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水、气二相渗流与双重介质变形的流固耦合数学模型

刘晓丽  
【摘要】:本文基于岩体水力学和多相渗流力学理论,将工程地质体简化为双重介质,系统研究了水、气二相流体渗流与双重介质变形耦合作用,包括二相渗流理论分析、孔隙—裂隙复杂多孔介质力学特性分析和耦合效应分析三部分。主要开展了以下几方面的工作: (1)针对岩土体的孔隙—裂隙二重性,发展了新的双重介质本构关系即“经典弹塑性—损伤复合本构模型”:孔隙介质用经典本构模型表述,裂隙介质用损伤本构模型表达,而双重介质的形变由孔隙形变和裂隙形变叠加组成。在此基础上,提出了一种孔隙、裂隙功能分配的权重方案。 (2)从系统科学的观点出发,将相互联系的地质固体系统和地质流体系统作为一个整体,分析了水、气二相渗流与双重介质变形耦合作用机理,并应用连续介质力学理论,推证了二相渗流与孔隙—裂隙双重岩土体介质变形耦合作用的理论方程,联合初始和边界条件,组成了能够反映二相流体渗流与岩体变形耦合作用过程的数学模型。 (3)基于二相流固耦合理论模型形式复杂性的考虑,建立解耦形式的二相流压力、饱和度方程和岩土体变形方程,并给出相应的Galerkin有限元数值求解公式。 (4)针对地质岩体数据有限、“参数给不准”以及尺度效应等瓶颈难题,采用了人工神经网络的非线性参数识别方法对岩土体力学与水力学参数进行反演;提出了一种近似确定神经网络隐含层结点个数的方法-区间率定法,并用于算例分析中。 (5)采用“模块化”的软件设计方法,利用VC++、VB和Visual Fortran混合编程进行面向对象有限元计算程序的编制,完成了二相渗流与孔隙—裂隙岩土体介质变形流固耦合有限元数值模拟软件的初步开发。 (6)结合算例,采用理论分析与数值分析相结合,定性分析与定量分析相结合,静态模拟与动态模拟相结合的方式,针对具体问题,采用不同的处理方法,使研究更具有科学性和实用性。


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