饱和砂层渗流冻结水热耦合模型与试验验证

为研究渗流作用下饱和砂层冻结规律,根据冻结过程中土体水分迁移及热量变化、热力学和渗流力学的基本理论,并考虑冻结过程中绝对孔隙率的降低对渗流的影响,基于Harlan水热耦合模型,建立了饱和砂层含相变全参数渗流冻结耦合数学模型,并应用COMSOL有限元软件与MATLAB编程,实现了耦合数学模型的数值求解。设计了相似模型试验验证了该模型及方法的合理性。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果较为吻合,数学模型与求解方法合理、有效,为今后渗流地层冻结的拓展研究提供可靠数学与试验基础。     

岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。     

基于集中补给-排泄的裂隙水运移模拟试验

裂隙渗流的特殊性使传统的野外地质手段受到很大的限制,室内模拟成为现今研究裂隙水渗流问题的一个有效手段。为揭示裂隙中水流的运移特性,该试验基于不同定水头与不同初始水头,针对稳定流过程与单次补给-排泄过程,共进行了81组裂隙渗流模拟试验。结果发现:(1)裂隙稳定渗流的流量与裂隙宽度的关系可用二次多项式拟合;(2)裂隙水排泄过程出现拐点,拐点前为承压阶段,拐点后为非承压阶段;(3)在退水规律非线性拟合中,多项式拟合的相关性优于指数拟合。该试验的研究成果在裂隙水动力特性的试验研究领域具有参考意义。     

土体渗流-切向水流相互作用机理分析

在切向水流-土体渗流相互作用试验基础上,结合Fluent软件数值模拟,对比验证和分析了切向水流-土体渗流相互作用规律和内在机理.结果表明,数值模拟与试验结果吻合良好,切向水流对土体渗流的影响明显;切向水流条件不变时,渗流通道出口的压力场与流态随着渗流速度的变化而改变,且渗流速度越大,土体透水系数越大.     

碳酸盐岩酸蚀裂缝渗流-传热特性

充分认识流体在碳酸盐岩酸蚀裂隙面上的渗流传热特性,实现地热能的可持续开发利用是十分必要的。针对碳酸盐岩热储非均质性和缝洞发育的突出特点,采用自主研发的实时高温常规三轴试验系统,能够真实模拟岩石裂隙的真实对流换热过程。采用试验和模拟相结合的方法,进行了碳酸盐岩裂缝渗流传热耦合机理研究。结果显示,裂缝表面进行非均匀性溶蚀,形成一条具有导流能力的人工裂缝,达到改善流体渗流条件的目的;在温度一定的条件下,对流换热系数增幅与流量、压强呈正相关;采用COMSOL Multiphysics软件对碳酸盐岩单裂隙渗流传热过程进行了模拟计算,开展了实际热储层环境条件下对流换热仿真分析,实验结果验证了数值模拟的正确性与可靠性,获得了储层温度场的演化规律。     

铝液在多孔介质中渗流过程的模拟试验研究

本文根据相似原理对铝液在多孔介质中的低压向上渗流过程时行了模拟试验研究。试验表明，渗流液面以平面沿铅垂方向推进，并满足四次方根规律；某一时刻ι的雷诺数、阻力系数和沿程损失可用相应的公式计算；外加渗流气压的最佳值为０．４０ａｔ。实验还将模拟充填时间与原型充填时间进了对比，两者得到了良好的一致性。     

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。     

基于ANSYS的土坝渗流分析及其应用

利用热传导和水渗流原理的相似性,采用ANSYS软件提供的热分析模块,开发编制了以总水头为因变量的多孔隙介质的饱和．非饱和渗流程序。该程序可用来模拟复杂渗流场,而且能够检查每一迭代过程的计算结果并查看收敛过程。应用该软件建立了崂山水库粘土斜墙坝模型并进行渗流计算。仿真结果表明,基于ANSYS热分析模块能够进行复杂渗流场的仿真计算,计算结果直观、真实。     

部分充填周期性裂隙岩体渗流理论分析与试验

为研究部分充填周期性裂隙岩体的渗流特性,建立了岩体渗流分析模型.基于无充填裂隙中流体满足Navier-Stokes方程和多孔介质中渗流满足Brinkman-extended Darcy方程,采用不同介质交界面流速相等且剪应力连续的边界条件,推求出部分充填周期性裂隙岩体中流体的流速分布,并给出了岩体等效渗透率的理论表达式.研制渗透试验装置,选用混凝土模拟岩石基质,混凝土间的缝隙模拟岩体裂隙,砂岩模拟充填物,进行部分填充裂隙岩体的等效渗透试验.试验测得的结果与理论计算值相比,二者差值很小,试验很好地验证了等效渗透率表达式的有效性.     

岩溶发育地段地铁车站深基坑工程渗流参数数值模拟研究

以岩溶发育强烈的地铁车站基坑工程为例,系统阐述了基于等效多孔介质理论概化基坑场区岩溶地层水文地质条件,建立基坑场区岩溶地下水渗流数值模型的方法。通过将模型运用于抽水试验模拟,使得抽水试验模拟结果与实测误差在合理区间上,反演出基坑岩溶水文地质参数。最后从岩溶地层结构特征和抽水试验两方面对模拟误差进行分析,为基坑岩溶地层水文地质参数数值反演提出建议,可为今后岩溶基坑工程地下水渗流模拟提供参考,具有重要工程意义。     

原地破碎浸出流动模型与数据模拟

介绍了在一般情况下液体在矿石中流动的规律和动力学方程并根据原地破碎浸出采矿方法中的要求建立的流动模型.并在实验过程中,针对浸出液垂直入渗过程进行了数据模拟,为进一步完善浸出液的流动规律提供了条件.     

浑水入渗作用下尾矿砂渗透规律试验研究

通过自制的多功能浑水渗透试验装置,配置浓度为0%、10%、20%、30%、40%的浑水做砂柱入渗对比试验,模拟浑水入渗过程中累积入渗量、渗透系数与孔隙度等的变化情况。实验结果表明,浑水浓度在入渗过程中对尾矿砂的物性参数具有显著的影响,浓度越大,浑水中固体颗粒沉积得越快,入渗后砂柱的渗透系数和孔隙度越小。在浑水入渗的初始阶段,粗颗粒的沉积滞留起主要作用,随着入渗时间的增长,细颗粒的入渗和滞留对参数影响变大。研究结果对尾矿坝的设计和渗流分析具有一定的参考价值。     

基于GPGPU的LBM障碍绕流的实时模拟

基于显卡的通用计算(GPGPU)是近年来并行计算和快速绘制的热点.格子Boltzmann方法(LBM)作为流体动力学的新方法,其并行性好,常常用于基于物理的流体模拟,且具有适用于复杂边界障碍的特性,但计算较为复杂.利用GPGPU技术来加速LBM的流体计算模型,构建了基于图形处理器(GPU)的流体计算框架,实现了格子Boltzmann计算的D2Q9和D3Q15模型,并用于实时的障碍绕流模拟.     

不同性质外液对煤与瓦斯突出防治效果影响

针对煤层注水防止工作面煤与瓦斯突出问题,以七台河新兴煤矿92#煤层工作面生产条件为背景,采用数值模拟研究和现场工业试验相结合的方法,研究了注入介质为纯水和表面活性剂溶液时,其对工作面钻孔围岩塑性浸润区和工作面垂直应力分布规律的影响。结果表明:具有煤与瓦斯突出危险的回采工作面预采煤体注液后,能够降低应力峰值、增加峰值距、扩大应力增高区的覆盖范围,从而使防突效果提高;防突效果的提高程度与所注入的外液性质有关,表现为表面活性剂溶液强于纯水;钻孔注液后,孔间塑性浸润区的发展状态与注液压力及所注入的流体介质性质有关。相同流体介质条件下,注液压力越大,塑性浸润区的发育范围也越大;在纯水中加入表面活性剂之后,其孔间塑性浸润区的发育不仅范围更大,速度更快,且在各方向上更为均匀。该研究对注水防止煤与瓦斯突出具有很好的实际指导意义。     

液态金属充型过程流动与传热数值模拟

根据有限差分法原理,对液态金属充型过程中同时发生的流动与传热过程,用在微小时间段内独立的流动与传热过程近似表示.结合温场数值模拟与流场数值模拟技术,开发铸件成形过程流动场与温度场耦合的数值模拟软件,并利用该软件对标准实验铸件充型过程进行耦合分析.研究结果表明:该方法不需要求解用能量平衡法建立的,考虑了流动对传热影响的复杂方程,有利于提高流动与传热耦合数值模拟的计算速度;自主开发的金属液态成形工艺分析系统的"耦合"计算功能是有效的,且计算精度较高.     

海上油田氮气泡沫稳油控水注采参数数值模拟

 国内某海上的油田典型块状底水油藏大部分井已经出现底水锥进现象,改善该油田的高含水井开发效果,控制直井底水锥进和水平井底水脊进成为油田稳产的关键。为了有效实施氮气泡沫稳油控水提高采收率技术,以该油田一口井为例,开展氮气泡沫稳油控水注采数值模拟研究,在历史数据拟合的基础上,对氮气泡沫稳油控水注采参数进行了优化设计,为工艺方案实施提供技术支持。氮气泡沫稳油控水最佳注采参数为,注入方式为连续注入、注气量为45×10⁴m³、气液比为1：1、焖井时间3d、焖井后最佳产液量900m³/d。     

雾化气体淬火过程流场及温度场的数值分析

为了了解淬火过程中淬火设备内流场的分布情况和淬火工件的温度变化情况,用计算机流体力学(CFD)的方法对工件雾化气体淬火过程进行数值分析。在fluent平台上建立雾化气体的二维非稳态模型,模拟了雾化气体淬火设备内流场和工件温度场的分布,以及淬火过程流体类型和流体速度对试件冷却速度的影响,并研究了工件在淬火区内的放置位置对工件冷却曲线的影响。模拟结果与实验结果进行对比分析表明:相同的条件下,工件在淬火区的放置位置不同,淬火效果也不相同。模拟结果为雾化气体淬火工艺的优化提供了有益基础。     

复合射孔上部压井液运动机理试验

建立了复合射孔相似模拟试验装置,利用该试验装置观测了不同高能气体压力及压井液高度作用下的压井液运动状态,并对实测压力曲线及压井液的受力状态进行了分析.结果表明:井底的高压气体与上部压井液之间的作用是一个复杂的气液作用过程,是多种因素共同作用的结果;在高压气体与上部液体作用过程中,底部作用层位压力剧烈变化,压井液高度越高,底部高压气体的压力越大,高压持续时间越长;压井液的受力是逐层传播的,受液体压缩和摩擦阻力的影响,压力在传播过程中不断衰减;采用在压井液上液面封挡的方法,能够提升复合射孔过程中的作用压力,增加高能气体能量的利用率,但也会造成瞬时的冲击高压.     

侧钻小井眼固井顶替效率数值模拟

保证小井眼固井质量的关键是如何用固井液把环空中的钻井液及井壁泥饼顶替干净。小井眼本身井况的复杂性（如井眼不规则、套管偏心）、顶替液与被顶替液的流体性质以及固井施工参数都是影响小井眼固井顶替效率的主要因素,因此需要开展相关研究,以认识各因素对固井质量的影响规律,并对固井参数进行优化。本文首先基于计算流体力学相关理论与方法,建立了侧钻小井眼固井顶替数值模型,分析了固井顶替过程中顶替液与被顶替液之间的两相界面变化特征,揭示了小井眼固井的顶替机理;其次,基于小井眼固井顶替数值模型,模拟了幂律流体在小井眼固井顶替过程中顶替界面的发展过程,得到了顶替界面长度与顶替效率随顶替时间的变化规律。根据数值模拟结果分析了顶替液与被顶替液流性指数与稠度系数、顶替液与被顶替液之间的密度差、套管偏心度和固井顶替排量对顶替界面长度与顶替效率的影响规律。研究结果指导了长庆苏里格气田首口侧钻水平井固井施工成功。     

基于大孔隙下渗理论的产流模型及其应用

闸述了大孔隙下渗机理和大孔隙流产生的条件,并结合土壤基质下渗以及大孔隙和土壤基质水分交换过程,建立了超渗产流模型．将该模型应用于滦河水系的柳河流域,估算了流域的产流量,推求了流域的径流过程．在模型的率定期和检验期,径流总量相对误差大部分在20％以内,Nash效率系数大部分超过70％,说明该模型可以用于以超渗产流模式为主要产流方式的流域径流模拟．