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.     

基于改进QSGS-LBM法的各向异性重构土体的渗流模拟

为解决传统四参数随机生长法（QSGS）重构模型与真实土体情况不符的缺陷,提出一种改进QSGS法,在综合考虑各向异性、孔隙率、土体颗粒大小情况下构建各向异性多孔介质模型,采用两点自相关函数法验证模型有效性,并结合格子玻尔兹曼方法(LBM)自编Matlab程序模拟细观渗流过程。发现各向同性模型和土体CT切片的两点相关系数的最大差值是各向异性模型的2.5倍以上,且流体粒子在孔道中线处渗流速度最大0.03,在孔壁处渗流速度接近于0。表明各向异性模型在孔隙结构和空间分布上更接近真实土体情况;流体在渗流后期出现大孔隙优先流现象和指进现象。     

基于CT的黄土孔隙尺度优先流特性

电子计算机断层扫描(computed tomagraphy, CT)技术正被广泛应用于岩土多孔介质中孔隙的定量化表征,然而以往关于黄土孔隙定量化的相关研究存在CT扫描的分辨率不足问题,无法精准识别出黄土中的全部大孔隙。基于高精度的微米CT,以陕西延安Q₂黄土为例,在提取的黄土中真实孔隙结构的基础上,借助概化的孔隙网络模型研究了黄土的孔隙、孔喉和孔喉配位数分布特征,发现三者均呈对数正态分布;通过简化的Navier-Stokes方程及孔隙网络模型定量化地研究了在给定边界压差下管状通道、裂隙形成的优势通道中压力及流速的分布,与不含优势通道的代表性体积单元进行对比,发现裂隙对整体渗流特性的影响为均匀促进型,而管状通道为渗流集中型;在求得渗透系数后与原状黄土及重塑黄土的室内渗透实验结果进行对比验证了计算模型的可靠性。     

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。     

土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟

基于土石混合体中块石的CT扫描图片、颗粒流PFC软件及数字图像处理技术构建了土石混合体的孔隙结构模型,在此基础上引入介观的格子Boltzmann方法从孔隙尺度对土石混合体的渗流场进行了数值模拟,并据此分析了土石混合体的渗流特性。研究结果表明:基于土石混合体的孔隙结构模型和介观的格子Boltzmann方法,通过设置相应的边界条件可以快速有效地模拟土石混合体的细观渗流机制;与均质土体模型相比,土石混合体模型由于较大块石的存在使得其渗流通道明显减少,且通道变窄,弯折度增加,流速减小,渗透率大幅降低;土石混合体模型中水压力分布很不均匀,在块石的上下游会发生显著的压力降;块石含量、块石粒径及块石空间分布等细观结构因素对土石混合体的渗流场与渗透性能有一定的影响。     

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...     

降雨条件下含大孔隙土柱水-气两相流试验

为揭示降雨条件下含大孔隙土中水—气两相流运移机制,基于室内人工降雨试验,通过自行设计试验装置并借助各类试验设备,对不同工况下大孔隙和基质域的含水率、孔隙水压力、孔隙气压力分别进行实时监测.结果表明：大孔隙的存在可明显加快水分入渗速率,使土柱湿润锋呈现漏斗状,大孔隙附近水分入渗速率明显较快(即产生优先流),但是降雨需持续一定时间才会产生优先流;模型箱底部边界开通有利于气体的排出,可降低孔隙气压力,从而更有利于水分的入渗;大孔隙存在情况下,增加降雨强度可加快优先流的产生,使水分更快地沿着大孔隙入渗至土壤深层,并沿着大孔隙壁向周围基质扩散.此外当降雨强度大于水分入渗速度时,会在土体表面形成积水,一定程度上增加孔隙气压力.     

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.     

灌区土体Boltzmann算法细观渗流模型

土体是岩石风化的产物,同时也是灌区输水建筑物的主要组成部分,由于渠道在灌溉过程中两侧存在水头差,渗流常常发生在灌区的输水等建筑物中,渗流破坏也是其最常见的破坏之一。本研究在总结前人研究的基础上,基于Boltzmann算法,提出了灌区土体细观渗流模型。模型证明:外界水头作用下若灌溉渠道土体中存在连通性较好的孔隙通道其渗流破坏较严重,反之孔隙通道连通性不好,则渗流破坏较小。     

基于CT扫描的垃圾结构及渗透特性

为深入理解垃圾体内部流体的运移机制,对不同荷载作用下的3个垃圾试样进行CT扫描。采用VGStudio Max 3.0及MATLAB软件对图像进行分析,研究垃圾孔隙结构特征,并基于垃圾土的饱和渗流模型,对其渗流特性进行探讨。研究结果表明:CT图像可准确识别垃圾结构特征;2D颗粒会影响孔隙通道的形成,进而使流动路径发生曲折,2D颗粒的定向排列是垃圾各向异性的根本原因;随着荷载增大,大孔隙逐渐转变为小孔隙,孔隙累积分布曲线左移,孔隙排列角度也趋于水平化;垃圾颗粒尺寸会影响其渗透系数,尺寸越大,渗透系数也越大;渗透系数随着荷载增大而减小,各向异性则随着荷载的增加而增大;当荷载由0 kPa增大到500 kPa时,竖向渗透系数减小了4个数量级,水平向渗透系数减小了3个数量级。     

天然花岗岩残积土大孔隙水分迁移特征的染色示踪试验

选取福州某地山坡天然花岗岩残积土为研究对象,借助亮蓝染色剂开展大孔隙水分迁移入渗试验,对原生态土体大孔隙分布特征及水分入渗情况进行研究.结果表明:天然土体表层土质松散、孔隙分布均匀,水分以均质流形式下渗为主,但同时部分大孔隙通道分布方向各异,存在高度不均匀性,水分与基质域间存在不同程度水分交互现象;染色面积随入渗深度呈...     

不同压实度花岗岩残积土的渗流模拟

以桂东南地区不同压实度的花岗岩残积土为研究对象,结合显微CT(micro computed tomography,微计算机断层扫描技术)扫描试验与Avizo软件中先进的数字图像处理技术提取孔隙网络模型.然后基于流体力学的传统方法(computational fluid dynamics,CFD),将孔隙结构的数字岩心模型导入Comsol进行微观尺度的渗流模拟,从微观角度研究水在不同压实度花岗岩残积土孔隙中的渗流特性,并与实测渗透率对比,检验数字岩心模型准确性、代表性.研究结果表明:花岗岩残积土渗流过程中,最大速度出现在连通性好的孔隙中心区域,且远超其他部位,沿着孔隙中心向外壁的方向,渗流速度逐渐减小;在连通性差的区域,流速近乎为0.随着压实度的增加,花岗岩残积土的孔隙连通性变差,各个截面上的孔隙结构发生变化,且各截面的平均渗流速度逐渐减小,这表明压实度对花岗岩残积土的渗流特性有重要影响.压实度为90％、100％、110％花岗岩残积土的平均渗透率模拟值分别是实测值0.9、1.35、0.77倍,该数字岩心模型能较准确地代表压实土体内部真实的孔隙渗流特征.     

基坑开挖降水的三维流-固耦合分析

简要介绍了FLAC3D分析流-固耦合问题的模型特性和基本理论。建立基坑开挖模型,将基坑分步开挖降水划分为三个阶段,运用数值模拟软件FLAC3D对基坑模型的开挖降水过程进行三维流-固耦合计算。分析并得到了基坑开挖过程中孔隙水压力的变化规律、稳定流状态下的渗流场速度特征以及降水分析过程中地面沉降量和基坑底部隆起量的变化规律,并分析讨论了孔隙水压力与土体变形的相互作用,这些结论对工程设计和施工具有一定的参考价值。     

碳酸盐岩双孔隙网络模型的构建方法和微观渗流模拟研究

碳酸盐岩油藏作为全球的主力油气储集层,在微观尺度上分布有大量发育的大孔隙和微孔隙,研究不同孔隙对其微观渗流特征的影响具有重要意义．本文基于碳酸盐岩中分别描述大孔隙和微孔隙特征的单一尺度孔隙网络模型,利用整合法构建出能够同时描述大孔隙和微孔隙特征的双孔隙网络模型,最后模拟各网络模型的渗流过程,计算相应的渗流特征参数并同岩心实验室渗透率进行了对比．结果表明,基于整合法构建的双孔隙网络模型可根据区间域随机产生任意大小的网络尺寸,不仅同时包含大孔隙和微孔隙的几何拓扑结构信息,而且可同时描述大孔隙和微孔隙的渗流特征,能够较好描述真实碳酸盐岩油藏中多尺度孔隙特征．双孔隙网络模型的绝对渗透率和实验室岩心结果基本一致,水湿油藏条件下对比各网络模型的相对渗透率曲线发现,双孔隙网络模型的等渗点含水饱和度均大于大孔隙和微孔隙网络,其残余油饱和度明显减少,这是由于大孔隙和微孔隙的整合极大地提高了双孔隙网络的连通性,进而大幅度提高网络的渗流能力,本研究为碳酸盐岩微观渗流研究提供了重要的理论基础．     

膨胀土裂隙三维空间分布特征试验研究

膨胀土裂隙性研究多集中在土体表面裂隙,然而实际工程中裂隙是沿三维空间上扩展,土体内部裂隙较土体表面裂隙要复杂得多,针对这一情况采用高精度工业三维CT技术对南阳膨胀土原状样进行扫描;采用医用CT对膨胀土试样裂隙发育过程进行CT扫描实验,研究膨胀土裂隙的三维空间分布扩展规律;采用Poremaster33高压孔隙结构仪进行压汞实验研究土体内部裂隙发育微观机理。从宏观三种尺度进行研究,结果表明:膨胀土原状样三维空间裂隙发育极为复杂,样品中存在几条交错的主裂隙,并延伸出细小裂隙裂隙将整个土样分割得极为破碎;重塑膨胀土样裂隙总是首先出现在土体表层,土样裂隙发育最剧烈的部位是与土体表面有一定距离处,与现场情况相吻合;初始含水率越高试样收缩越明显,脱湿后整体性越强;初始含水率降低土体内裂隙增多,土体被裂隙分割得愈破碎;原状土试样脱湿前后微观结构变化较剧烈,总孔隙体积急剧减小,但大孔隙所占相对比例急剧增加;重塑土样脱湿前后变化明显,脱湿后不同孔隙孔径分布曲线相对于脱湿前的最大区别在于曲线中的波峰被降低削減,波峰向大孔径方向移动。     

基于核磁共振技术的黄土内部孔径分布对逾渗特性的影响

黄土的逾渗特性作为黄土渗流中比较特别的性质,它涉及到了黄土渗透性突变的特殊问题,其重要性是毋庸置疑的。研究黄土内部的孔径分布对逾渗特性的影响可以为工程中的某些渗流问题提供理论依据与实践价值,然而前人的研究往往忽视了这部分内容。基于此,本文展开了一组原状黄土和两组重塑黄土的试验研究:采用变水头试验分析黄土渗流过程中的逾渗现象,然后利用核磁共振技术对三组试样进行孔隙分布评价,最终分析孔径分布对于黄土逾渗特性的影响。试验结果表明:（1）原状黄土由于原生结构较好,孔隙大小的分布较重塑黄土更为集中,孔径集中在0.011~ 0.11 μm的中孔隙最多;重塑黄土由于丧失了结构性,部分土颗粒会产生黏聚,从而导致土体内的微孔与大孔的比原状黄土多。（2）由于原状黄土孔隙更为集中,内部孔隙更不容易透水,所以更容易达到临界状态从而使得渗透性发生逾渗,原状黄土的临界水头比相同干密度的重塑黄土更高。而重塑黄土则是干密度越大,孔隙率越低,孔隙越小,临界水头越高。试验利用方便快捷的核磁共振技术,首次分析了黄土内部孔径分布对黄土逾渗特性的影响,富有创新性,试验可靠性高,成果可为黄土重大工程的基础建设中的有关渗流问题提供建议。     

岩溶-裂隙介质渗流的三重介质模型

针对某水利枢纽坝区岩体内岩溶、断层、裂隙发育的实际情况,利用折算渗透系数的概念,建立了集达西流和非达西流于一体的岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水渗流模型,并对该枢纽坝区左岸岩溶含水系统进行了数值模拟.计算结果表明三重介质模型较真实地刻画了岩溶地区地下水渗流的特征.     

优先流对土壤水文及滑坡触发的影响

强降雨条件下,岩土中的优先流可通过裂缝、裂隙、生物孔隙等多种大孔隙通道向下快速传播,造成深层土壤孔隙水压力增大和潜在滑动面上抗剪强度的减小。因此,优先流与滑坡触发有密切的关联。结合双重渗透模型与无限边坡稳定分析方法,以四川省都江堰市银洞子沟滑坡风险区的人工降雨滑坡实验为例,根据土壤含水量及孔隙水压力观测数据,模拟强降雨条件下滑坡体内土壤水动力过程,并分析优先流对滑坡触发的影响。结果表明,强降雨条件下的土壤含水量及孔隙水压力快速响应与优先流相关,将双重渗透模型与无限边坡稳定分析方法相耦合,可以量化优先流对边坡稳定性的影响,为滑坡泥石流灾害预警提供更可靠的结果。     

富水巷道流固耦合效应FLAC-3D模拟

为探索富水岩层中开挖拱形巷道的稳定性问题,基于流固耦合分析理论,运用FLAC-3D中的等效连续介质渗流模型及FISH语言实现了巷道开挖后流固耦合效应的模拟,探讨了渗流场及场内流动矢量的分布特征,针对围岩塑性区、应力场及变形规律与非流固耦合进行对比分析.在流固耦合模式下,研究了开挖步长对孔隙水压力和竖向位移的影响规律.结果表明:流固耦合模式下,巷道围岩中形成了一个类似降水漏斗的形状,在巷道拱脚处流动矢量分布密集而且数值较大,随着开挖步长的增大,巷道拱顶孔隙水压力及竖向位移则有所减小.与非流固耦合相比,围岩塑性区范围和剪切带尺寸均有所增大,竖向总应力相对增大了10%.     

基于流固耦合特性的非饱和膨胀土变形仿真计算

在考虑膨胀土的非饱和土特性基础上,基于有效应力原理的单变量理论推导非饱和膨胀士弹塑性本构模型,选用适用的土-水特征曲线方程和非饱和土渗透系数方程,根据流崮耦合力学的理论与方法,将膨胀土吸水膨胀或失水收缩过程视为一个动态耦合作用过程,建立渗流-变形耦合分析模型.该模型考虑流固耦合作用引起的孔隙比和渗透系数变化(包括有效应力的影响),并根据边界孔隙水压(或基质吸力)的变化模拟膨胀土体的吸水和失水过程.通过对膨胀土样室内有荷膨胀试验的渗流、变形过程的仿真模拟验证仿真计算模型的有效性和正确性.研究结果表明:采用该仿真计算模型对膨胀土的变形(膨胀或收缩)进行计算和预测可取得较好结果.