裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

裂隙岩体传热的流热耦合分析

通过对裂隙岩体介质的热传导和渗透特性的分析,建立了耦合传热模型.采用导热微分方程描述裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行离散,结合边界条件及计算参数对其进行数值求解.数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响.随着裂隙内水流渗透速度的增加,热交换的速度加快,缩短了达到热平衡的时间.渗流速度越大,交界面处温度等值线的不连续现象越明显,热交换越不充分.随着渗流速度的降低,热质迁移量减少,热交换的充分性增加,岩体内的温度等值线平滑连贯,温度梯度降低,裂隙内温度等值线的锐化现象逐步消除.沿着裂隙水流的流动方向,温度等值线变化率逐渐减小,热交换的速率逐渐降低.流固耦合作用对渗流作用下裂隙岩体的温度场分布具有明显的影响,流体温度的变化会影响裂隙岩体温度场的变化梯度.     

岩石单裂隙渗流-传热模型及其参数敏感性分析

针对岩石单裂隙渗流-传热问题,在传热几何简化模型的基础上,借鉴非稳态平面热源法建立岩石单裂隙在瞬态下的传热数学模型,由此计算任意时刻裂隙岩石的温度分布。同时,对裂隙岩石的传热影响因素进行研究。结果表明:渗透作用下岩石温度场受裂隙水流速度、隙宽、水流与岩石初始温度差等综合作用的影响。在一定范围内对这3个参数进行敏感性分析,得出岩石温度场对裂隙水流速度、水流与岩石初始温度差的敏感度较大,而对隙宽敏感度较小的结论。     

深部裂隙岩体温度场及其控制因素

分析了深部裂隙岩体温度场随深度基本变化特征及其主要影响因素,用数值模拟方法研究了裂隙水流对岩体温度场的影响特征,分析了裂隙围岩温度场与裂隙中水流温度场相互影响的主要特征和主要因素.通过假设的理论模型模拟计算了岩石热传导性、水岩热对流交换系数等因素对裂隙岩体温度场的控制作用,定量分析了不同因素对裂隙岩体温度场的影响特征,为研究深部矿井热害特征及其热害防治与地热综合利用提供了科学的依据.     

裂隙岩体等效导热系数影响因素的分析研究

为研究岩体等效导热系数各影响因素的作用机理,通过ADINA数值模拟和室内试验,分别分析了孔隙率、裂隙、裂隙水流速和流体粘性等信息元对岩体等效导热系数的影响。结果表明:等效导热系数与孔隙率、流体粘性呈负相关关系,并且在裂隙的不同方向上存在差异;低流速时,等效导热系数与流体流速呈正相关关系,超过某一临界流速呈负相关关系。为复杂条件下导热系数的确定以及更加准确的分析温度场分布情况提供了新方法和依据。     

不同隙宽条件下L形裂隙水头损失试验

根据室内模拟试验,研究了水流流经L形裂隙时水头损失随裂隙宽度、裂隙中水流流速变化的规律。研究结果表明：水流流经L形裂隙的水头损失随隙宽的增大而增大,与水流流速之间呈二次函数关系;综合分析不同隙宽条件下L形裂隙水头损失与流速之间的二次函数关系,显示此函数关系的二次项系数与隙宽之间呈线性关系,一次项系数与隙宽之间呈二次方关系,最终得到L形裂隙水头损失与隙宽及流速之间的经验公式。     

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

渗透动水压力作用下裂隙岩体渗流与应力耦合分析

针对裂隙岩体的渗透水压力使岩体应力产生非常大变化,同时应力变化也影响裂隙岩体渗透性。考虑岩体渗流和应力耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题。当岩体以裂隙为主,且其分布较密集时,可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。运用等效连续介质理论,建立了等效连续岩体渗流与应力耦合分析的数学模型,充分考虑了渗透水压力和裂隙的存在对岩体应力及孔隙裂隙水压力变化产生的影响。给出了渗流场与应力场耦合分析的工程算例。     

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.     

由统计规律模拟生成的岩体裂隙网络的非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义.利用MonteCarlo模拟岩体中裂隙网络分布情况,基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序,并通过算例进行验证,进而对工程实例进行分析.结论表明:运用MonteCarlo方法模拟岩体中裂隙网络分布状况并进行渗流分析是一种较好的分析方法;当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性,并且当边界条件变化一定时,岩体中水头分布受时间变化影响不大.     

裂隙水压力对煤岩体细观结构破坏分析

为了分析裂隙水压力对裂隙煤岩体的结构改造效应及宏观力学性能的影响,在现场调研煤岩体原生节理裂隙分布形态的基础上,采用断裂力学分析了岩体内水压裂隙起裂的最小水压力和分支裂纹的扩展后长度.从能量的角度分析了岩体内原生裂隙及水压分支裂纹扩展产生的应变能.在岩块为各向同性的前提下给出了裂隙扩展前后岩体的总柔度,从能量耗散损伤的角度以柔度为损伤变量分析了裂隙水压力与岩体损伤的关系.实例分析表明裂隙水压力对裂隙煤岩体宏观力学性能的弱化效果明显.图2,参12.     

单裂隙承压无压条件下达西-非达西流演变试验研究

基岩裂隙水运移机理研究对基岩裂隙水水害防治以及污染修复具有重要意义。本文设计了由水泥和粗砂（粒径介于1 mm～2 mm之间）制成的单裂隙模型,开展了承压无压条件下基岩裂隙水流试验和拟合研究,讨论了水力梯度和流速之间的关系以及Forchheimer公式中线性项和非线性项的比例变化。得出主要结论如下：（1）实验条件下的水流呈非达西流,用Forchheimer公式可以较好地拟合水力梯度和流速的关系,且拟合精度较高。（2）随着离出水口距离的增加,水流从非达西流向达西流演变,当距离足够远时可以将水流视为达西流。（3）在水流从非达西流向达西流演变过程中,临界雷诺数随着隙宽的增加逐渐减小。     

裂隙岩体渗流-传热的时域半解析计算方法

针对饱和裂隙岩体渗流-传热问题,提出一种时域半解析计算方法。首先利用三维热传导方程的基本解建立岩石温度的时空域边界积分方程,通过对时间进行卷积积分将其简化为空间域的积分方程;应用有限单元法离散裂隙水的热对流方程,建立线性代数方程组,经过迭代计算直接得到裂隙水和岩石的温度。最后,通过1个核废处置库裂隙岩体渗流-传热算例,验证本文方法的有效性。研究结果表明:相比于拉氏变换半解析方法,本文方法具有计算过程更简单和计算结果更精确的特点,能用于分析稀疏裂隙系统中的水流-传热问题;裂隙水将核废物释放的热量传输至下游,有利于降低处置库温度。     

岩体THM耦合应用研究现状综述

对岩体THM耦合研究现状进行综述.从THM耦合机理分析入手,结合国内外试验成果,对裂隙岩体耦合模型、方程求解等几个方面进行总结,最后对后继研究提出了几点建议:耦合机理研究方面,需要对温度场、渗流场、应力场各场之间耦合影响的大小进行研究,而大裂隙中的THM耦合值得注意;在耦合机理的验证方面,需加强室内或现场试验;在耦合计算方面,应开发程序,而采用高性能计算是一个较好的发展方向.     

单裂隙岩体水-力耦合数值分析

随着地下工程的不断发展,诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型,应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现：模型约10 s后达到稳态,节理流体形成从左向右的渗流场,节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关;节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场,节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关;节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场,岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

辽阳硅石矿岩质边坡岩体裂隙宽度概率统计

岩体随机不连续面三维裂隙网络模拟是近年来一项评价岩体结构特性的重要手段,但该模型中并未考虑裂隙宽度对岩体稳定性的影响.对辽阳石门硅石矿岩质边坡的裂隙进行了现场不连续面窗口调查,利用卡方检验、K-S检验相结合的方法,对所统计的裂隙宽度进行概率统计分析,从而选取最佳概率分布类型.统计分析结果表明,辽阳硅石矿岩质边坡裂隙宽度分布多呈伽马型分布函数,小于10mm宽度的裂隙占大多数,构造应力类型对裂隙宽度分布参数起主要影响,可为三维裂隙网络宽度模拟提供理论依据.     

岩体裂隙介质各向异性耦合模型研究

将裂隙岩体看作是由主干裂隙和网络状裂隙共同构成的,分别用随机离散裂隙网络模型和等效连续介质模型描述裂隙中的水流运动,利用裂隙壁与岩块之间的水位连续和流量均衡将两模型耦合起来,建立各向异性离散一连续耦合模型,并给出了求解方法.与其他耦合模型不同的是,各向异性离散一连续耦合模型采用了Monte-carlo方法随机生成裂隙网络系统,具有随机性.通过算例比较了等效连续介质模型和离散一连续耦合模型对裂隙岩体渗流场影响模拟的差异.结果表明,裂隙间距和隙宽越大,2种模型模拟的差异越大.     

岩石面糙率的分布及其对裂隙水流的影响

就岩石央糙率的分布规律及其对裂隙水流的影响进行了计算分析,通过天然大理石板人工构成开裂隙模型所进行的大应力高水头耦合试验研究,对大理石板在糙度的实测数据进行了数值分析,分析表明,该岩面糙率符合斯分布,由此得出了数值岩面,同时,用数学模型确定了裂隙面接触状态与应力的关系,用应力场与渗流场耦合地描述了裂隙流渗随应力变化的渗流特性,从计算途径验证了试验结果。