二维裂隙岩体渗流数值模拟技术研究

如何准确地描述岩体裂隙水的流动状态是一个重要课题.与原位实验相比,利用数值模拟方法研究裂隙岩体渗流问题,具有高效、经济、可重复性强等特点.然而,较准确的岩体裂隙网格模拟和裂隙水流动模拟系统的设计与实现,是数值模拟方法研究的两个难点.非连续裂隙网络仿真主要采用Monte Carlo技术,结合裂隙统计学特征,进行随机模拟.先研究区域内随机生成符合地质统计学规律的裂隙网络,再对渗流有贡献的裂隙进行筛选并自动离散,最后利用水量均衡原理计算出各节点的水头.通过开发相应的程序包,提高岩体裂隙渗流计算的规模和准确性,为进一步研究水在岩石中的作用打下基础.     

断续节理洞群渗流效应的数值模拟

采用三维有限差分FLAC^3D程序,以二滩工程地下洞群为背景,考虑断续节理是影响地下洞室围岩稳定的重要因素,为有效反映其影响,本文提出Interface界面模型模拟断续节理的力学效应,对考虑与不考虑节理岩体渗流对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。得到相应的结论,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。     

断续节理洞群渗流效应的数值模拟

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群为背景,考虑断续节理是影响地下洞室围岩稳定的重要因素,为有效反映其影响,本文提出Interface界面模型模拟断续节理的力学效应,对考虑与不考虑节理岩体渗流对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。得到相应的结论,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。     

黏土贯穿裂隙污染物迁移的实验和数值模拟研究

为研究裂隙黏土中的溶质运移,研制一套适用于裂隙黏土中溶质运移的实验装置,通过测定实验装置内示踪剂溶液的电导率来监测溶质的运移规律。实验结果发现模型底部监测孔处的渗出液浓度在短时间内就趋于稳定达到最大,表明黏土中裂隙的存在会使溶质顺着裂隙快速穿过黏土层,形成优先流现象,从而对黏土层下部的水体造成污染。采用数值方法对室内试验进行模拟分析,讨论了提高水头和改变岩土体两种方法来进行预测,结果显示黏土层上部水头变化对黏土中的溶质浓度影响不大,且不同土体中如均出现贯穿型裂隙,那么污染物进入含水层的时间基本一致,防渗失效,这时改变防渗材料没有意义。     

T型管内两相流分配特性数值模拟

T型管内气液两相流分配不均易导致换热器偏流和受热不均。为了优化T型管内气液两相流流动,以FLUENT为模拟软件,以流体流动参数和管子几何结构为研究变量,对T型管内流体流动进行数值模拟。发现流体入口液相体积分数越大,入口速度越小,液滴粒径越小,越利于流体均布;同时支管衔接处采取弯管结构较直管结构优越,其中入口速度对流体分布影响最明显,速度相差3个数值即可优化两个出口液相体积分数比差10%左右。结果表明,相应改变流体流动参数和管子几何结构能有效优化T型管内流体流动。     

渗流作用下露天煤矿边坡稳定性数值模拟研究

对露天煤矿均质边坡的渗流场及其对边坡稳定性的影响规律进行研究,根据温度场和渗流场的可比拟性,利用有限元分析软件ANSYS提供的岩土非线性弹塑性Druker-Prager模型及其前后处理程序,对边坡在渗流影响下的内部应力、位移和稳定性进行分析,采用强度折减有限元方法计算边坡的安全系数并得到边坡可能产生破坏的滑移面,这有助于滑坡治理方案的制定。     

河道一维非恒定流数值模拟深化研究

传统的河道一维非恒定流数值计算一般采用特征线法和以Preissmann方法为代表的有限差分法.特征线法计算精度比较高,但受时间步长的限制,用于河道一维非恒定流计算时计算效率却不太高.而Preissmann方法相比特征线法计算效率有所提高,但在求解过程中特征量的守恒性却没有做出相应要求.为了兼顾数值计算的效率和特征量的守恒,建立了基于有限体积法的河道一维非恒定流数值计算方法,并分别选取淮河干流洪水和史灌河洪水进行了验证计算,验证计算成果表明所采用的方法特征量守恒性较好,洪峰水位计算值与实测值吻合也较好,可用于河道一维非恒定流计算.     

粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.     

基于数值仿真的可逆流体转换器的优化设计方法

为得到可逆流体转换器(RFD)喷嘴型式及锥角、对称关系、吸水室型式等结构关系的优化结果,采用三维定常流数值模拟对RFD进行了计算,计算结果表明RFD最佳结构型式及参数为:柱形吸水室、对称喷嘴两阶段扩散型式,下喷嘴扩散角β小于5°～6°,相对嘴间距Lc/dt=0.8～1.1;压冲阶段,RFD有微量引射或无引射时水力效率最高,锥形喷嘴在各阶段均表现出较大的过流流量.与实验结果进行对比,验证了数值方法的可靠性,说明采用定常流方法进行非定常状态下的工作元件结构设计,可以作为工程应用RFD的优化设计方法.     

新型净化消声器的声学及流场特性数值仿真分析

汽车发动机进排气噪声是汽车主要噪声源之一,汽车尾气的排放会导致PM2.5浓度的升高,造成环境污染问题.在进排气系统上使用净化消声器可以有效地降低汽车进排气噪声和尾气浓度.传统的净化消声器设计都是将催化转化载体与消声器作为2个独立的部分进行设计,加大了生产成本,增加了安装空间.由于催化转化载体的蜂窝结构可以视为多孔介质,具有一定的消声作用,因此,设计出一种改进之后的新型净化消声器,通过将载体放入消声器内部,形成一个统一的结构,在假定消声器的净化作用的情况下,运用声学及流场的数值仿真分析消声器的传递损失和压力损失,结果证明新型净化消声器既节省了空间,又达到了消除噪声的目的.     

Effect of expansive fillings on fracture seepage

Based on an investigation of the damage process of fractures filled with expansion media, samples of filling media col-lected on the spot, were obtained. The physical water properties of fracture fillings were tested by a WZ-2 type Dilatometer. Given our test results of the hydrated properties of fracture fillings and the mechanical parameters of altered rock mass collected from the Daye Iron Mine and comparisons between the expansion stress of fracture fillings and mechanical parameters of altered rock mass, the effects of the mechanical response of fillings on fracture seepage are discussed. The results show that the ratio of filling swell pressure to tensile strength of altered rock specimen varied between 11.79 and 36.77 and the ratio of filling swell pressure to shear strength of these rock specimen ranged from 72.11 to 171.18. Therefore, fillings have an important effect on fracture seepage, and the effect of deformation of the fracture caused by swell pressure of the filling mechanics cannot be ignored either. The multiple hydraulic coupling effects of fillings on the impact of fracture permeability are discussed according to theoretical analyses. It is shown that the effect of expansion of fracture fillings greatly affects the deformation of altered rock masses. Both tensile effect and shear effect produced by fracture fillings greatly increase the permeability of fractures. The plastic and liquefaction effects of frac-ture fillings also improve the permeability of fractures. On the basis of this analysis, a mechanical seepage model of filled fracture is established.     

流固耦合作用下节理岩质边坡失稳过程的RFPA模拟分析

利用基于强度折减法的RFPA-Slope对渗流与应力耦合作用下的软弱互层岩质边坡稳定性进行了数值模拟分析,数值模拟不但直观形象地给出了边坡的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了边坡滑移破坏面的萌生、扩展、贯通以及坡体整体失稳的渐进破坏过程,同时求得安全系数。并与无地下水的稳定性作了比较,结果表明,地下水渗流的作用使坡体位移增大,边坡安全系数减小,明显加大了滑坡范围。对实例的分析说明,RFPA-Slope能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及计算相应的稳定安全系数,本文方法对于边坡,特别是对于复杂边坡的稳定性分析具有实用性。     

区域饱和-非饱和地下水流运动数值模拟

根据多孔介质中区域饱和-非饱和水分运动的特征,建立基于迦辽金有限单元法的拟三维数学模型.通过对三维Richards方程沿饱和含水层垂向平均得到水平二维模型的基本方程,在各选定区域非饱和带沿水平方向平均得到多个一维非饱和水流运动方程.一维非饱和模型与二维饱和模型的耦合点为非饱和带计算所得的通过潜水面的流量项.最后,验证拟三维模型的模拟结果,说明模型合理可行,为研究大区域饱和-非饱和水分运动提供了有效的分析工具.     

不同弯度水渠二维水流运动数值模拟研究

为了研究水流对渠弯的影响,建立了水流运动的二维紊流数学模型,采用非结构网格有限体积法,通过实验室连续弯道的算例,验证了数学模型的正确性,并对4种不同弯度水渠的水流运动进行了数值模拟.结果表明,模拟值符合弯道水流运动的基本规律;在相同的水力参数下,随着渠弯角度的增加,水流对渠弯左岸的侵蚀明显降低;验证了在渠弯设计中对渠弯角度的规定是合理的.     

高浓度颗粒气固两相流动的二阶矩模型的数值模拟

采用动理学方法,用各向异性的M axwell颗粒速度分布函数,建立颗粒相Boltzm ann方程,分别取零次矩、一次矩和二次矩得到颗粒相连续方程、动量方程和二阶矩方程.模拟计算得到上升管内颗粒流场分布和脉动速度分布,与实验结果比较表明:各向异性颗粒动理学能够反映颗粒流动特性,从而能够更全面地认识高颗粒浓度气固两相流动过程.     

涡壳式旋风预热器单体三维气相场的数值模拟

借助流体力学计算软件,对新型干法水泥生产线上普遍采用的五边形入口、三心大涡壳式旋风预热器,模拟计算了其内部的气相流动行为.针对该类型旋风预热器本身非轴对称性、内部流场为三维强旋流的特点,在结构建模时,采用非结构化四面体网格离散计算域;在计算模型的选择上,采用雷诺应力输运模型.模拟计算结果表明:与其他领域应用的旋风分离器相比,五边形入口、三心大涡壳式旋风预热器内筒入口附近次级流动相对较弱;其内部的切向速度是经过涡壳的收缩引导使气流切向旋转迅速加速达到峰值;推算出模拟用Ⅰ级旋风筒的阻力系数ζ≈9.22.     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.