黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合分析

该文基于有效应力原理建立了描述黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合模型.通过对小孔隙多孔介质注浆过程中的浆液渗流场分布与固体骨架的应力应变特性的流固耦合分析,得到了各动态参数如孔隙率、应变率等的相互关系并在施工现场进行了试验.经过与施工现场试验数据对比,得到的数值分析结果与试验结果基本一致,验证了该流固耦合模型运用于注浆工程的可行性与实用性,可作为小孔隙多孔介质地层防渗注浆设计和注浆效果的初步评判.     

考虑参数动态变化和相互关联的浆液扩散范围研究

土体注浆加固与防渗施工引起的浆液扩散过程,涉及固体骨架应力应变、浆液的渗流场分布以及浆液浓度垂直于扩散方向的分布梯度等问题。基于多孔介质渗流场和应力场的耦合作用,考虑注浆浆液参数的粘时变特性,以及注浆过程中多孔介质的密度、孔隙率、渗透率等物性参数的动态变化,分析注浆过程中的土体物性参数相互关联性和动态变化过程,给出了浆液时变和多孔介质参数动态变化的渗流场与应力场耦合的注浆扩散的模拟实现过程。采用有限单元法对均质土体进行流固耦合作用下注浆扩散范围的数值模拟,得到了黏度时变和黏度不变条件下的球形扩散半径和柱面扩散半径范围。与经典注浆扩散理论对比分析可知,考虑浆液时变特性、土性参数的动态变化和相互关联的流固耦合作用模拟可以很好地分析土体中浆液扩散范围。     

复合多孔介质流动特征的模型分析

本文针对壁面开槽复合多孔介质强化传热的实验条件，将整个流动区域划分为多孔介质填充区和纵向微槽区两个区域，通过数值计算了这种复合多孔介质结构的流动特性，考察了微槽宽度、深度等有关因素的影响，得到了与实际相一致的结果。     

复合多孔介质流动特性的模型分析

本文针对壁面开槽复合多孔介质强化传热的实验条件 ,将整个流动区域划分为多孔介质填充区和纵向微槽区两个区域 ,通过数值计算分析了这种复合多孔介质结构的流动特性 ,考察了微槽宽度、深度等有关因素的影响 ,得到了与实验相一致的结果。     

非饱和多孔介质水-热-力耦合数学模型研究

渗流场、温度场和应力场是岩土工程地质力学环境的重要组成部分,这三个场之间存在高度非线性的复杂耦合作用。本文将岩土体类多孔介质视为连续介质,综合运用水力学、热学、固体力学等基本理论,提出了多孔介质的热本构关系以及孔隙流体的热运动规律;根据动量守恒、质量守恒、能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的非饱和多孔介质多相、多场耦合数学模型方程组,在此基础上采用加权余量法和有限差分法对其分别进行空间和时域上的离散,并讨论了数值求解方法的稳定性,最终得到了非饱和多孔介质的多相、多场耦合的有限元求解模型,为进一步开展工程应用分析奠定了基础。     

真实多孔介质复合腔体交界面滑移效应研究

该文采用有限元方法对左侧填充青砖和海绵的复合腔体内自然对流进行模拟研究,分析了温度场和速度场的分布,重点关注了复合腔体内交界面处速度滑移系数和应力跳跃系数的变化规律。模拟结果表明,相同Ra下,在1/2高度处部分填充青砖腔体的温度高于部分填充海绵的腔体,部分填充青砖复合腔体交界面处的速度梯度、速度滑移系数和应力跳跃系数均小于部分填充海绵的复合腔体;随着Ra的增大,多孔介质侧的温度降低,右壁面流体介质温度逐渐增大,交界面处的速度滑移系数仅略微增加,而速度梯度值和应力跳跃系数明显增大。     

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。     

非饱和土一维渗流与变形耦合问题的数值分析

基于多孔介质理论,研究了非饱和土中水－气－土骨架三相耦合的渗流与变形耦合问题。考虑土体孔隙中由液态水、水蒸气和干燥气体等填充,在固体土颗粒、水分、气体等各相质量平衡以及土体动量守恒的基础上建立了问题的控制方程。选取孔隙气压力、孔隙水压力和土颗粒位移以及它们的一阶导数作为状态变量,通过理论推导得到了一维非稳态情形下的状态方程组。结合Ｌａｐｌａｃｅ变换,采用打靶法求解该耦合的非线性变系数微分方程组,并且基于Ｈａｕｓｄｏｒｆｆ矩方法将频域上的数值解转化到时域上,与已有的试验结果相比较,验证了模型及数值方法的有效性。通过数值算例,参数分析了孔隙水压力、孔隙气压力以及土骨架位移等物理场之间的相互作用。     

基于应力场与渗流场耦合的土坝稳定性分析

基于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系,研究了渗流场与应力场的耦合效应,根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程,然后导出这一问题的有限元计算公式。针对某非均质土坝建立了非线性耦合分析模型,探讨了大坝的渗流与应力耦合规律,结果表明:坝体中渗流与应力的相互作用是不应忽视的;在其耦合作用下,坝体渗流场的总渗流量减小,而应力场的各应力分量的最大值增大。     

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。     

Thermal instability and heat transfer of viscoelastic fluids in bounded porous media with constant heat flux boundary

A numerical simulation is performed for thermal instability and heat transfer of viscoelastic fluids in bounded porous media under the bottom constant heat flux boundary condition. The results for six different combinations of relaxation and retardation times demonstrate the existence of the thermal instability induced flow bifurcation. It is found that the increase of the relaxation time can enhance the heat transfer efficiency by disturbing the fluid flow and facilitating the bifurcation. The increase of the retardation time can stabilize the flow and postpone the bifurcation, leading to simpler flow pattern and lower heat transfer rate.     

The viscoelastic effects on thermal convection of an Oldroyd-B fluid in open-top porous media

The effects of two viscoelastic parameters on the thermal convection of a viscoelastic Oldroyd-B fluid in an open-top porous square box with constant heat flux are investigated. The results show that the increase of relaxation time is able to destabilize the fluid flow leading to a higher heat transfer rate, while the increase of retardation time tends to stabilize the flow and suppress the heat transfer. The flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium.     

Numerical simulation of thermal convection of viscoelastic fluids in an open-top porous medium with constant heat flux

This paper makes a numerical study of the buoyancy-driven convection of a viscoelastic fluid saturated in an open-top porous square box under the constant heat flux boundary condition. The effects of the relaxation and retardation times on the onset of the oscillatory convection, the convection heat transfer rate and the flow pattern transition are investigated. It is shown that a large relaxation time can destabilize the fluid flow leading to an early onset of the thermal convection and a high heat transfer rate, while a large retardation time tends to stabilize the flow and suppress the convection onset and the heat transfer. After the convection sets in, the flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium. Furthermore, with the increase of the ratio of the relaxation time to the retardation time, the fluid may be blocked from flowing through the open-top boundary, which may be caused by the viscoelastic effect. Finally, the comparison of our results with those under isothermal heating boundary conditions reveals that the heat transfer rate corresponding to a constant heat flux boundary is always higher.     

热-流-固耦合渗流的数学模型研究

本文阐述热-流-固耦合渗流的数学模型。基于线性热弹性理论,介绍了饱和多孔材料多场耦合的完整方程组,包括渗流方程、本构方程和能量方程。并讨论了对它的求解内容及其在相关工程技术领域的应用。     

二维平行壁面剪切流动的转捩与混沌模型

本文利用约化摄动方法，从理论上研究了二维平行壁面剪切流动的转捩与混沌现象，得到了描述二维平行壁面流动中的小振幅Ｔ－Ｓ波的演化方程为Ｋｏｒｔｅｗｅｇ－ＤｃＶｒｉｅｓ－Ｂｕｒｇｃｒｓ方程，反映Ｔ－Ｓ波衰减或增长率的参数为ＫｄＶ－Ｂｕｒｇｅｒｓ方程中的耗散系数Ｖ１与色散系数δ的比值ｖ１√δ，ｖ１和δ由流场结构决定的。当Ｔ－Ｓ波振幅被放大到一定程度后将受到的自由流中的高次或亚谐波的激励。经过分叉而进入混沌     

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.     

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。     

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。     

基于RVM的流态水泥土特性智能预测模型研究

流态水泥土可以解决管道沟槽和路面下空腔回填土难以压实的问题,但其强度和流动度难以同时满足要求。为了能准确控制流态水泥土的工作性能,需要对按照一定配合比配置的流态水泥土其性能进行预测。将回归向量机(RVM)方法应用到流态水泥土特性研究中,建立了流态水泥土特性智能预测模型,并进行水泥土现场配合比设计。通过RVM预测模型对试验数据进行训练,得到水泥土强度、流动度与水灰比、灰土比之间的非线性回归方程。将模型预测结果与试验结果进行对比发现,RVM预测模型能有效预测流态水泥土的强度和流动度,可以为其它类型的复合材料配合比设计提供一定的参考。