地下工程中的流─固耦合问题的探讨

叙述了涉及媒岩体一流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固－流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

考虑解吸扩散过程的煤层气流固 耦合渗流研究

煤层甲烷运移包含解吸、扩散和渗流过程,同时又存在渗流场、变形场和应力场的动态耦合作用。本文建立考虑解吸、扩散过程的气、水两相渗流场与煤岩体变形场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型并进行了数值模拟,通过试井资料的实际数据与流固耦合模型的数值模拟的结果比较表明流固耦合模型比较接近实际。     

煤层气开采中两相流阶段的流固耦合渗流

在考虑气溶于水的情况下,建立了煤层气开采过程中的气、水两相流阶段的渗流场与煤岩体变形场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型,通过将岩土质点的位移分量引入到渗流场、渗流场中的孔隙流体压力引入到变形场、有效应力和孔隙流体压力引入到渗流物性参数中,实现了流固耦合间的相互作用。     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.     

某尾矿库三维流固耦合稳定性分析

为了解决尾砂滩面在渗流力的作用下可能产生较大沉降的这类问题,采用了三维流固耦合数值模拟计算的方法,分析评价此尾矿库达到一定标高后坝体在静态、动态和渗流条件下的尾矿稳定性.研究结果表明:坝体达到最终标高后,静态稳定性安全系数2.48,具有较大安全余量;在堆积坝体表面上三种不同排渗措施的情况下,侵润线的平均埋深满足规范要求;在0.05 g地震力作用下,尾矿库能够保持稳定.研究结论为初步设计及施工图设计阶段提供依据.     

承压含水层地下水开采流固耦合渗流数学模型

以饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型为基础,推导建立了适合描述承压含水层地下水开采过程渗流与地面沉降耦合的二维数学模型。并给出了一承压含水层定产量开采的数值算例,计算得出了渗流场的分布特征和中心位置地面沉降量的变化规律,探讨了流固耦合效应。结果表明,考虑耦合效应与否对于计算结果影响较大,本文模型更能反映流固耦合渗流的物理实质。随着时间增长孔隙压力减小,孔隙压力消散的程度越来越快;含水层内部的流固耦合作用较强,而其边界处因受边界条件约束,耦合效应表现则不够明显。中心沉降量随时间增长而迅速增大,且很快趋于稳定,固结沉降速度之快,说明流固耦合效应影响之大。这对于进一步深入认识因地下水开采而诱发的地面沉降机理及制定相应的防治措施都有重要的理论意义和指导作用。     

基于Workbench的除尘管道流固耦合数值分析

以大型消音除尘进气管道为研究对象,对其内部流场及结构场进行流固耦合数值分析。根据流体力学基本方程和流固耦合基本方程,应用CFX对管道内部流场进行模拟仿真,得出管道内压力、速度云图。将流场计算结果导入Workbench,利用流固耦合理论,得出耦合后管壁的压力分布和等效变形云图。仿真结果表明,空气流经管道时,从进风口处到出风口处,管道中压力水头转化成速度水头,压力减小,流速增大,出风口处产生负压;耦合后管壁存在微小变形,管壁四个角的变形明显大于壁面变形。     

水平井流固耦合及井筒压降规律分析

为了预测水平井产能和检验井壁稳定性与储层变形、流体渗流及井筒压降的耦合作用密切关系,考虑了近井储层变形和径向渗流及井筒内变质量管流流动的相互作用,建立了耦合力学数学模型,并对其进行了数学解耦,推导出孔隙压力解析解,主要分析了反映储层变形的物理力学性质非线性程度对孔隙压力和径向渗流对水平井井筒压力降的影响规律。研究表明:储层物理力学性质的非线性程度越明显,孔隙压力消散得越慢;计算井筒压力降时,应考虑径向渗流对主流流动的影响,且径向渗流对井筒压力降变化有较大影响;储层变形、径向渗流和井筒压降之间的耦合效应与非耦合效应差别较大,在实际工程中,不应忽略耦合效应。     

可压缩流固耦合振动问题特征值分析的矩阵摄动法

在考虑流体的可压缩性时，流固耦合结构的动力学振动微分方程的系数矩阵将是不对称的．将流体自由度凝聚在固体位移上之后，获得了一个具有对称系数矩阵的非线性特征方程．然后采用矩阵摄动理论给出了这一特征问题的渐近解．     

煤层瓦斯流固耦合渗流的二维数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程,根据有限元法原理推导出其耦合求解方法,最后进行了实例计算。     

混砂车搅拌叶轮流固耦合模态分析研究

为了研究流体作用力、离心力及重力等载荷对混砂车搅拌叶轮模态的影响,建立了混砂车搅拌系统的三维模型,分别对叶轮的静态模态和预应力模态进行了分析。结果表明:各载荷对混砂车叶轮模态固有频率影响不大,叶轮在两种工况下固有频率变化较小,最大变化率仅为0.61%;在流固耦合作用下叶轮振型的第2阶及第3阶振型最大值有所减小,其他各阶振型最大值无显著增大。     

坝体-库水相互作用的流固耦合分析

采用Ansys中的声学流体单元模拟库水,进行了某重力坝与库水的流固耦合分析。考虑了库底吸收系数对坝库耦合系统动力响应的影响,计算结果表明：库底吸收性显著降低了动水压力,吸收系数越大,效果越明显;位移反应也有所减小。比较了Ansys与Adina的计算结果及效率,结果表明：两者的计算结果基本一致,Adina的计算效率高于Ansys,但Ansys的前后处理较Adina高效。     

基于Workbench的输流弯管流固耦合分析

运用ANSYS Workbench软件建立不同弯曲半径的弯管模型,分析了弯曲半径对所受流体压力以及内部流速分布的影响,得到了弯曲半径和管道入口压强对固有频率和整体变形的关系。结果表明:弯曲半径对流速分布影响显著,弯头处内侧流速大,外侧流速小;弯曲半径对弯头后段内壁压力影响显著;弯头处内侧受压小,外侧受压大;弯曲半径对整体变形的影响较小,而管道入口压强对整体变形的影响大;管道2、3阶固有频率随着弯曲半径的增大有下降趋势,随着弯曲半径的增大4阶固有频率增大明显。     

机械密封动静环的热流固耦合分析

本文以计算流体动力学及热流固耦合数值计算理论为基础,对处于高速、高温、高压等高参数极端工况的机械密封摩擦副密封环界面、流体膜及工作流场进行了热流固耦合数值计算分析,为高参数机械密封动环的进一步结构优化设计提供依据。因此,对密封环进行热流固耦合方面的研究就显得非常有必要。     

基于流-固耦合法的砂泥岩储层压裂裂缝延伸规律研究

基于多孔介质流-固耦合的基本方程,建立起砂泥岩储层压裂裂缝扩展的三维有限元模型,利用cohesive黏结单元模拟压裂过程中裂缝起裂、扩展造成的损伤,定量描述裂缝延伸规律。模型计算结果显示,砂泥岩储层裂缝缝宽剖面呈S型,泥岩夹层裂缝宽度较砂岩缝宽小20%~35%,施工排量与砂泥岩层应力差对裂缝宽度影响较大,建议砂泥岩储层施工排量范围为3.5~4.0m3/min。在应力差高于4 MPa的砂泥岩储层,考虑夹层厚度的条件下优先实施分层压裂。     

葡萄花油层液固耦合渗流问题实验研究

葡萄花油层按照现有的液固耦合模型未能形成油田压降漏斗合理范围及控制技术。以室内实验测定了岩石弹塑性形变与油、水单相渗透率及相渗曲线的关系,确定油井投产初期低于地层压力的井底压力在合理范围内,地层与井筒之间形成一个比较平缓的压降漏斗,可以减少压实沉降和颗粒运移对渗透率造成的损失。待注水收效后恢复到合理流压下生产,从而提高采收率。     

地下水抽取对溶洞稳定性影响的流-固全耦合分析

岩溶区抽取地下水导致水位被迫下降将诱发溶洞坍塌及地面沉降等灾害,其实质是流场和力场相互作用的结果。为精确评判溶洞稳定性和沉降风险性,需构建流-固耦模型模拟地下水抽取过程中的流场和力场的时空分布。基于连续介质力学推导给出流-固全耦合控制方程,结合渗透率关系、应力-应变关系等本构方程给出闭合数学描述,通过经典算例验证模型有效性后分析全耦与传统解耦计算的差异。以深圳市场地工程地质条件为背景,根据勘察参数,计算分析不同抽水速率、洞径、洞形等多个关键因素下孔压、应力和塑性区的时空分布,阐述多物理场作用下岩溶塌陷及地面沉降的力学破坏机制,并基于灰色理论对各影响因素敏感性大小进行分析。结果表明：在重点分析土体渗流时,耦合作用不可忽视;与勘察结果一致,水力压降造成的应力集中是形成地面沉降和溶洞坍塌的主要因素;地面沉降对抽水速率、洞径和洞形更为敏感,溶洞稳定性对抽水速率和洞径更为敏感。研究成果可为岩溶塌陷防治提供参考。     

分支井连接段有限元建模与分析

分支井作为一种能够更加有效地开采油气藏的钻井技术,在国内外已经得到普遍推广。然而在应用该技术的实践中也遇到了一些新的难题,井壁稳定性就是其中之一。在前人研究的基础上,采用有限元方法建立分支井连接段的三维模型,综合考虑各向异性地应力,流体对岩石骨架的影响和方位角、倾角变化等,得出连接段附近的应力–应变和渗流场分布规律。并根据摩尔–库仑准则,利用有限元后处理程序图形化了井壁稳定的预测情况。分析结果表明：当支井方位角为90◦,即与最大水平主应力平行时连接段井壁最稳定;井眼直径和连接段位置深度对井壁稳定性影响较小;后期生产压差过大也会增大裸眼完井井壁失稳的可能性。     

爆炸冲击波损伤靶板问题中的流固耦合算法

通过介绍流固耦合算法技术在处理爆炸问题中的应用和优点.并以爆炸冲击波对靶板的损伤为例,说明了流固耦合方法在具体爆炸问题中的应用,目的是为装备的改进维修提供理论依据.