裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.     

裂隙影响基质渗流的数值模拟1)

建立含裂隙均匀基质中的稳态渗流模型,通过数值模拟得到渗流速度和压力分布,分析不同分布型式的平行和交叉裂隙对基质渗流的影响,并结合油气开采和驱替评价不同裂隙可能带来的后果。研究发现,在裂隙端部压力发生突变,相应的渗流速度也出现急剧变化;对于基质而言,裂隙入口端等同于汇,而开口端等同于源。平行对称分布的裂隙导致周围基质中流速降低,裂隙流量占截面流量的主要部分,而不对称分布的平行裂隙有利于基质中的流动。     

基于物理界面的双重介质有限裂隙渗流模型

基于连续介质或者离散裂隙假设,含裂隙的多孔介质渗流问题有多种数学力学模型。受物理界面的启发,提出一种新的有限裂隙连续介质力学模型,可以为宏观裂隙-多孔介质内的流体输运问题等提供近似计算方案。该模型属于一类双重介质模型,将曲面上低维度的流场转化为三维空间的流场,并且与连续的多孔介质的流场耦合,在数学上表示为统一的输运控制方程和初始边界条件。这个近似模型为不方便实施高维度-低维度耦合求解的数值计算方法提供新的模拟思路,如光滑粒子流体动力学等无网格粒子类方法。     

基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象.因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义.首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟.模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变.与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况.同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同.渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小.     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

渗流对岩体高边坡位移的影响

根据渗流场和位移场耦合机理 ,结合某大型船闸工程 ,采用有限元法进行计算分析和对比 ,结果表明船闸在开挖过程中 ,渗流作用力对开挖边坡的稳定性影响很大。并指出对高边坡进行稳定分析时 ,正确考虑渗流作用力的影响十分重要。     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

幂率流体圆管非定常流动的数值分析

本文讨论水平圆管中幂率流体的起动问题。用显式和隐式两种格式,我们得到了问题的数值解并从而得到流动建立时间的近似公式。     

数值模拟方法在体液流动研究中的应用与展望

计算流体力学的数值模拟技术产生于20世纪60年代,现已成功地应用到众多科学研究与工程设计领域. 从20世纪80年代开始,虽已有不少研究工作开始利用CFD方法与计算机技术对人体的血流、气管中的气流、胆汁流等流动进行数值模拟与分析,但并没有与器官功能分析和病理分析及临床应用紧密联系. 近十几年来,这方面的工作已经取得了长足的进步和发展,模拟出了譬如脑血管、颈动脉、心血管等复杂血管流动,甚至整个肺泡的活动,得到了非常有病理意义和临床价值的图像.本文介绍和评述计算人体流体动力学的历史,发展和已经取得的成果.      

非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望

非定常流场模型降阶技术的出现,为CFD／CSD耦合数值模拟方法在工程设计中的广泛应用提供了新机遇．在对非线性系统模型降阶理论与方法进行概述的基础上,全面系统地介绍了非定常流场降阶模型的国内外研究进展．按基于系统辨识的降阶模型和基于流场特征结构的降阶模型两大类进行评述,比较了各种降阶模型的优缺点并指出了进一步改进的思路．...     

广义Maxwell黏弹性流体在两平板间的非定常流动

将分数阶微积分运算引入Maxwell黏弹性流体的本构方程，研究了黏弹性流体在两平板问的非定常流动．对于广义Maxwell黏弹性流体的分数阶导数模型，导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程，利用分数阶微积分的Laplace变换理论，得到了流动的解析解．     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

NUMERICAL CALCULATION OF 2D,UNSTEADY FLOW IN CENTRIFUGAL PUMPS: IMPELLER AND VOLUTE INTERACTION

A numerical model is developed for calculating the two-dimensional, unsteady, incompressible and turbulent flow within the rotating impeller and stationary volute of an industrial centrifugal pump. The objective is the investigation and comprehension of the instantaneous behaviour of centrifugal pumps, aiming at the reduction of vibrations, radial forces and hydraulic noise. The computation is performed within a blade-to-blade streamtube for the impeller and a tube normal to the axis of rotation for the volute. The equations to be solved are the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations along with the continuity equation and the unsteady κ–ϵ equations for turbulence modelling. The finite volume method is applied for space discretization and an implicit scheme for time discretization. A multidomain overlapping grid technique is used for matching together the relative flow field calculated within the rotating impeller and the absolute one calculated within the stationary volute. In this way the impeller and volute interaction is directly taken into account. The numerical model is validated for a centrifugal pump of N _q=32 under design flow conditions. Comparisons between calculation and measurements show fairly good agreement.     

Maxwell流体管内起动流的研究

对Maxwell流体流体管内起动流的振荡特性进行研究，得到了描述振荡特性的解析解。研究了黏弹性参数对各时刻速度剖面的影响，获得了轴心速度，平均速度和壁面摩擦力随时间的变化规律以及它们的频率特征。结果表明振荡的基频成分决定了流动的主要特性，给出了并分析了基频频率与振幅和黏弹性参数之间的关系。     

峰后岩石非Darcy渗流的一维非定常严格简明解析解

煤炭是中国近期的主要能源,仍需要大力研究. 而煤矿采动围岩大多处于峰后应力状态或破碎状态,其渗流一般不符合Darcy定律. 探讨非Darcy渗流系统, 对其研究既有理论创新价值,尤其在煤矿安全中更有重要的实用价值. 用近年发展的求解偏微分方程新的分离变量法------加法分离变量法,得出了Ahmed-Sunada型非Darcy渗流的3套非常简明的一维非定常严格解析解,以发展相应的渗流理论,以及作为标准解推进渗流数值计算的水平.      

A NUMERICAL STUDY OF UNSTEADY FLUID FLOW IN IN-LINE AND STAGGERED TUBE BANKS

This paper is concerned with the results of numerical calculations for transient flow in in-line-square and rotated-square tube banks with a pitch-to-diameter ratio of 2:1, in the Reynolds number range of 30–3000. Transient-periodic behaviour is induced by the consideration of two or more modules, with a sinusoidal span-wise perturbation being applied in the upstream module. There is a triode-like effect, whereby the downstream response to the stimulus is amplified, and there is a net gain in the crosswise flow component. When an appropriate feedback mechanism is provided, a stable transient behaviour is obtained, with alternate vortices being shed from each cylinder. Flow visualization studies of the results of the calculations are presented together with quantitative details of pressure drop, lift, drag and heat transfer. For the staggered bank, a wake-switching or Coanda effect was observed as the serpentine-shaped wake attached to alternate sides of the downstream cylinder. The induced response is independent of the amplitude and frequency of the applied disturbance, including the case of spontaneous behaviour with no excitation mechanism. For the in-line case where each cylinder is in the shadow of the previous one, the motion is less pronounced; however, a shear-layer instability associated with the alternating spin of shed vortices was observed. In this case, the response was found to be somewhat dependent on the frequency of the applied disturbance, and a transient motion could not be induced spontaneously in the absence of an explicit feedback mechanism. Calculated Strouhal numbers were in fair agreement with experimental data: for the staggered geometry, they had values of between 0·26 and 0·35, or from −21 to +6% higher than measured values, while for the in-line geometry, the Strouhal numbers ranged between 0·09 and 0·12, or about 20–40% lower than experimental values.     

巷道围岩松动圈的地质雷达探测及应用

在简述地质雷达探测原理的基础上, 分析了巷道围岩松动圈雷达探测的可行性。结合华丰矿巷道围岩松动圈探测实例, 提出了松动圈雷达探测方法、图像分析及探测结果应用。结果表明, 采用地质雷达探测巷道围岩松动圈是可行的, 可以用于指导巷道围岩的锚杆支护设计。