多孔介质中反复注入颗粒迁移特性试验

通过两种不同渗流速度的室内试验系列,采用在每个系列中分别向土柱中注入13次约392 mL颗粒悬浮液的方法,研究了注入次数和粒径对多孔介质中颗粒迁移特性的影响。结果表明,注入次数、颗粒粒径以及渗流速度对颗粒迁移特性有重要影响:在稳定速度的渗流作用下,注入颗粒的迁移特性曲线呈现类似于"正态分布"的规律,下降段持续时间大于上升段持续时间;渗流速度较小时,随着注入次数增加,颗粒浓度峰值逐渐增大;渗流速度较大时,颗粒浓度峰值几乎不随注入次数变化。中值粒径为3.40μm的颗粒随深度增加,沉积颗粒的质量比逐渐减小;中值粒径为5.10μm的颗粒在0.085 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比要明显大于0.170 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比。渗流速度较小时,颗粒粒径越大所受的重力越大,相应的运动速度也越大;渗流速度较大时,水动力是影响颗粒迁移速度的主要因素。粒径越大的颗粒所受的筛滤作用也越大,相应的沉积量也越多。     

不同浓度悬浮物颗粒在多孔介质中迁移特性研究

多孔介质中悬浮物迁移特性的研究,有利于减缓实际回灌工程中的堵塞问题,对地下水人工回灌技术的推广具有重要理论意义。采用室内砂柱试验,研究不同悬浮物浓度条件下多孔介质渗透性的变化、悬浮物颗粒在饱和多孔介质中的运移-沉积规律,并分析堵塞发生的机理。本次试验以中位粒径224.2μm的石英砂作为入渗介质并在砂柱中分别连续注入由中位粒径3.24μm的悬浮物颗粒配制而成的三组不同浓度溶液(100 mg·L~(-1)、300 mg·L~(-1)、500 mg·L~(-1))。研究结果表明,在不同的回灌浓度条件下,砂柱内均发生了表面-内部双重堵塞;且随着悬浮物溶液浓度的增加,悬浮颗粒在多孔介质内的迁移量减少,而滞留量却明显增多,但悬浮物浓度对沉积量的影响随着入渗深度的增加而减小;堵塞速率也会随着回灌液浓度的增加而加快;在回灌的初始阶段,多孔介质的渗透性随时间下降幅度很大,随着试验的进行,最终会趋于稳定状态,且越靠近砂柱表层,悬浮物堵塞的程度越为严重。在实际的人工回灌工程中,要尽可能降低回灌液中悬浮物颗粒的浓度,以降低堵塞的风险,保证回灌工程更为长久地运行。     

聚合物驱相对渗透率曲线及影响因素试验研究

本文从聚合物溶液在多孔介质中流动的特点出发，在考虑渗率降低系数和多孔介质中流变特性的基础上，建立了聚合物驱相对渗透率计算方法，利用驱替试验数据，用本文方法和不考虑多孔介质中流变性两种方法分别计算出聚合物驱相对渗透率。分析研究了水驱与聚合物驱相对渗透率曲线的差异。研究了多孔介质中剪切速率对计算的影响以及聚合物浓度。注入速度对聚合物驱相对渗透率的影响。     

虹吸式轴流泵装置固液两相流数值模拟

为研究轴流泵输送含沙水流时的工作性能,基于Euler多相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对轴流泵装置内固液两相流动进行数值模拟。重点分析了0.8、1.0和1.2倍设计流量条件下轴流泵装置在含沙工况和清水工况的能量性能和流态差别。同时,进一步探究了不同固相颗粒直径和浓度对装置内部固液两相流动的影响规律。结果表明:同一流量条件下,含沙工况下的泵装置效率和扬程都比清水工况低,且导叶体和出水流道流态较清水工况差;随着固相颗粒直径的增加,叶轮叶片壁面处颗粒体积分数逐渐增大,且颗粒体积分布均匀性越差,固相颗粒主要集中于叶片压力面进口处及吸力面靠近轮缘处;而随着颗粒浓度的增大,叶片表面及导叶表面固相颗粒分布的均匀度变差,固相颗粒主要分布于靠近叶片压力面进口处、吸力面靠近轮缘处,导叶处流态变差。研究结果可为轴流泵装置的优化设计提供一定参考。     

离心泵内部两相流模拟及其叶轮的流固耦合分析

应用N-S方法和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE法,对离心泵内部三维固液两相流进行了模拟计算。得到不同固相(颗粒)浓度下的离心泵内部压力分布和内部颗粒浓度分布情况,并且基于流固耦合原理对离心泵叶轮进行结构分析,采用多物理场协同仿真平台ANASYS Workbench,通过单向流固耦合技术实现离心泵叶轮结构的仿真计算,获得了离心泵叶轮在同一工况、不同固相浓度下的等效应力及变形情况。计算结果表明,蜗壳中压力和固相体积浓度分布规律都是从进口处随蜗壳半径增大而增大,并且在隔舌处出现浓度分布不均匀的现象。各种计算条件下,叶轮的等效应力和总变形情况变化趋势基本上相同,叶轮的应力分布都不均并且存在局部应力集中,固相体积浓度越大离心泵叶片的变形也越严重。     

基于有限体积法的三维CFD-DEM耦合方法

本文基于有限单元法对流体控制方程进行离散,并与离散单元法进行三维流固耦合计算。首先,针对多孔介质土体选取合适的控制方程,包括流体运动方程、颗粒运动方程及流固相互作用方程。然后将编译的计算流体力学程序引入离散单元法中进行耦合计算。最后,针对单颗粒沉降进行了数值模拟,结果表明:颗粒在刚开始下落时,速度增加较快,然后增加速率逐渐变缓并趋于稳定;随着颗粒的不断下降,其所受拖拽力随着时间先迅速增加,然后逐渐与浮重力一致;颗粒下降速度稳定后,水压(扣除静水压力)在颗粒附近呈蝶翼状分布,且颗粒上方为负压,下方为正压;颗粒下方水流向两侧外流,而上方水流向颗粒上方汇聚。以上研究结果表明此次编译的计算流体力学程序能够很好地和离散单元法进行耦合,并可用于研究多孔介质流固耦合问题。     

地下水源热泵回灌过程颗粒迁移-脱离模型及堵塞区判定

开展多孔介质中悬浮颗粒的迁移-脱离过程研究对地下水回灌工程、注浆工程和石油工程等具有重要意义。以地下水源热泵工程为依托,提出了描述颗粒迁移-脱离过程的波浪状曲面模型,研究不同的粒径组合以及不同压力对多孔介质中颗粒迁移以及脱离特性的影响。在此基础上,采用Comsol对典型地下水源热泵工程进行模拟,揭示了不同粒径及压力分布条件下回灌堵塞区分布规律。结果表明:在相同颗粒粒径组合(相同临界速度)下,压力越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越大;在相同压力下,临界速度越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越小;其他条件相同时,位置离抽水井和回灌水井越近,压力越大,渗流速度越大,悬浮颗粒越容易脱离。     

一维多孔介质中气体渗流与多相气固反应分析

考虑到气体的压缩性，按渗流力学给出了多孔介质中的非均匀流场，并进一步研究多孔介质内的多相气固反应和传输。与不可压缩气体对流、反应、扩散的比较表明，两种流动的孔隙压力分布差别很小，但渗流速度的差别却较大。由于小的速度差会引起Peclet数的大的差别，最终引起气体浓度的较大差别，因而有必要考虑气体的压缩性。人口处的流速与多孔介质内由于气体膨胀产生的附加速度是有实质差别的两种对流，前者使气体浓度上升，后者使其浓度下降。对流对反应气体和产物气体传输的影响不同，但这仅是表面现象的不同，对流的本质不变。对颗粒堆积的多孔介质，颗粒半径和孔隙率越小，以Mach数作为判别气体压缩性是否可以忽略的指标就越不合理。因此对多孔介质中的气体流动，应该用压降作指标判别是否可以忽略气体的压缩性。     

直流燃烧器一次风通道气固两相流实验研究

在工作中,运用三维粒子动态分析仪(3D-PDA),对某燃煤锅炉新型直流燃烧器一次风通道内气体-颗粒两相流动进行了实验测量,得到了一次风通道内气固两相速度分布、湍动能分布,以及颗粒直径和颗粒浓度分布.通过对实验结果的分析和讨论,揭示了该燃烧器内气固两相流动的机理及燃烧器结构对两相流场的影响,为燃烧器结构的优化设计提供了一定的参考依据.     

离心泵叶轮输送固相颗粒的数值模拟研究

为了研究不同固相体积浓度条件下固液两相流离心泵内流场的流动规律.应用Fluent软件对离心泵叶片流道进行流场模拟,在多重参考系坐标下,采用有限体积法对雷诺时均N-S方程进行离散,选用标准的κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行求解,分别得出在不同固相体积浓度时叶片流道内固相浓度、速度和压力分布规律,对其进行分析和比较.模拟结果表明:在叶片的非工作面和入口处浓度差较大,造成流动效果降低;叶轮内部速度随着固相浓度的变化基本保持不变;叶片进出口总压差随着固相体积浓度的增加而增大.所得结论对于指导实际应用和为两相流离心泵的优化设计提供参考.     

泡沫塑料滤层的雨洪入渗物理淤堵模拟试验研究

泡沫塑料是一种新型滤层材料,在海绵城市入渗系统中具有较好的应用前景,迄今仍存在不同雨洪悬浮物特征下滤层规格的选取以及淤堵之后如何维护等疑难问题。针对雨洪悬浮物淤堵问题,通过在典型场地取样调查分析,得出研究区域雨洪悬浮物粒径级配及浓度范围,采用室内试验来模拟泡沫塑料滤层的物理淤堵过程。将雨洪颗粒划分为5个粒组,分别制备悬浮物溶液,系统开展了滤层入渗模拟试验,建议了滤层选型原则。即对于粒径[0.1,0.25) mm以及<0.1 mm的细颗粒,与其相对应的具有最佳截留效果的滤层规格分别为80 ppi和100 ppi。采用组合级配悬浮物颗粒制备不同浓度的悬浮物溶液,针对两种规格的滤层,开展了入渗模拟试验,获得了泡沫塑料滤层渗透系数下降速度随悬浮液浓度的变化规律。即相同滤层孔径下,雨洪悬浮物浓度越高,滤层淤堵速度越快;相同悬浮物浓度下,滤层孔径越小,淤堵速率越快。滤出液浊度的分析结果也证明了渗透系数的变化规律。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,围岩应力与水力耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。结果表明：洞室开挖完成后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量的变化是一个动态过程,且相互作用与相互依赖;裂隙的闭合使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加;裂缝张开度增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低;由于围岩中裂隙隙宽、压力和渗流量的动态依赖性,在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。研究成果初步表明了所采用方法的有效性,并为研究裂隙岩体中开挖洞室引起的突水问题提供了潜在的研究方向。     

结构面特征及应力边界对岩体渗透系数的影响研究

裂隙岩体介质渗透特性是研究地下水问题的重要参数,不仅取决于结构面产状规律同时与所处地应力环境相关。本文针对裂隙岩体渗透性问题,考虑结构面分布随机性,利用UDEC软件,通过多个数值分析模型,研究了结构面特征和应力边界条件对裂隙岩体等效渗透性的影响。结果表明：裂隙倾角、间距、隙宽和迹长对岩体的渗透特性均有明显影响,裂隙倾角与渗流主方向较为接近时,该方向的岩体渗透系数较高;岩体的渗透系数随裂隙间距的增加呈幂函数降低趋势,随隙宽的增加而增大;各渗透分量均随迹长的增加而增大,但增长速度由快变慢;岩体所赋存环境地应力场对岩体的渗透系数有明显影响,地应力水平的提高会导致有效水力隙宽减小,进而降低岩体的渗透性,渗透系数随地应力的变化基本呈线性关系。     

基于极限分析法原理的浅埋隧道围岩受力监测对比分析

浅埋段隧道覆盖土性质随埋深和地形条件影响会发生变化。文章结合隧道上方覆盖层塌落体围岩自承能力及形成机理,基于塑性理论对隧道浅埋段围岩压力进行分析。研究结果表明:围岩压力随上部覆盖土层厚度增加而增大,且增加速率随覆盖层厚度的增大而减小,并逐步趋于固定值;覆土厚度和围岩力学参数是塌落面形状主要影响因素;浅埋偏压隧道的稳定性随着隧道两侧和底部支护结构功率增大而提高;随着围岩黏聚力、内摩擦角的增大,深埋侧和浅埋侧围岩压力都呈显著减小趋势。通过实际工程监测数据与新建公式计算值对比,证明了公式的适用性,为类似工程提供借鉴。     

三维应力对煤层气-水两相渗流特性影响实验研究

在实验室通过改变围压、轴压及孔隙压力,模拟三维应力作用下煤层气-水两相渗流过程,得到有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率关系曲线,对有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率的关系进行回归分析,得到以下主要结论:①气、水相对渗透率随环压增大而略有增加,说明环压的大小对气、水有效渗透率有一定影响,对煤岩绝对渗透率影响更大;②随着有效应力的增加,气、水有效渗透率呈现逐渐降低的趋势,且开始降低幅度大后逐渐稳定,其主要原因在于随着有效应力的增加,煤样原始孔隙首先闭合,随有效应力继续增加,有新的裂隙出现并发育,使得渗透性能逐渐平稳;③气、水有效渗透率随孔隙压力的增加而增大,分析其原因在于孔隙压力增加,使得孔隙、裂隙产生膨胀变形,增加了其渗透性能。     

裂隙岩体微生物阻渗机理试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)作为一种新型微生物加固技术,能够改变裂隙岩体水力性能,具有阻渗作用。采用巴氏芽孢杆菌对劈裂法预制的贯通裂隙红砂岩试样进行微生物充填试验,并分析试样渗透性能改变情况,同时通过电化学阻抗谱法(EIS)分析微生物充填对裂隙岩体结构的影响,对微生物充填裂隙岩体的阻渗机理作综合研究。研究结果表明:①微生物充填可使裂隙岩体渗透系数降低1~2个数量级,充填率越高充填效果越好;②裂隙宽度和围压对微生物充填后渗透系数改变具有一定的影响;③裂隙岩体充填前后渗透系数随围压的增大呈幂函数降低;④EIS测量结果表明,微生物充填后,裂隙岩体导电性能提高,岩体密实,渗透性能降低。     

低水泥掺量对模袋充灌特性的影响试验

为提高施工效率和细尾砂利用率,将不同质量比的水泥掺入浓度40%的尾矿浆,开展模袋充灌试验,研究水泥掺量对模袋充灌特性的影响规律。结果表明:在细尾矿浆中掺加水泥作为固化剂,可提高模袋的透水性和保砂性;充灌时间和排浆密度随水泥掺量的增大而减少;单次充浆体积和单次排浆体积随充灌时间的延长呈指数递减;排浆集中在前2 h,以静水压力排浆为主,此后以固结尾砂自重挤压排浆为主;排水率、排水效率和保砂率随水泥掺量的增大而增大;排水效率和保砂率可分别作为评价模袋透水性和保砂性的指标,综合考虑施工效率、细尾砂利用率和施工成本,最佳水泥掺量确定为3%。     

低渗透油藏中水平井两相渗流分析

大量实验表明，在低渗透多孔介质中，渗流不再符合线性达西定律，而具有启动压力梯度，本文从Buckley-Leverret不混溶两相渗流驱替理论出发，考虑启动压力梯度的影响，对水平井两相渗流进行分析，得到了椭球形边水油藏中水平井定产时的压力分布公式和定压生产时的产量公式，以及饱和度分布公式。经图示分析得出结论：启动压力梯度不仅增大油藏的生产压差，而且使油藏的无水采收率和水驱采收率减少；增大注入量可以降低启动压力梯度对两相渗流的不利影响，从而提高水驱采收率，因此开发含启动压力梯度油藏，应小井距，大流量，大压差进行注水开发；水平井的两相渗流解析解为数值模拟中水平井的处理提供很好的方法。     

中-细粒长石石英砂岩低渗储层在围压循环增减条件下渗透率变化规律的试验研究

二氧化碳(CO_2)地质储存灌注过程大都具有间断性、多期次注入的特点。多期次注入造成储层应力反复积累和消散,储层水平方向的有效应力也将呈现反复加载和卸载效应。通过实验,分析了两个岩石学特征相似的岩心样品在围压循环加、卸载并考虑注入间断期应力消散条件下岩石的渗透率变化规律。试验结果表明,在多次围压加、卸载刺激下渗透率显著下降,降幅可达到20%~40%;间断期应力消散对渗透率的影响很大,实际的注入工程数值模拟计算中应给予充分重视;渗透率变幅在高围压区小,在低围压区域大;根据实验数据构建了黏土矿物含量在10%左右的中-细粒长石石英砂岩低渗储层在多期次围压加、卸载过程的渗透率量化方程,为CO_2地质储存工程多期次注入同类型储层储存潜力评价和CO_2储层监测数据解释提供了理论依据