基于格子Boltzmann方法非饱和土体水热耦合模型研究

考虑热源作用下非饱和土体水热耦合作用机制,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别描述温度场及水分场的演化过程,建立了相应的水热耦合模型。同时,编制了计算程序,并结合半无限空间的水热耦合算例,验证了该计算模型的正确性。最后考虑水热耦合作用模式、热源温度以及土体孔隙率等因素的影响,讨论了非饱和土体温度场及水分场的演化规律。研究结果表明:传统的单向耦合模式无法表征水分迁移对土体导热特性的影响,从而导致温度场的演化规律有所偏差,而所提出的双向耦合模式更具合理性。在恒温热源作用下,不同热源温度对土体温度场及水分场的演化均会产生较大影响,且在非饱和土体温度升高速率较快的位置,体积含水率也相应的变化较快。在相同热源作用下,当初始体积含水率一定时,孔隙率较小的土体,温度升高速度较快,但总体差别不大,从而使得体积含水率分布也较为接近。     

考虑壁面浸润性的光滑岩体微裂隙渗流特性数值模拟研究

在工程岩体中存在大量的微裂隙，由于隙宽尺寸微小，其壁面浸润性显著影响着流体在裂隙内的运动特性。为此，基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法，建立了光滑岩体微裂隙渗流的数值模型，并结合蒸汽中的悬浮液滴和壁面接触角的模拟，证明了该模型的有效性。最后，考虑壁面浸润性、裂隙隙宽、压力梯度及流体黏滞性等因素的影响，研究了重力驱动下光滑岩体微裂隙的渗流特性。研究结果表明:疏水壁面对附近流体的排斥作用产生加速效果，而亲水性壁面则产生阻碍作用，从总体变化趋势看，疏水壁面对微裂隙渗流的影响比亲水壁面更加显著。随着微裂隙隙宽的减小，其壁面浸润性对渗流流速的影响逐渐增大，且壁面亲/疏水性越强，隙宽对其渗流特性的影响越突出。裂隙的平均渗流流速随压力梯度的增加而增大，两者呈线性关系，且壁面疏水能力越强，其直线斜率越大。此外，流体的运动黏度越大，其流动阻力也越大，从而导致微裂隙渗流的平均流速越小，且流体的运动黏度与平均渗流流速呈反比例关系。