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基于格子Boltzmann方法岩体微裂隙渗流特性研究

王鹏宇  
【摘要】:天然岩体由完整岩块和裂隙构成,地下水在岩体裂隙中的运移过程是裂隙渗流。岩体稳定性、渗流特征和风化程度均会受到裂隙渗流的影响,而渗流本身又会受裂隙宽度的强烈制约。在天然裂隙中,存在着大量宽度小于1mm的微裂隙,一系列工程事故证明微裂隙渗流会对:大型水利水电、深埋长隧道、低渗透油藏和深部矿井等非常规工程造成影响。另外,随着裂隙宽度的减小,界面特性如表面粗糙度、表面浸润性、比表面积等微观效应对渗流的影响大大增强,流体粘性力和流固界面力也逐渐占主要地位。由于界面力作用较强,微裂隙具有导水差、持水强的特点,其水岩反应时间更长,这也导致微裂隙的化学风化更强烈。由于微裂隙渗流的特殊性,导致现在其研究成果也较匮乏。因此,对微裂隙渗流展开研究具有工程意义和重大理论价值。由于微观流体的一系列微尺度效应,基于经典Navier-Stokes方程的数值方法不再适用。而格子Boltzmann方法(LBM)基于有介观背景的Boltzmann方程,其物理意义清晰、边界条件易处理、计算高效,很多学者利用LBM对微观流体进行研究。本文基于LBM改进Shan-Chen(SC)伪势模型对微裂隙渗流特征进行分析。主要研究内容如下:1.对SRT、MRT格子Boltzmann方法、多相流理论基础、SC伪势模型原理进行分析。得到:①MRT可解决SRT中的大密度比、大流速流体的动态失稳现象。②流体系统实现两相共存需包含非理想流体状态方程。除此之外,还要满足热力学一致性。③多相流体相界面由表面张力形成,利用扩散界面模型对其进行模拟时不需主动追踪。④SC伪势模型基本原理是利用分子间作用力引入非理想流体状态方程,并借此实现两相共存。2.通过对SC伪势模型的局限性进行分析并引入改进方案,接着利用数值模拟对该MRT改进SC伪势模型进行验证。据此可得:①经典SC伪势模型无法满足热力学一致,并在伪速度、大密度比、动态模拟等方面有局限性。②MRT改进SC伪势模型可以减弱模型伪速度、满足热力学一致性、实现大密度比两相流动态模拟。3.基于MRT改进SC伪势模型,研究不同浸润性条件下各影响因素(裂隙宽度、液体长度、粘滞系数等)对微裂隙渗流特征的作用。通过模拟发现:①壁面接触角θ直接影响流体滑移类型。壁面接触角θ越大,正滑移现象越显著,液体流速u也越大。②裂隙宽度u越小,接触角θ对液体流速u影响越显著。③在疏水微裂隙中,液体流速u不随液体长度变化;在亲水微裂隙中,液体流速u与长度成正比,但增长幅度逐渐减小。④微裂隙内液体流速u与驱动力F成正比、与粘滞系数v成反比。4.利用MRT改进SC伪势模型,分析各形状粗糙元(矩形、梯形、三角形)的几何特征与壁面浸润性对微裂隙渗流的共同影响。经分析发现:①当粗糙元高度升高时,疏水微裂隙(θ=145.5°、117.2°)内液体流速u呈先降低再升高的趋势,亲水微裂隙(θ=93.0°)内液体流速u则持续降低。但壁面亲水性过强(0=67.0°)时,粗糙元间便开始蓄积液体并形成减阻液膜,使得裂隙内液体流速u再次加快。②随着粗糙元间距加大,强疏水微裂隙(θ=145.5°)内液体流速u持续增快。但弱疏水(或亲水)微裂隙(θ=117.2°、93.0°、67.0°)内液体流速u持续降低。因为粗糙元间距越大,液体便越容易浸入粗糙元内部,从而影响液体流速。且当粗糙元间距较大时,强亲水(0=67.0°)粗糙元之间处也无法积蓄液体。③不同形状粗糙元的几何特征对渗流的影响规律一致,但不同形状粗糙元对渗流速度u的影响程度却不相同。


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