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降雨条件下非饱和带水—气二相流模拟研究

李云良  
【摘要】: 降雨条件下非饱和带水-气二相流问题是目前国内外研究备受关注的问题。多数研究仅限于非饱和带中的水相运动,而对于气相的研究甚少,或者直接忽略气相的作用。实际上,水在非饱和带中的流动是水、气两相流体在土壤孔隙通道中相互驱替的一个复杂过程,尤其在干旱-半干旱地区大强度降雨、有压入渗等问题上,土壤中气相压力在入渗水流作用下,由于瞬间不可能完全消散,气压的急剧增加将对水流的运移产生不可忽略的影响。 本文在总结和分析前人成果的基础上,以非饱和带水-气二相流为研究主线,通过室内物理模拟实验、数值模拟以及理论分析等手段的结合,重点对降雨入渗条件下非饱和带水气二相压力变化、水气动力场特征以及影响因素等进行机理揭示。利用实测资料对非饱和带水、气二相耦合模型进行识别与校正,并应用该模型进一步揭示非饱和带水、气二相流的运移机理。获得了以下成果和认识: (1)根据已有的实测资料对非饱和带水气耦合模型进行识别与验证,无论是梯度场.还是降速场的拟合,其整体形态的宏观效果较好,基本上反映了水气二相流的运移规律。 (2)通过水、气饱和度以及气相压力的变化,进一步验证了气相与水相之间的关系:气压与含水率或水相饱和度呈负相关性,与负压或气相饱和度呈正相关性。 (3)通过模型参数的敏感度分析可知,绝对渗透率、相对渗透率和毛细压力对模拟计算气压值的敏感度较强;介质的密度和孔隙度对计算结果几乎没有影响,敏感度较低。 (4)降雨条件下,水流基本以垂向运动为主,其垂向入渗速率远大于横向入渗速率;气体由于入渗水流的压缩作用将会冲破上覆水层由地表逃逸,主要以垂向运动为主。但气体随着湿润峰的推移逐渐运移至潜水面处,由于受到潜水面的阻滞作用,气体存在着明显的水平运移,此外,不同的侧边界条件对气体的排泄方式有重要的影响。 (5)非饱和带气压值的主要与降雨强度有关。不同的降雨强度对气压值的影响不同,降雨强度越大,水流的入渗速率越快,气压值的变化越为明显。降雨强度的变化导致水流入渗速率的改变,其是影响非饱和带气压值大小的最直接因素。 (6)根据剖面气压的模拟结果与物理实验结果对比分析,将降雨条件下剖面气压的变化特征主要划分为三个区:气压稳定区,分布在近地表处,气压值基本不变;气压变动区,分布在埋深约20cm-60cm处,气压在该区发生压缩和剧增且气压呈波动状态,该区是水-气两相发生相互驱替的主要区域;气压缓增区,该区分布在潜水面以上,气压值增加比较缓慢。 (7)通过水气耦合模型与单相流模型对非饱和带剖面水相压力的计算结果可得,耦合模型的计算值更接近实测值,拟合误差小于5%,而单相流模拟结果则偏大;通过两者对潜水面补给通量的计算可得,当降雨强度为120cm/h时,两种模型计算结果相差约240cm3/min;当降雨强度为0.24cm/h时,其结果相差仅为20cm3/min。降雨强度越大,两者的计算结果偏差越大,由此表明大强度降雨条件下气相的影响作用不容忽视。当降雨强度小于0.24cm/h时,耦合模型对潜水面补给通量的计算结果基本相等且耦合模型与单相流模型计算结果偏差较小,相对误差约10%。界定降雨强度小于0.24cm/h时,可忽略气相的影响作用。


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