考虑孔隙率和不均匀系数的土石混合体颗粒流分析

为研究低含石率情况下,由土体主导的土石混合体的力学特性,采用分层欠压和随机生成多边形相结合的建模方法,建立土石混合体颗粒流模型,提出不均匀系数作为衡量土石混合体非均质性的指标。通过室内试验校核了颗粒模型的细观参数,并开展双轴数值模拟试验,研究在低含石率情况下,含石率、土体孔隙率和不均匀系数3个因素对土石混合体力学特性的影响。结果表明:在低含石率情况下,土石混合体的强度受土体孔隙率影响较大,随着土体孔隙率的减小,土石混合体的强度有较大提高;块石的存在破坏了土体的均匀性和连续性,反而在低含石率情况下,随着含石率增大,土石混合体整体强度有微小减小的现象;土石混合体的不均匀系数对体应变影响较大,不均匀系数越大,体应变的膨胀现象越明显。     

基于数字图像处理的土石混合体细观结构

为了研究土石混合体这类复杂的岩土体的内部细观结构特征,利用现代数字图像处理技术对研究区选取的土石混合体断面图像进行了分析,获得了其中所包含的丰富信息,建立了其各自相应的细观结构的"概念模型".并在此基础上对研究区分布的土石混合体的粒度、块体表面分维、块体定向性分维及形态特征等内部细观结构进行了相应的统计分析研究.其结果表明土石混合体的"混乱"状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点.     

基于LBM的2D/3D原状花岗岩残积土细观渗流模拟

为刻画原状土体内部孔隙细观渗流特征,选取东南沿海地区某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)和图像处理技术对2D/3D原状土体模型进行重构,并结合格子Boltzmann方法(LBM),通过自编程序模拟土体孔隙内水分渗流及分布情况.结果表明：孤立孔隙对渗流结果影响甚微,仅个别连通性好、孔径大且笔直的大孔隙会成为优势通道并产生优先流;渗流从开始至稳定过程中,最大流速主要出现在孔隙通道由宽变窄处,孔隙结构形态对渗流的影响较孔隙占比更为显著.基于工业CT扫描技术和LBM能较好刻画真实土体孔隙渗流特征,2D模型可更直观表现大孔隙优先流现象,适用于定性研究;3D模型更接近实际情况,可精确计算土体渗透率,适用于定量研究.     

基于LBM方法的天然气水合物沉积物中多相流动规律研究

根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点,提出将格子Boltzmann方法(LBM)用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律研究的新方法,该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法,是用格子Boltzmann模型对多孔介质中水合物生成、分解过程中饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行模拟.模拟结果表明,多孔介质...     

基于颗粒离散元的土石混合体直剪试验模拟研究

土石混合体是一种由高强度块石和低强度土体组成的非连续非均质材料,力学性质受土体、块石及土石接触面三者共同控制.本文为研究块石含量及土体性质对混合体力学特征及变形破坏形态的影响,利用颗粒离散元理论和PFC~(2D)程序,生成了可描述块石非规则形态的团粒(clump)结构,建立了土石混合体直剪试验离散元模型,以室内直剪试验结果作为细观参数标定依据,对不同含石量、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟.结果表明:直剪试验模拟结果与实际试验结果基本相符,证明了块石随机模型与细观参数的可靠性;随含石量增加,混合体抗剪强度增加,应力峰值强度对应剪切位移减小;高含石量条件下,黏聚力上升至峰值后骤降,在块石逐渐主导地位后重新上升;试样剪切面凹凸不平,剪胀现象更为明显;随黏结强度增加,剪切应力峰值及其对应位移增大,高黏结强度下应力曲线波动和剪胀性更为明显.     

土石混合体粒度分形特性及其与含石量和强度的关系

利用分形理论论证土石混合体的层次性,建立土石混合体的二维分形结构模型,提出粗、细料无标度区间粒度分维值的概念;通过100组筛分析实验分析土石混合体的粒度分形特征并分析其与含石量的关系;通过大型三轴试验分析土石混合体的粒度分维值与抗剪强度的关系。研究结果表明:土石混合体具有统计意义上的自相似性,一般存在2个粒度无标度区间,具有2个粒度分维值,但对于最优级配土石混合体是一维分形;土石混合体粒度分维值与含石量及强度之间均呈抛物线性关系,对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度。     

基于QSGS法3D重构土体渗流场的LBM数值模拟

基于四参数随机生长法（QSGS）以及改进QSGS方法等效重构三维（3D）各向同性/各向异性土体内部孔隙结构，结合格子玻尔兹曼方法（LBM），采用MATLAB自编程序进行细观渗流场数值模拟，分析不同孔隙参数及模型各向异性等因素对渗流特性的影响规律. 结果表明：3D模型尺寸100×100×100格点时，连通孔隙率nc达到最大增幅19.23%. 流体易在连通性好、孔喉直径大的部位形成主渗流通道，且存在“指进效应”，流体越靠近孔道中轴线流速越快. 3D重构土体的计算渗透率k随模型孔隙率n增大而增大，随土颗粒尺寸减小而减小，当分布概率pc = 0~0.05（大、中颗粒）时渗透率显著降低，降低幅度达42.86%. 考虑各向异性的重构模型出口边界渗流速度波动幅度较大、变化趋势规律性不明显，且流线分布稀疏、相互交错、主渗流通道不明显. 该研究能揭示流体在3D土体孔隙结构中的流动规律，并为3D土体重构和细观渗流模拟研究方法提供借鉴.     

原状花岗岩残积土大孔隙细观渗流场的格子Boltzmann模拟

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)图像与格子Boltzmann方法,通过自编程序研究原状土样在大孔隙域中的细观渗流规律.结果表明:孔隙连通性好、孔径大的区域流体流速较大,且呈闪电状分布,而在孤立孔隙中流体无法流通;大孔隙渗流过程中存在明显的"指进效应",孔道中间流速最大,可达格子速度0.093 2,越靠近孔壁渗流速度越小,接近于0;大孔隙存在区域,格点流速分布呈单峰状或多峰状,而多个孔隙交汇区域内格点流速分布呈散点状,且无规律可寻.     

基于COMSOL与AVIZO联合仿真方法的土体三维细观渗流特性研究

为实现COMSOL与AVIZO联合仿真过程,以福州某地原状花岗岩残积土为研究对象,基于工业CT扫描与图像处理技术,建立真实土样的三维孔隙网络模型,并以单相水渗流场模拟为例,详细探讨了两者数据交互对接的可视化过程。结果表明：可视化联合仿真技术可以较好地实现细观尺度下的三维模型渗流场模拟和渗透率计算。研究方法丰富了现有土体三维重构仿真模拟的手段,为细观孔隙结构及流体渗流研究提供了新途径。     

冻融循环作用下含“架空”结构土石混合体边坡变形机理试验研究

含"架空"结构土石混合体是一种有别于岩体和土体的特殊地质材料,广泛分布于我国西南地区,其组成结构及变形特性是崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害频发的主要诱因.目前的研究成果对其力学特性及变形破坏机理的解释远远不够,以青藏高原多年冻土区土石混合体为研究对象,从含"架空"结构土石混合体的形成结构、分布特征及变形特性入手,采用现场调查、采样分析、室内试验及试验结果分析等技术手段,针对含"架空"结构层的土石混合体的变形特征开展研究.研究结果表明,土石混合体边坡失稳主要原因是冻融循环作用下岩土介质力学结构的破坏以及富冰层对补给水的滞留作用降低了上覆岩土体与富冰层的摩擦系数."架空"结构不仅具有阻滞环境与下伏岩土体之间热交换的作用,并且作为泄水通道,改变了上部补给水的运移途径,同时"架空"结构也是富冰层的良好发育场所.研究结果对含"架空"结构土石混合体导致的地质灾害的预测、预防及控制提供理论依据.     

东胜气田致密砂岩储层渗流机理

致密砂岩气藏渗流阻力大,废弃压力高,采收率低,含水饱和度影响显著,明确致密砂岩储层气体的渗流机理对于气藏的有效开发具有重要意义。选取东胜气田致密砂岩储层样品100余块,开展了孔渗测试及其相互关系与分布特征分析;进行了致密砂岩储层在不同含水饱和度下的气体渗流特征实验,计算了单相气体及不同含水饱和度下气体渗流的滑脱因子;测试了样品在不同驱替压力下的气水两相相对渗透率曲线。实验研究结果表明：东胜气田致密砂岩储层覆压渗透率约为常压下测得的标准渗透率的1/10,且普遍低于0.1mD,孔隙度偏低;滑脱效应受渗透率、孔隙压力、含水饱和度影响明显;干岩心气体临界流态特征明显,小于0.1mD岩样渗流特征曲线为线性,大于0.1mD岩样非线性特征明显;含水饱和度对于渗流特征曲线影响显著,随着含水饱和度增加,气体渗流由气态渗流过渡到液态渗流,气相渗流滑脱效应逐渐变弱;驱替压差对残余水饱和度影响大,控制气藏生产压差,防止大压差驱动储层水,导致气井大量产水。渗流机理研究对于东胜致密砂岩含水气藏的合理、有效开发具有重要的基础理论支撑作用。     

煤储层渗透率拟稳定评价方法

为定量评价煤储层渗透率大小,本文从煤层气井压降规律出发,以压降传播到边界为界限,将煤层气井排水降压段的压降规律分为两个阶段,且压力传播到边界之后的阶段为拟稳定流阶段。在此基础上,基于渗流力学理论和物质平衡原理,结合拟稳定流时地层各点压降速度相等,推导得到基于平均地层压力、井底流压、产水量等数据计算煤层渗透率的计算方法,并对该方法的优点及适用性进行论述,形成计算流程。以A区块为例,采用煤层渗透率拟稳定评价方法对A区块7口井进行煤储层渗透率计算,与稳定流法计算结果进行对比可知,拟稳定评价方法的稳定性及合理性明显优于稳定流法;并形成了A区块渗透率平面分布规律,与该区块排采井产气量变化趋势一致,即高渗区高产、低渗区低产,进一步论证了拟稳定评价法计算煤储层渗透率的可靠性。     

基于颗粒流方法的碎石渗透系数分析

渗透系数是级配碎石渗流特性的重要参数,通过颗粒流数值方法建立碎石土渗流计算模型,利用流动方程和水压方程以及碎石之间的应力变形响应进行耦合计算,得到相应级配碎石的渗流系数,数值计算结果表明:颗粒流数值分析方法(PFC)适用于模拟任意形状、大小的单元集合体,允许单元在受力过程中发生开裂和运动.颗粒流不需要给出材料的宏观参数,只需给出材料的细观参数,通过细观结果的累加,PFC可以模拟材料在宏观状态下的表象.给出的9种级配碎石的渗透性远大于规范要求的级配集料的渗透系数,渗透系数均满足工程要求,但综合比较,孔隙率较大的碎石3类较优.     

低渗透砂岩渗流启动压力梯度

为了研究低渗透砂岩的启动压力梯度,设计了一种非稳态渗流中测量压力的试验方法。岩心中形成稳定渗流后,关闭驱替泵,测量岩心封闭端的压力衰减曲线。建立了考虑启动压力梯度影响的一维低渗透岩心中液体不稳定渗流的数学模型。用数值有限差分的方法进行求解。封闭端压力衰减曲线的试验结果和理论计算结果吻合较好,从而验证了试验方法和数值模型的可靠性。试验结果表明,启动压力梯度与岩心的气测渗透率之间并不存在负相关的关系;同一块岩心在初始稳定渗流速度大的情况下,岩心的启动压力梯度小。这与产生启动压力梯度的机理的边界层理论解释相符合。     

低渗透岩石非饱和非Darcy渗流机理

为了探讨低渗透岩石非饱和非D arcy的机理,以毛管模型为基础,通过对流体非饱和系列流动状况的运动分析,相应推导得出流体非饱和渗流的毛管模型,从理论上论证在微小尺度孔隙中流体自身的力学特性,以及与固体、气体的相互作用,指出毛管压力与边界层的存在,是导致流体非D arcy渗流现象的一个主要原因。研究这些因素对渗流运动的影响机制,是探索低渗透岩石非D arcy渗流机理的一个重要方向。     

低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究

为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律,采用FDES-641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行实验和分析。实验结果表明:低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应。随着有效围压的增加,岩样的渗透率逐步下降,当有效围压开始卸载,岩心的渗透率逐步得到恢复,但不能恢复到原始数据;低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述;岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。     

利用瞬态法提取岩样非Darcy流渗透特性

建立了一种测定岩样非Darcy流渗透特性试验系统的动力学模型.基于岩样两端孔隙压差的时间序列,利用差分计算或曲线拟合得到渗流速度及其变化率的时间序列.通过线性回归,得到岩样的Forchheimer非Darcy流渗透特性,即渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数.试验结果表明,无论岩样处于峰前还是峰后应力状态,岩样中的渗流都不服从Darcy定律;当非Darcy流β因子为正时,非Darcy流的渗透率κ小于Darcy流的渗透率κD;渗透率(κ和κD)、非Darcy流β因子和加速度系数可近似表示为应变的幂指数函数;三种渗透特性中的每两种整体上存在幂指数关系;在加载的初始阶段,由于孔隙和微裂隙的压缩和闭合,渗透率随应变减小,而非Darcy流β因子和加速度系数随应变增大;随后,由于裂隙的扩展,岩样的渗透率迅速增大,而非Darcy流β因子和加速度系数迅速减小,并在峰值应力附近达各自的极值;由于围压的作用,峰后应力状态下岩样的渗透特性随应变的变化缓慢.图3,参18.     

降雨条件下的单裂隙非饱和渗流实验研究

为明确单裂隙饱和—非饱和渗流的基本规律对整个裂隙岩体渗流的作用,利用自行设计制作的单裂隙渗流实验装置,进行了不同隙宽、不同饱和水位、不同降雨强度下的一系列渗流实验,建立了裂隙隙宽与负压、饱和度与负压、裂隙隙宽与饱和度以及负压与非饱和渗透系数之间的实验关系,给出了各参数间的非线性函数式,这些关系式的确立丰富了裂隙渗流理论,为探明实际工程中裂隙岩体非饱和区的渗透荷载分布特征提供了新的有效方法。     

Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.