脆性各向异性岩石破坏过程数值模拟

在改进刚体弹簧方法的基础上,采用Hoek-Brown准则判断界面破坏,提出各向异性Voronoi网格的生成方法,并引入界面细观参数各向异性的赋值函数,最终建立了脆性各向异性岩石损伤破坏过程的数值模拟方法。利用该方法对文献中的试验结果进行了模拟。计算表明,该方法不仅能成功模拟岩石抗压强度随软弱面倾角变化的“U”形规律,定量上与试验结果吻合良好,而且能同时定量模拟岩石变形特性即弹性模量和泊松比的各向异性特征。     

超临界CO2在高温裂隙岩体中的热交换研究

近年来,由于超临界CO₂(Supercritical CO₂,简称scCO₂)额外的地质封存效益,将scCO₂替代水,作为深部地热开采的工作流体的设想,正受到越来越多的关注。因此,开展高温裂隙岩体中流体运动和热交换过程的模拟研究,对于理解深部地热开采机理具有重要意义。本文在充分考虑scCO₂热物理性质随压力和温度变化的基础上,建立了基于三维裂隙网络显式描述的复杂高温裂隙岩体scCO₂热-流耦合模型。通过与热流耦合作用下的二维单裂隙模型的解析解进行对比,验证了数值模型的正确性,然后对scCO₂在复杂三维随机裂隙岩体的渗流和热交换过程进行了模拟。研究发现:贯通的裂隙网络通道是scCO₂的主要流动路径,在贯通的裂隙簇中会出现明显的优势流,突破现象最早在贯通裂隙簇中产生,scCO₂流体对压力非常敏感,选择合适的注入压力能显著增加热交换效率和降低流动难度。模拟结果表明,本模型可以很好地展现裂隙岩体换热过程的非均质特性和结构面控制特性,可作为评价scCO₂采热过程的有效工具。     

LCSR响应时间原位测量方法影响因素研究

温度传感器的响应时间是其关键技术指标之一,LCSR方法考虑了安装和工艺条件对温度传感器响应时间的所有影响,根据温度瞬态,计算其在役期间实际运行条件下的响应时间。LCSR涉及到多个影响因素,采用控制变量法进行试验,针对同一温度传感器,测量同一影响因素不同数值下的响应时间。试验结果给出了在满足相关标准要求的精度下,LCSR影响因素的最佳取值范围。     

基于等效离散裂隙网络的三维裂隙岩体渗流模型

基于等效离散裂隙网络模型,提出一种模拟具有裂隙网络–岩石基质复杂裂隙岩体渗流的三维数值计算方法。该模型将岩石看作由不透水的四面体块体组成的集合,渗流只在相邻块体之间的界面上发生,并遵循Darcy定理。为模拟复杂裂隙岩体的空间结构,开发随机均布三维Delaunay四面体网格生成算法,可以显式模拟三维裂隙网络及其复杂的相交关系。岩石基质中的孔隙被等效界面网络系统代替。为保证该系统拥有与完整岩石相同的宏观渗透性,建立等效离散裂隙网络模型,并提出宏细观渗流参数的转换方法。裂隙也作为界面存在,但具有较高的渗透性,在数值上与基质中界面的处理方式相同,便于程序实现及数值稳定。为验证该方法的有效性,进行几个数值计算,数值结果与解析解吻合良好。最后,通过一系列算例研究裂隙渗透性、大小、方向、相交位置对岩体宏观渗透性的影响,及裂隙密度与逾渗阈值之间的关系。     

基于LHS法的三维随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

为分析裂隙渗流系数的影响因素,基于拉丁超立方抽样(LHS)法,对岩体内裂隙的几何参数进行抽样模拟,提出了一种改进三维随机裂隙网络生成算法。利用C++语言编制程序,实现三维裂隙网络的生成,通过与Monte Carlo法生成的三维裂隙网络进行对比分析,验证了LHS法生成的三维裂隙网络稳定性好、精度高,为解决Monte Carlo法抽样样本坍塌问题提供了一种新思路。并基于LHS法生成三维裂隙网络,借助离散裂隙网络渗流程序进行渗流分析。结果表明,裂隙岩体的渗透系数随裂隙尺寸及裂隙密度的增加而增加,当裂隙尺寸及裂隙密度达到一定量级时,裂隙岩体内会形成贯通的裂隙簇,裂隙岩体渗透系数将急剧增加。     

基于改进刚体弹簧方法的岩石破坏过程三维模拟

基于刚体–弹簧方法，提出一种新的模拟脆性岩石破坏过程的三维离散数值模型。该模型采用分布在界面上的弹簧组，描述块体之间的相互作用，能够自然考虑裂纹的渐进扩展。为得到均质各向同性的计算网格，在“点饱和”方法的基础上，提出了增长式的“核”布置策略，建立一种新的随机Voronoi网格剖分技术，并给出三维改进刚体–弹簧方法的基本方程。考虑界面的剪切滑移和张拉2种破坏模式，建立基于Mohr-Coulomb准则和抗拉强度准则的破坏准则，并提供模型细观参数的标定流程。最后，通过与室内三轴试验结果对比，验证了该模型的有效性。此外，还讨论了不同弹簧布置形式及块体尺寸对模拟结果的影响。结果表明，所提模型能够准确描述岩石与围压相关的非线性应力–应变响应过程，微裂纹的产生、扩展和贯通全过程，以及岩石的在不同围压条件下的宏观破坏模式。