多孔介質(zhì)的水-氣二相流-固耦合模型研究.pdf

1、目前很多巖土工程中會(huì)涉及到水-氣二相流問(wèn)題,通常水-氣二相流的作用會(huì)引起固體骨架的變形,而骨架的變形又會(huì)影響水-氣二相流的流動(dòng),這是一個(gè)水-氣二相流-固耦合過(guò)程,研究水-氣二相流-固耦合作用,具有重要的實(shí)際工程意義。目前,在水利水電工程、地下工程、環(huán)境工程、油氣資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域均涉及到水-氣二相流-固耦合作用,因此建立一個(gè)水-氣二相流-固耦合模型,對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析有著迫切的現(xiàn)實(shí)需要。水-氣二相流-固耦合涉及到巖土力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、流體

2、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,是一個(gè)多學(xué)科相互交叉的問(wèn)題。流-固耦合根據(jù)耦合方式的不同,一般分為緊耦合、松弛耦合和單程耦合。鑒于緊耦合需要建立全耦合方程,數(shù)值求解存在一定難度以及單程耦合沒(méi)有反映相互耦合作用等問(wèn)題,本文采用松弛耦合法建立水-氣二相流-固耦合模型,需要同時(shí)建立非飽和土的水-氣二相滲流模型、固體骨架變形的力學(xué)模型和兩個(gè)模型的耦合模型。根據(jù)松弛耦合原理,本文探討了利用多相流模擬程序TOUGH2和巖土力學(xué)模擬程序FLAC3D對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行水-

3、氣二相流-固耦合模擬,主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)基于水-氣二相流-固耦合過(guò)程中流變過(guò)程與力學(xué)過(guò)程的相互影響,提出了水相飽和度與密度、孔隙壓力,孔隙率與絕對(duì)滲透率、毛細(xì)壓力等狀態(tài)變量之間的耦合關(guān)系式。(2)以FLAC3D網(wǎng)格模型為基礎(chǔ),利用fish提取生成TOUGH2網(wǎng)格模型的信息,并通過(guò)第三方高級(jí)語(yǔ)言格式化生成 TOUGH2中的ELEME、CONNE等數(shù)據(jù)塊,生成 TOUGH2網(wǎng)格。這樣建立的耦合網(wǎng)格模型是完全兼容的,能

4、夠進(jìn)行無(wú)縫耦合。(3)通過(guò)應(yīng)力修正法使模型能夠同時(shí)考慮滲流場(chǎng)中因孔隙壓力和密度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力變形。提出了遍歷FLAC3D節(jié)點(diǎn)上單元體的間接算法和解決方案,使得在FLAC3Dv4.0以前版本中,孔隙壓力由單元體形心內(nèi)插到節(jié)點(diǎn)的過(guò)程,也能夠無(wú)縫地進(jìn)行,提高了模擬精度。(4)利用C++開(kāi)發(fā)出FLAC-TOUGH接口程序,控制 TOUGH2、FLAC3D在數(shù)值模擬過(guò)程中的有序運(yùn)行并利用耦合關(guān)系式傳遞相關(guān)狀態(tài)變量,以實(shí)現(xiàn)對(duì)水-氣二相流-固耦合模