粗糙元对单裂隙中溶质运移影响模拟研究

裂隙的粗糙度对单裂隙中的溶质运移有着重要的影响,然而粗糙元的形状(粗糙裂隙壁面上的各种凸起/坑洼)对单裂隙中溶质运移的影响机理尚未完全清楚。该研究通过求解纳维—斯托克斯方程和溶质运移方程模拟了具有不同粗糙元形状(矩形、梯形、三角形)的单裂隙中的溶质运移,并利用稀释指数量化了裂隙内溶质的空间分布。模拟结果表明粗糙元起始处的切线方向与流线的夹角越大,则发育的涡流体积越大,引起的溶质非均匀流动越明显;对溶质运移突破曲线和停留时间分布的分析表明随着流速的增加,溶质运移逐渐由费克运移转变为非费克运移,其相应的突破曲线表现出越来越显著的"早到"和"拖尾"特征;粗糙元密度与停留时间分布的幂律拟合参数b之间存在明显的正相关关系;对于相同的雷诺数,矩形粗糙元引起的非费克行为比梯形和三角形粗糙元更显著。该研究有助于进一步完善粗糙裂隙溶质运移理论。     

矩形水槽水流阻力系数的计算

Keulegan 运用 Prandtl 壁面上的流速分布公式,导得明槽紊流阻力平方区的阻力系数计算公式λ=8/(2.5ln_Δ~R A_0)~2式中,R—水力半径;Δ—壁面粗糙凸起高度;A_0—由实验所确定的常数。Keulegan 用Bazin 的资料计算时,却得到了 A_0值的范围很大(A_0=3.23～16.92),而表明 A_0与断     

齿状微裂隙气流和水流的LBM模拟

裂缝介质中的气流和水流运动是地质资源和能源开发面对的重要自然过程。粗糙裂隙的复杂形态在一定程度上改变了流体的运动路径,使得Darcy定律的适用性受到影响。实际粗糙裂隙结构复杂无序,单从实验的角度观测难度较大,该文采用格子Boltzmann方法对不同尺寸和凹槽比例的对称齿状微裂隙进行气流和水流模拟,分析了流场速度和流量的变化规律。模拟结果表明裂隙中发育一系列顺时针方向旋转的涡流,凹槽的比例不同对旋涡的形态和个数有较大的影响。旋涡的形成对流体流速分布也有影响,相比水流,气流旋涡的转速更快、中心点更高及顶部顺风坡更长。穿过裂隙断面的流量随压差的增加而增大,气流呈非线性关系,不满足Darcy流假设,而水流呈线性关系,满足Darcy流假设。该文方法可进一步用于其它规则形态的裂隙流。     

粗糙圆管进口段紊流边界层发展区的流动特性

本文在流速分布对数律假设下,通过求解动量积分方程获得了粗糙圆管进口段紊流边界层和进口段长度的计算式。当圆管半径R→∞时,即得到粗糙平板紊流边界层的计算式。本文还给出了粗糙圆管紊流边界层和进口段长度的简化计算式,并建议了粗糙圆管平均流速的计算式及流速分布指数n与参数δ/Δ、δ/R的关系式。本文成果对进一步研究流动阻力等问题是很有益的。     

岩体裂隙内稳定水泥浆液扩散范围的理论分析

根据粗糙裂隙的等效水力开度与力学开度的关系,导出了计算粗糙裂隙内流体扩散范围的修正系数;然后建立了宾汉浆体在光滑裂隙内的辐射流运动方程,求解得到预测稳定水泥浆液最大扩散距离的解析公式;该公式经给定的修正系数修正后可应用于粗糙岩体裂隙。研究结果表明,现有求解岩体裂隙内浆液扩散半径的理论公式中,裂隙的开度值应取粗糙裂隙的等效水力开度,且预测公式应该用一个小于1的系数修正。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

不同节理粗糙度系数的裂隙渗流规律研究

裂隙的研究对石油开采、水利工程以及地下空间的利用都具有重要的意义。真实裂隙表面粗糙的几何形态会影响流体的流动特性及裂隙的传导能力,立方体定律难以满足使用条件。根据节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,采用逆向数字化建模方法,开展仿真模拟不同JRC裂隙渗流规律的研究。结果表明:作用在不同粗糙度裂隙两端的压差恒定时,随着节理粗糙度的增加裂隙内流体的流量逐渐减小;流入不同粗糙度裂隙单位体积流量恒定时,随着粗糙度的增加,作用在裂隙两端的压差逐渐增大;模拟结果与实验结果相对比,得出裂隙机械宽度与流量之间的关系曲线表现出明显的非线性特征,两条趋势线相吻合,均符合对数关系。     

大比降卵石河床水流运动试验研究

针对我国西北地区内流河宽浅变迁河段的比降和河床组成,本文采用乒乓球模拟颗粒排列紧密的大比降河床,研究大比降卵石河床的粗糙尺度和流速分布问题。试验研究发现:(1) 相对光滑度H/Ks >1.9时,垂线流速服从对数分布规律较好;H/Ks <1.9 , 粗颗粒的形状对水面产生明显影响,对数分布规律较差,小尺度粗糙的临界值可确定为2。(2)采用对数流速分布拟合试验数据,在卡门系数k为0.4的情况下,得到粗糙壁面的积分常数为 9.4。并对本试验结果与国内外的研究成果作了比较。     

光滑及粗糙壁面明渠湍流流动数值模拟

利用FLUENT软件对光滑及粗糙壁面明渠湍流流动进行数值模拟,分析了断面分区结构及流速分布、湍动强度分布、壁面切应力及摩阻流速。数值离散方法为有限体积法,自由表面的处理采用简单的"刚盖"假定,固壁面处理采用壁面函数法。将数值计算结果与物理模型试验结果作了比较,发现两者吻合得较好,表明FLUENT软件在计算明渠湍流过程中能够得到很好的模拟效果。     

裂隙岩体热流模型研究

基于裂隙岩体地区渗流场和温度场的相互作用机理和流体力学及传热学基本原理，研究了裂隙岩体地区一、二维温度场的分布，进而对裂隙水流量、流体性质、水岩温差等影响温度场分布特征的物理量进行了分析，建立了单裂隙岩体地区温度场模型。根据现场温度场数据，就可以计算裂隙岩体渗漏流量、流速等水文地质参数。     

Lattice Boltzmann simulation of solute transport in a single rough fracture

In this study, the lattice Boltzmann method （LBM） was used to simulate the solute transport in a single rough fracture. The self-affine rough fracture wall was generated with the successive random addition method. The ability of the developed LBM to simulate the solute transport was validated by Taylor dispersion. The effect of fluid velocity on the solute transport in a single rough fracture was investigated using the LBM. The breakthrough curves （BTCs） for continuous injection sources in rough fractures were analyzed and discussed with different Reynolds numbers （Re）. The results show that the rough frac~＇e wall leads to a large fluid velocity gradient across the aperture. Consequently, there is a broad distribution of the immobile region along the rough fracture wall. This distribution of the immobile region is very sensitive to the Re and fracture geometry, and the immobile region is enlarged with the increase of Re and roughness. The concentration of the solute front in the mobile region increases with the Re. Furthermore, the Re and roughness have significant effects on BTCs, and the slow solute molecule exchange between the mobile and immobile regions results in a long breakthrough tail for the rough fracture. This study also demonstrates that the developed LBM can be effective in studying the solute transport in a rough fracture.     

基于分形理论的岩石裂隙非线性渗流各向异性研究

针对裂隙岩体非达西渗流问题,开展了不同粗糙裂隙非线性渗流特性的研究。将完整的方形岩块采用劈裂法制成裂隙试件,用三维光学扫描系统量测裂隙表面形貌,并采用Kulatilake提出的自仿射分形维度方法计算表面的分形维度来表征粗糙表面的各向异性特征。根据裂隙流的曲折效应,在Forchheimer定律基础上,提出了水文弯曲度和表面分形幂律关系来表征非线性特点,并由此提出了新的粗糙裂隙非线性分形模型。对各组裂隙试件在2个方向（0°,90°）上进行饱和渗流试验,发现流动符合Forchheimer定律且存在各向异性特点,最后由分形模型,提出了区分达西流与Forchheimer流的新判据。     

瞬态压力分析方法在小型压裂地应力测试中的应用

小型压裂地应力测试是最可靠的深部岩体原位地应力状态测量方法,裂缝闭合压力等于最小水平主应力,故确定裂缝闭合压力是小型压裂测试分析的关键。小型压裂法分析基础为一维流体模型,考虑在一个竖直井旁产生交叉的垂直裂缝,该裂缝具有有限或无限的导流能力,这就自然引入了瞬态压力分析(PTA)的概念。尽管PTA方法已经广泛应用于石油/天然气行业,但在岩石力学工程的小型压裂测试分析中是新引入的概念,少有相关研究。首先回顾了瞬态压力分析的基本原理及其在小型压裂地应力测试中的应用;其次用偏微分方程描述小型压裂地应力测试过程中的压降过程,不同的流体状态代表张开状态的裂缝、正在闭合的裂缝以及闭合后的裂缝;这些不同的流体状态可以在压力导数曲线中表现出来,并利用这些特性识别裂缝的闭合压力;最后结合某深埋隧道小型压裂地应力测试,采用PTA方法分析确定了最小水平主应力,并与其他分析方法作了对比,为隧道工程小型压裂地应力测试分析提供一定的参考。     

岩体裂隙传导系数研究

本文采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，证明了单一裂隙的有效隙宽小于平均隙宽，且依赖于平均隙宽的均方差。研究了充填裂隙接触面积对流态的影响，论证了一些经验公式的局限性和有效性，对各种单宽流量公式的偏差进行了分析。     

EXPERIMENTAL STUDY OF FRICTION FACTOR FOR GROUNDWATER FLOW IN A SINGLE ROUGH FRACTURE

To study the relationships between the friction factor f and the flow type in a single rough fracture, the formulae of f for both unconfined and confined flows are deduced based on previous studies. The relationships between f and the Reynolds number (Re) for different relative roughnesses are investigated experimentally. The Moody-type diagram, based on the deduced formula of f, is also plotted and the hydraulic characteristics of the flow in a rough fracture are analyzed. Results show that the Moody-type diagram of the experiment has a similar distribution to that of the conventional Moody diagram. It is found that the value of f in the experiment is much smaller than that of the conventional Moody diagram and turbulent flow appears easier for rough fractures, which can be explained by the separation phenomenon in boundary layers. The critical Re ranging from 650 to 700 in rough fractures is concluded based on the experimental results. It also can be concluded that the friction factor f is related not only with the Re and the relative roughness but also with the absolute roughness.     

圆管壁粗糙度对圆管内流态影响研究

基于尼古拉兹圆管实验思想,利用颗粒流程序中的流体计算模块,实现了对圆管壁粗糙度的模拟,进而分析了不同粗糙度对圆管断面流态分布的影响以及在不同压力差作用下平均流速与圆管壁粗糙度之间的关系。研究结果表明:圆管内流体流速受管壁的扰动影响,在横截面上呈U型分布,而非抛物线型分布;圆管壁对管内流体流态的影响范围随管壁粗糙度变化而变化,圆管管壁相对粗糙度越大,管内受扰动流体范围越大,即管内层流范围越小;在管壁粗糙度一定的情况下,圆管断面流量随上下端面压力差的增大而增大;在相同压力差作用下,圆管断面流量随管壁相对粗糙度增大而逐渐减小,颗粒的阻流作用明显;随着管壁粗糙度的增大,圆管上下端面受压力差作用的影响范围也随之增大,使管内流体流态变得更加复杂。     

浮帘群水流阻力特性试验研究

为探明含浮帘群水流的阻力特性和各阻力参数计算方法,对不同间距、不同高度浮帘群在不同恒定均匀明渠流中的阻力特性开展了92组水槽试验。通过拟合水面线获得水力坡降,探讨浮帘拖曳力系数、曼宁糙率和达西韦斯巴赫阻力系数的变化规律。研究结果表明:浮帘群布置存在临界间距,此时浮帘间的相互干扰作用几乎消失;浮帘群消能增阻作用明显,其拖曳力系数在不同水流条件下变化较小,取值介于1.60~2.05之间;曼宁糙率主要与浮帘相对高度及浮帘分布密度有关,并获得了曼宁糙率的修正计算方法;达西韦斯巴赫阻力系数可由浮帘相对高度、浮帘分布密度及浮帘雷诺数组成的拟合公式获得。     

粗糙壁面溢流反弧水力特性及紊流边界层的研究

本文对溢流反弧（Ｒ＝１００ｃｍ）不同粗糙度模型水力特性进行了系统试验，探讨了壁面粗糙度对反弧水流流速、压强分布及边界层发展的影响。综分析了流速分布的影响因素，得出反弧水流边界层外部势流流速不受粗糙度影响的结论，给出了边界层内流速指数随粗糙度变化的关系式。试验表明粗糙度对离心力压强影响甚微。给出了反映壁面粗糙度影响的边界层厚度计算式。     

基于三维形貌分析的结构面剪切试验研究

为研究结构面表面形貌、正应力及剪切历史对岩石结构面剪切特性及强度的影响规律,利用近景摄影测量技术测量试验前后结构面三维形貌数据,对影响结构面剪切特性的因素开展定性与半定量的分析。分析结果表明①结构面形貌对剪切特性的影响具有方向性,视倾角>0°的凸起体才可能在剪切过程中起抵触作用;②起伏粗糙对剪切特性的影响随正压力增大而降低,相应的剪胀效应也随正压力增大而减小;③在低正压力条件下,结构面表面的起伏凸起体即可被磨损剪断,首先出现磨损剪断的是视倾角较大的凸起,在经历1次正应力条件下剪切变形后,剪切曲线便不再出现峰值现象;④摩擦角随正压力增大而减小,而黏聚力随正压力增大而增大;⑤单块试样反复剪切试验中,取第1次残余值与后续剪切强度值拟合得到的剪切强度参数可代表具有剪切运动历史的结构面剪切强度。