关于波浪在多孔介质内的渗流对结构作用的研究

建造在多孔介质海床上的海工建筑物除了结构本身直接受波浪作用力以外，还有来自波浪在海床内引起的渗流作用力。前者已有相当广泛的研究，并已为工程设计提供了许多实用的计算理论和方法。后者的研究工作虽有了一定的进展，但可供工程实用的方法不多。此外，由于多孔介质结构具有消能效果好，造价较低等优点，被广泛应用于港口消浪，海岸防扩等领域。波浪引起多孔介质内的渗流取决于波浪渗流场的影响等因素。本文将结合几种主要海工     

关于多孔介质中渗流分析方法比较

在水利水电工程中,渗流计算是经常碰到的一个常规计算项目,应用范围非常广泛。相对于岩体渗流分析,属于多孔介质的土体渗流分析更加常见,针对这方面的研究也较多。本文详细阐述了目前常见的多孔介质渗流分析方法,并比较分析了其适用性和限制条件,同时针对具有自由面的无压渗流有限元处理方法,也进行了比较研究。     

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。     

颗粒形状和介质对泥沙休止角的影响

泥沙休止角的影响因素主要包括形状、粒径、重率、介质、颗粒级配等,现有的研究主要侧重于粒径、重率、颗粒级配等因素,对于形状和介质对泥沙休止角的影响的研究较少且存在不足。采用筛分法,将天然沙石分为5个不同的粒径组,并将10~15 mm、15~20 mm两个较大粒径组的沙石分为圆球、扁平、椭球3种不同的形状,然后利用自制的抽板泥沙休止角测量仪器测量了泥沙在空气中和水中的休止角。结果表明,粗沙在空气中的休止角大于在水中的休止角,而细沙在水中的休止角大于在空气中的休止角;对于同一粒径组,椭球形的泥沙休止角最大,扁平形次之,圆球形最小。     

微生物渗流规律及能力研究

微生物能够在油层中运移是应用微生物提高采收率的重要原因 ,本文介绍了微生物在多孔介质中渗流的实验研究和数学模型建立。实验研究表明 ,微生物的柔性变形性和动力定向性 ,使微生物具有很强的通过多孔介质喉道能力 ,可用于 30× 10 -3 μm2 左右低渗油田采油 ;微生物渗流时 ,可被岩石吸附并具有对流扩散特征。在对流扩散特征基础上 ,建立了包含吸附的一维单向和径向微生物渗流数学模型 ,并得到了解析解。通过对实验曲线的拟合 ,得到了微生物在多孔介质中的对流扩散系数和最大吸附常数 ;计算表明 ,微生物渗流时浓度下降很快 ,有效作用范围很小 ,因此微生物在油藏条件下有快速的繁殖能力十分必要。模型可用于计算微生物驱时油井见效时间和微生物产出时间     

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。     

孔隙介质渗流过程诱发声发射信号特征研究

在不破坏结构情况下,利用声发射(AE)监测技术探究不同流速下间断级配颗粒介质运动规律,以及孔隙渗流过程声发射信号变化规律。通过渗流过程中由小颗粒介质位移产生的声发射信号和PIV技术相结合进行分析。结果表明：小颗粒介质数量一定时,流速较大的试验组AE事件数更多,即振铃计数更大、频谱重心更高;水流量相近时,试验中小颗粒介质含量直接影响AE事件数量,即含砂量较大的试验组AE事件数更多;含有小颗粒介质情况下,水流量越大小颗粒运动速度越快同时AE初始信号强度越大。研究表明：声发射监测技术能较好地反映孔隙渗流中颗粒介质的运动,为孔隙介质渗流过程中的小颗粒搬运监测和堤坝管涌预警提供一定的研究基础。     

弹性多孔介质中一维孔隙压力的生成

考虑到弹性多孔介质的渗透系数依赖于孔隙改变的特点，给出渗流耦合问题的基本方程；用初始层校正法求出了一维孔隙压力生成的摄动解；实例计算表明渗流的非线性对孔隙压力分布模式有明显影响。最后介绍了测量孔隙压力生成过程中流出试佯的非稳定流量，确定弹性多孔介质渗透系数的方法，测试时间大大小于传统的稳定渗流方法。     

冰塞多孔隙介质透渗流特点模拟分析探究

本研究将某河流为案例对象,依托经典透渗流拉曳理论,借助实验室室内模型实验分析的方式,对冰塞多孔隙介质透渗流特点开展专题实验分析探究,分析冰塞内透渗流相关特性,以为同类冰塞控制工程应用提供相关技术支撑及理论依据.     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

立方排列球体层渗流特性数值模拟研究

在多年冻土区块石夹层和块石护坡路基温度场的计算中,可以将块石层看作为多孔介质,但是块石的不规则给其渗透特性的研究带来了很大的麻烦,通过对立方排列球体层渗透特性的研究以期能为块石层的渗透特性研究做出铺垫。基于连续性方程、动量方程以及RNG湍流模型对直径为0.20 m、0.24 m和0.30 m立方排列球体层渗透特性进行模拟研究。对比和分析计算结果发现:球体层内部空气压力梯度与渗流速度之间呈良好的非线性幂函数关系;球体层的阻力系数与球体直径也显现出幂函数关系,球体直径越大,阻力系数越小。     

基于分形理论的渗透结构面渗流特性研究

渗透结构面是岩体结构中渗透能力较强、系统分布规律较明显的岩体结构面,它是一个粗糙裂隙面。基于渗透结构面明显的分形特征,本文采用分形几何方法模拟渗透结构面的几何形态和分形特征,进而通过渗流数值分析来进一步研究渗透结构面的渗流特性。     

不平衡效应对稠油渗流的影响

本文利用稠油的多组分模型，研究了不平衡效应对粘弹性稠油在多孔介质中渗流的影响。通过建交我孔介质中存在不平衡效应的一维有界不稳定直线渗流的数学模型，分别推出了渗流初期和后期的压力分布解析式，并与一般牛顿流体渗流进行了比较。结果表明，不平衡效应使得渗流过程中的压力下降缓慢，在实际的稠油开采中，要合理的利用稠油的粘弹特性。     

超声波对多孔介质中液体流动的影响

近年来，超声波技术已被应用于采油工程中，形成了一门新的学科－采油声学。本文主要研究了超声波对多孔介质中液体流动的影响，尤其是两相流动的影响。实验采用的多孔介质为人造石英砂岩，渗流液体为油和水。实验结果表明：超声波作用能够提高油的渗流速度，提高原油采收率，并降低采出液的含水率。     

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.     

多孔介质中指进发育机理及描述方法

设计了一套研究多孔介质中非混相指进的实验方法，提出触发混相与非混相流体的系统因素。研究了指进的统计自相似性，混沌特性及分形描述方法，并与ＤＬＡ模型对比解释流体饱和度等宏观概念。提出拟波及系数、临界流体饱和度等新概念；应用重正化群理论推导了均匀孔隙介质中流体饱和度和拟波及系数的关系，可用以建立宏观非混相指进模拟的数值模拟。     

多孔介质中乙醇混合汽油溶解组分的运移与生物降解研究

为了解乙醇混合汽油主要溶解组分在地下水中的迁移与归宿，开展了含水砂槽多孔介质的投注实验，投注物是含有溴化物、乙醇和汽油溶解组分的混合溶液。结果表明：水动力弥散和混合电子受体条件下的土著微生物降解是乙醇和BTEX自然衰减的主要过程。乙醇迁移没有滞后性（阻滞系数为1.0），在生物作用参与下随迁移距离增加而逐渐消失；但乙醇对生化氧量的高需求延迟了甲苯和乙苯的生物降解。苯与甲苯的阻滞系数为1.18，乙苯和二甲苯的阻滞系数为1.28；苯的晕体延伸最长，持续时间最长。基于守恒示踪剂溴离子的浓度校正，乙醇与单环芳香烃（BTEX）的一级降解速率存在明显的大小顺序，即乙醇>甲苯>乙苯>m,p-二甲苯>o-二甲苯/苯，与它们的迁移晕体长度大小顺序（即苯>二甲苯>乙苯>甲苯/乙醇）具有相反的对应关系。这意味着改善乙醇生物降解条件和加速其生物降解速率，是一个BTEX污染修复的有效策略。     

变形多孔介质流固耦合非线性渗流模型及解析

渗流的流固耦合问题在理论上与实践中都十分重要。考虑可变形多孔介质的渗透系数和孔隙率的变化依赖于压强变化,由渗透系数与渗透率的关系,结合非线性渗流流体质量守恒方程和连续性方程等基本微分方程建立了一维流固耦合非线性渗流问题的数学模型,推导了可变形介质非稳定渗流场微分方程。利用分离变量法推导出孔隙水压随时间和空间的变化关系的解析解,分析了渗流方程中的控制参数对渗流的非线性程度的影响。通过引入物理参数的方法处理渗流随时间的变化,并阐明了非线性渗流机理,最后定性分析了影响流体渗流压强分布的因素。     

干湿交替诱导含重金属细颗粒物在多孔介质中释放迁移的作用机制

为探究含重金属细颗粒引起土壤重金属污染的形成机制,以矿渣为对象,采用柱试验,研究了干湿交替诱导含重金属细颗粒在多孔介质中释放迁移的特征与机制。结果表明：干湿交替显著促进了粒径在342～955 nm的矿渣颗粒的释放迁移,该促进作用由3种作用机制联合引起,且与落干期时长有关,而与干湿交替次数和落干期排列顺序无关;释放迁移的矿渣颗粒在石英砂多孔介质中发生了累积,落干时间越长,累积质量越高,累积质量随介质深度的增加而减少,累积颗粒的粒径分布随介质深度无明显变化。细颗粒的释放迁移是含重金属细颗粒引起土壤重金属污染的主要原因,固应对干湿交替下含重金属细颗粒的环境行为给予重视。     

基于分层建体的多孔介质模型在植物消浪模拟中的应用

为了探讨多孔介质模型是否适用于研究破碎波条件下的植物消浪问题,以立面二维自由面紊流模型为工具,建立了基于植物冠层特征的分层多孔介质模型,精细地模拟了近岸破碎波对植物带的冲击,且在瞬时波面形态、波面线、波浪最大爬高、堤脚时均压力过程线等几方面与物模试验成果进行了详细对比。结果表明,分层建体的多孔介质模型计算精度较高,能够很好地模拟植物区的消浪过程,该数值模拟方法可以用于植物消浪问题的研究。