一种模拟非均质介质中地下水流运动的快速提升尺度法

本文提出了一种用于模拟非均质介质中的地下水流运动的快速提升尺度法。该方法改进了粗网格单元的细剖分方法,能够在保证水头精度的前提下,用远少于传统剖分法所需的内点将粗网格单元剖分为相同数目的细网格单元,减少构造基函数所需的求解未知项,大幅降低计算量。通过对非均质介质中的二维稳定流以及非稳定流的模拟,快速提升尺度法的结果与解析解吻合得很好。与传统提升尺度法相比,该方法的精度与其相近,但节省了90%以上的计算时间。在求解大尺度、长时间或者复杂问题时,该方法的效率更高。     

求解非均质多孔介质中随机水流问题的多尺度有限元降基方法

为高效求解地下非均质多孔介质中的随机水流问题,通过构造一组独立于随机参数取样的多尺度有限元降基函数和生成一个降阶多尺度模型,发展了一种多尺度有限元降基方法(RMsBM)。并应用矩阵离散的经验插值方法(MDEIM)仿射分解非仿射的随机参数问题的离散系统以加速降阶模型的在线计算。为评估所提出方法的性能与效率,对随机非均质多孔介质中的饱和水流问题执行了若干数值试验。数值结果表明:所提出的RMsBM通过选择合适的粗网格和最优数目的局部多尺度降基函数,可在维持良好计算精度的同时,显著提高在线计算效率。     

求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅰ数值格式

为了有效地模拟跨越多个尺度的非均质多孔介质中的非饱和水流问题,本文提出一种自适应多尺度有限元方法。该方法能在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有非均质系数的非饱和水流方程的粗尺度解。其基本思路是使用修改的皮卡迭代格式来处理方程中的非线性性和构造一种自适应多尺度基函数来捕捉方程系数中的时空变异性。本文详细地描述了构造这一方法的原理并且给出了一种相应的算法。     

稳定流条件下土壤溶质运移两区模型的准解析解及数值模拟

将弥散度概化为运移距离的指数函数，给出了稳定流条件下，非均质土壤中考虑水动力弥散尺度效应及不动水体存在时，一维溶质运移的两区模型。在初始浓度为零，半无限一维空间内定通量边界条件下，推导出了可动区和不动区溶质相对浓度的准解析表达式。用特征有限元法建立了相应的数值模型，从数值解和准解析解的计算数据可以看出：数值计算所产生的误差很小，能满足实际工作对计算精度的要求。     

基于压水试验的均质含水层渗透系数计算方法

从常规吕荣值计算公式出发,分析了用压水试验中的吕荣值作为衡量岩体透水能力定量指标存在的不足,推导出均质条件下压水试验中稳定流和非稳定流状态下的渗透系数计算公式。该公式完善了压水试验数据的分析计算法。选取锦屏一级水电站帷幕灌浆检测孔实测压水数据,采用稳定流及非稳定流方法分别计算其渗透系数,结果表明在短历时压水中采用非稳定流方法计算的渗透系数小于稳定流的计算值。因此,采用非稳定流计算的结果准确性较高。     

边界单元法在地下水非稳定流计算中的初步应用

本文详细地推导了在均质承压含水层中的非稳定流边界单元法的计算公式。分别用边界单元法、有限元法及解析法来模拟北京福利农场1号孔1966年1月16日的抽水试验。讨论了计算中遇到的时间积分的计算方法及时间步长等问题。所得到的计算结果表明:非稳定流边界单元法计算的水位降深对大多数观测孔来说,其数值精度比有限元高;该方法能较好的模拟边界进水量随时间的变化过程;计算结果的精度随边界结点的增加而得到提高。但是,边界单元法随拟合时间的增加,将需要较多的计算机时。     

多孔非稳定流承压含水层抽水试验研究

多孔非稳定流承压含水层抽水试验由于受到各方面因素制约,容易导致观测数据和计算结果的偏差。以试验开展条件良好的高密市大牟家镇槐家村为例,探讨了多孔非稳定流承压含水层抽水试验的参数求取过程,并对结果进行了较为详尽的讨论。     

一种模拟介质交界面处达西流速的分区多尺度有限单元法

地下含水层常由多种不同含水介质组成,交界面处的达西流速需符合折射定律,传统数值方法难以准确模拟。基于多尺度有限元法和区域分解技术提出分区多尺度有限元法(Multiscale finite element method with Domain decomposition technique,MSFEM-D)模拟交界面处的达西流速。该方法运用多尺度有限元法模拟水头,获取全局信息保证解的精度,并提升尺度以降低计算消耗;再利用区域分解技术将研究区分区以分离界面两侧介质,同时结合多尺度基函数和Yeh的有限元模型来高效模拟达西流速。因此,MSFEM-D不仅能保证交界面处的法向达西流速的连续性,还能保证切向达西流速符合折射定律。数值模拟结果表明MSFEM-D能够保证达西流速在交界面处满足折射定律,精度与Zhou等的S1有限元模型相近,并可节约大量计算消耗。     

豫东平原新近系深层地下水水文地质参数探讨

根据单孔非稳定流抽水试验水位恢复资料、多孔非稳定流抽水试验资料、群孔干扰抽水试验资料等不同类型的抽水试验，对深层地下水含水层求解导水系数、弹性释水系数、压力传导系数等参数。结论认为，重视观测孔的布设，结合供水水源、供水井进行多孔组非稳定流抽水试验，合理求得水文地质参数，是深层地下水资源评价的重要步骤。     

建筑物非均质地基的地震液化有效应力判别法

在建筑物均质地基地震液化总应力判别法的基础上，针对非均质建筑物地基，利用锥体传力机制，求得地基中的附加动应力场，对于复杂成层地基，提出了可以直接求解地基中孔隙水压力的地震液化有效应力法判别方法。结合多孔介质动力学理论，给出了横向不均匀的复杂地基的分析方法。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

Implicit Finite-Volume Scheme to Solve Coupled Saint-Venant and Darcy–Forchheimer Equations for Modeling Flow Through Porous Structures

In hydrodynamic modeling of flow through porous structures, the solution domain might encounter discontinuities. These include, for example, porous structure-open channel interface, porous dam-break, and heterogeneous porous structures. The treatment of discontinuity is challenging within a numerical scheme as it can be a source of instabilities. This study proposes a finite-volume method to solve coupled Saint-Venant and Darcy–Forchheimer equations for simulating free-surface flow through porous structures. For capturing shocks arising at discontinuous regions, an upwind scheme is utilized to maintain the solution monotone. Fully implicit methods can allow the choice of longer time steps. Since the current problem involves two nonlinear systems, namely the open-channel and seepage flow equations, the Picard method is adopted to linearize the system of equations. Unlike typical implicit schemes of seepage flows, herein, both flow depth and velocity matrices appear within the iterative process, threatening the convergence criterion. To converge iteration, the continuity equation's flux term is treated using the dynamic wave equation under the relaxation method. The present model is applicable to simulate gradually and rapidly unsteady flow through homogeneous and heterogeneous porous media under laminar, transitional, and fully developed turbulent flow regimes within various closed and/or open boundary conditions.

     

Experimental Investigation on Heat Transfer Enhancement in Composite Porous Media

The method of composite porous media with mini-longitudinal channels at the surface and with beads packing between plates was put foward to improve the integated performance of flow and heat transfer in porous media. The experimental results in the corresponding porous media were reported and analyzed. The experiments indicate that with proper matching of the particle diameter dp, the mini-channel width w, the channel depth d and the distance between plates δr the heat transfer in the composite porois media is enhanced and flow resistence reduced compared with those of no mini-longitudinal channels at the surface. So this is an effective method to improve the integrated performance of flow and heat transfer in porous media.     

基于热示踪的饱和层状介质水热参数反演

多孔介质的水热运移参数是影响介质中水热运动过程的主要因素。本文基于热示踪方法,开展了稳定流场条件下饱和层状石英砂的热示踪实验,分别采用热电偶与热成像两种方法测定了砂箱内部和表面的温度,同时结合HYDRUS模型的反问题算法对层状石英砂的水热运移参数进行了反演。研究结果表明:当介质中存在细粒夹层时,热成像图像能反映非均匀流场中热流峰面在分层界面处出现的"收束"现象;层状介质中的细颗粒夹层可导致热流锋面沿水流方向迁移速率下降、热量沿垂直于水流方向运移范围加大、温度分布更均匀。同时对于热源持续输入的系统,热成像温度在前期能较好的反映层状介质对水流运动的影响。将热示踪与HYDRUS模型相结合可较好地用于反演介质水热运移参数,反演所得的饱和导水率估值随粒径的减小显著降低,纵向热弥散度随粒径的减小而增大,而横向热弥散度变化趋势与之相反;纵横弥散比变化范围在10~120之间,且纵横弥散比随粒径减小而逐渐增大。对细砂饱和导水率的估计不足及热量损失是造成水流通量估计误差的主要原因,在模拟模型中增加细砂层测点数量可显著降低水流通量的估计误差。本研究可为非均质介质中水热迁移过程模拟与参数反演提供相应的方法。     

一类非牛顿流体非线性渗流的压力波解析求解方法及波形分析

一类非牛顿流体渗流的视粘度依赖于压力梯度,且在不同的压力梯度区间内变化规律不同。其具有既不同于牛顿流体渗流,也不同于幂律流体渗流和宾汉流体渗流的非线性渗流特征。建立了该流体在多孔介质内部渗流的数学模型并利用行波法推导出了压力波的解析解。通过一系列算例分析了渗流方程控制参数对压力波形的影响,对比了该类流体与牛顿流体渗流的压力波差异。     

COUPLING SIMULATION OF SURFACE FLOW AND SUBSURFACE FLOW OVER POROUS MEDIA

Mathematical model of water flow over porous media is developed, the computer program is compiled , and an example is given to verify the validity of the model. The results of the calculation show that the model is very useful and worth going further study in practical engineering.     

MECHANISM FOR VISCOELASTIC POLYMER SOLUTION PERCOLATING THROUGH POROUS MEDIA

The pore throat of porous media is modeled as a constricted channel or expanded channel. The flow of viscoelastic polymer solution in pore throat model is studied by numerical method. Relationship between pressure drop and flow rate is developed,viscoelasticity and throat size are found to be two main factors in high flow resistance. According to pore throat model,2-D stochastic channel bundle is put forward to model porous media,which is composed of pore throat models in series -parallel connection with size and length accord to Haring -Greenkorn stochastic distribution. Percolation model of viscoelastic fluid is developed on the basis of Darcy equation and pressure drop vs. flow rate relation in 2-D stochastic channel bundle. Results indicate that the seepage ability of viscoelastic polymer solution decreases with the increase of viscoelasticity,injection rate,and heterogeneity as well as the decrease of mean pore size of porous media. The high pressure drop of viscoelastic fluid at the connection of pore to throat plays a great role in its anomalous high flow resistance through porous media.     

降雨入渗过程的水-气二相流模型研究

本文根据多孔介质中水、气的质量守恒定律，结合多相流理论，建立了求解饱和-非饱和渗流的水-气二相流数学模型，并采用积分形式的有限差分法和NewtonRaphson迭代方法进行数值求解，提出了各种边界条件，包括水相、气相和降雨入渗边界的数学处理方法。利用上述模型对土柱试验进行模拟，将计算结果与试验数据比较，验证了模型的正确性；然后对土质边坡降雨入渗过程进行计算，得到孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力的变化过程，其变化规律符合实际，实现了降雨入渗的水-气二相渗流过程，为定量研究空气阻力对入渗水流的影响提供有效途径。