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《中国地质大学(北京)》 2019年
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基于格子Boltzmann方法模拟齿状微裂隙气流和水流

王亚兰  
【摘要】:裂缝介质中的气流和水流运动是地质资源和能源开发面临的重要自然过程。在微观结构上,裂隙的粗糙结构会对流体流动产生影响,但裂隙复杂形态如何影响地下水的流动,同一形态的裂隙对不同流体流动的影响是否一致,学术界普遍认同的Darcy定律又是否适用于这种裂隙流流动,对于这一流体力学界十分关注的问题,仅通过实验观测的角度来分析是比较困难的。为了克服这种困难,本文采用格子Boltzmann数值模拟方法,选用齿状裂隙作为粗糙裂隙的代表,模拟气流和水流流动。并对模型尺寸比例做了一定的更改,探索齿状微裂隙的一般规律。使用传统的微观方法模拟齿状裂隙渗流问题时,需要构建大规模的线性方程组,在计算上有很大的难度,并且应用这些传统方法也无法展示微观流体的内部细节。而本文格子Boltzmann方法具有实现过程简单、边界处理方便和并行性好等特点,对于模拟流体渗流具有很好的适用性。本文对不同物理模型尺寸和不同凹槽比例的模型进行气流和水流模拟,通过格子Boltzmann方法的碰撞迁移等过程,实现稳态下流量的计算,并获得不同压差下的流线分布和流量关系。使用格子Boltzmann方法能清晰的呈现出流体的流态和速度分布,可以有效的对不同模型的裂隙流结果进行对比观测和分析。模拟结果表明裂隙中发育顺时针涡流,对流速分布有影响。相比水流,气流漩涡的转速更快、中心点更高、顶部顺风坡更长。当模型尺寸缩小的情况下,气流和水流表现出相似的规律;模型凹槽部分长度变长时,随着压差的增大气流流场中的漩涡变化更加明显,而水流的漩涡变化缓慢。在不同模型中,穿过裂隙断面的流量随压差的增加而增大,气流呈非线性关系,不满足Darcy流假设,而水流呈线性关系,满足Darcy流假设。研究分析致使两种流体不一致的原因是流体的粘性系数差别比较大,粘性系数比较小致使气流的速度是水流的百倍,随着压差的增大漩涡也跟着明显增大,致使平直通道内的流量增速变缓,所以表现出非达西流的现象。本文采用的方法可进一步应用于其它不同形态的裂隙流模拟。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O35;P641.2

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