown that at the inlet boundary between a reservoir and porous medium, continuity of solute mass flux should be used as the boundary condition. At the boundary interface between two porous media both continuity of solute concentration and solute mass flux should be used. Finally, in a finite porous medium where the solute is allowed to advect freely from the exit point, both continuity of solute concentration and solute mass flux should be used as the outlet boundary condition. The findings made here are discussed with reference to a detailed review of previous relevant theoretical and experimental observations. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

岛状多年冻土管道周围热-水-应力耦合数值模拟

考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力（T-H-M）耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。     

A mixed solution for two-dimensional unsteady flow in fractured porous media

A mixed finite element–boundary element solution for the analysis of two-dimensional flow in porous media composed of rock blocks and discrete fractures is described. The rock blocks are modelled implicitly by using boundary elements whereas finite elements are adopted to model the discrete fractures. The computational procedure has been implemented in a hybrid code which has been validated first by comparing the numerical results with the closed-form solution for flow in a porous aquifer intercepted by a vertical fracture only. Then, a more complex problem has been solved where a pervious, homogeneous and isotropic matrix containing a net of fractures is considered. The results obtained are shown to describe satisfactorily the main features of the flow problem under study. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.