关于多孔介质中渗流分析方法比较

在水利水电工程中,渗流计算是经常碰到的一个常规计算项目,应用范围非常广泛。相对于岩体渗流分析,属于多孔介质的土体渗流分析更加常见,针对这方面的研究也较多。本文详细阐述了目前常见的多孔介质渗流分析方法,并比较分析了其适用性和限制条件,同时针对具有自由面的无压渗流有限元处理方法,也进行了比较研究。     

关于波浪在多孔介质内的渗流对结构作用的研究

建造在多孔介质海床上的海工建筑物除了结构本身直接受波浪作用力以外，还有来自波浪在海床内引起的渗流作用力。前者已有相当广泛的研究，并已为工程设计提供了许多实用的计算理论和方法。后者的研究工作虽有了一定的进展，但可供工程实用的方法不多。此外，由于多孔介质结构具有消能效果好，造价较低等优点，被广泛应用于港口消浪，海岸防扩等领域。波浪引起多孔介质内的渗流取决于波浪渗流场的影响等因素。本文将结合几种主要海工     

变形多孔介质流固耦合非线性渗流模型及解析

渗流的流固耦合问题在理论上与实践中都十分重要。考虑可变形多孔介质的渗透系数和孔隙率的变化依赖于压强变化,由渗透系数与渗透率的关系,结合非线性渗流流体质量守恒方程和连续性方程等基本微分方程建立了一维流固耦合非线性渗流问题的数学模型,推导了可变形介质非稳定渗流场微分方程。利用分离变量法推导出孔隙水压随时间和空间的变化关系的解析解,分析了渗流方程中的控制参数对渗流的非线性程度的影响。通过引入物理参数的方法处理渗流随时间的变化,并阐明了非线性渗流机理,最后定性分析了影响流体渗流压强分布的因素。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

颗粒形状对多孔介质孔隙特征和渗流规律影响研究的探讨

讨论了颗粒形状对于多孔介质孔隙系统及其渗流规律的可能影响及其研究意义;综述相关领域的研究成果,探讨了颗粒形状的测量评定方法、颗粒形态和填筑的模拟方法、孔隙系统的可视化研究方法,以及渗流规律的试验对比研究方法;分析指出了颗粒形状对渗流规律影响的研究在促进水处理滤料开发和碎石料作为大坝填料利用方面的应用前景.     

冰塞多孔隙介质透渗流特点模拟分析探究

本研究将某河流为案例对象,依托经典透渗流拉曳理论,借助实验室室内模型实验分析的方式,对冰塞多孔隙介质透渗流特点开展专题实验分析探究,分析冰塞内透渗流相关特性,以为同类冰塞控制工程应用提供相关技术支撑及理论依据.     

一维多孔介质中气体渗流与多相气固反应分析

考虑到气体的压缩性，按渗流力学给出了多孔介质中的非均匀流场，并进一步研究多孔介质内的多相气固反应和传输。与不可压缩气体对流、反应、扩散的比较表明，两种流动的孔隙压力分布差别很小，但渗流速度的差别却较大。由于小的速度差会引起Peclet数的大的差别，最终引起气体浓度的较大差别，因而有必要考虑气体的压缩性。人口处的流速与多孔介质内由于气体膨胀产生的附加速度是有实质差别的两种对流，前者使气体浓度上升，后者使其浓度下降。对流对反应气体和产物气体传输的影响不同，但这仅是表面现象的不同，对流的本质不变。对颗粒堆积的多孔介质，颗粒半径和孔隙率越小，以Mach数作为判别气体压缩性是否可以忽略的指标就越不合理。因此对多孔介质中的气体流动，应该用压降作指标判别是否可以忽略气体的压缩性。     

基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究

堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。     

多孔介质中指进发育机理及描述方法

设计了一套研究多孔介质中非混相指进的实验方法，提出触发混相与非混相流体的系统因素。研究了指进的统计自相似性，混沌特性及分形描述方法，并与ＤＬＡ模型对比解释流体饱和度等宏观概念。提出拟波及系数、临界流体饱和度等新概念；应用重正化群理论推导了均匀孔隙介质中流体饱和度和拟波及系数的关系，可用以建立宏观非混相指进模拟的数值模拟。     

多孔介质上浅水流动的数学模型

采用有限元方法,建立了多孔介质上地下渗流和地表径流的数学模型以及相互耦合的数学模型,编制了有限元分析的计算程序,并分别对渗流模型和径流模型进行了验证。给出了实际降雨强度曲线条件下,坡脚的出流过程和入渗率变化过程的模拟结果,计算结果表明,该模型为分析降雨条件下滑坡的稳定性提供了更为精确的水荷载,具有一定的工程实用价值。     

西夏水库防渗方案渗流场的有限体积法数值模拟研究

采用有限体积法,及VOF自由面捕捉技术对西夏水库土坝垂直防渗墙和水平防渗铺盖两种防渗方案的渗流场进行了数值计算研究。与理论结果对比表明本方法对于渗流量和浸润线都具有很高的计算精度,是可行的。通过对多组深度的防渗墙和多组长度的水平防渗铺盖的计算表明,两种防渗方案渗透比降均能满足设计要求,而渗流量是决定防渗方案的控制因素。     

多孔介质中反复注入颗粒迁移特性试验

通过两种不同渗流速度的室内试验系列,采用在每个系列中分别向土柱中注入13次约392 mL颗粒悬浮液的方法,研究了注入次数和粒径对多孔介质中颗粒迁移特性的影响。结果表明,注入次数、颗粒粒径以及渗流速度对颗粒迁移特性有重要影响:在稳定速度的渗流作用下,注入颗粒的迁移特性曲线呈现类似于"正态分布"的规律,下降段持续时间大于上升段持续时间;渗流速度较小时,随着注入次数增加,颗粒浓度峰值逐渐增大;渗流速度较大时,颗粒浓度峰值几乎不随注入次数变化。中值粒径为3.40μm的颗粒随深度增加,沉积颗粒的质量比逐渐减小;中值粒径为5.10μm的颗粒在0.085 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比要明显大于0.170 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比。渗流速度较小时,颗粒粒径越大所受的重力越大,相应的运动速度也越大;渗流速度较大时,水动力是影响颗粒迁移速度的主要因素。粒径越大的颗粒所受的筛滤作用也越大,相应的沉积量也越多。     

基于Fluent的混凝土面板堆石坝渗流的数值模拟

针对修建在深覆盖层地基上的大坝的渗流控制问题,利用Fluent中的User-Defined Function(UDF)模块进行二次开发,通过C语言编写,加载到Fluent以及多孔介质模型的应用中,采用有限体积法进行基于Fluent的大坝渗流的数值模拟。通过对不透水地基上的均质坝渗流和有压地基渗流的模拟,验证了渗流模拟与试验相比具有相当高的吻合度,其中均质坝渗流模拟中浸润线求解的相对误差最大不超过1.19%;有压地基渗流模拟中流速相对误差在5%之内;渗流量和渗透压力相对误差均在1%上下。相较而言,UDF法模拟结果更加精确,说明UDF法具有更高的理论精度。应用UDF法对某水库混凝土面板堆石坝进行渗流模拟,得出了浸润面与流线图、水头分布等值线图,得到了很好的模拟结果。     

岩体渗流应力耦合作用研究综述

系统阐述了岩体渗流应力耦合作用的研究现状与进展,探讨了渗流应力耦合模型的建立方法及解耦途径,论述了单裂隙面耦合特性的研究方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较。     

立方排列球体层渗流特性数值模拟研究

在多年冻土区块石夹层和块石护坡路基温度场的计算中,可以将块石层看作为多孔介质,但是块石的不规则给其渗透特性的研究带来了很大的麻烦,通过对立方排列球体层渗透特性的研究以期能为块石层的渗透特性研究做出铺垫。基于连续性方程、动量方程以及RNG湍流模型对直径为0.20 m、0.24 m和0.30 m立方排列球体层渗透特性进行模拟研究。对比和分析计算结果发现:球体层内部空气压力梯度与渗流速度之间呈良好的非线性幂函数关系;球体层的阻力系数与球体直径也显现出幂函数关系,球体直径越大,阻力系数越小。     

弹性多孔介质中一维孔隙压力的生成

考虑到弹性多孔介质的渗透系数依赖于孔隙改变的特点，给出渗流耦合问题的基本方程；用初始层校正法求出了一维孔隙压力生成的摄动解；实例计算表明渗流的非线性对孔隙压力分布模式有明显影响。最后介绍了测量孔隙压力生成过程中流出试佯的非稳定流量，确定弹性多孔介质渗透系数的方法，测试时间大大小于传统的稳定渗流方法。     

渗流的颗粒流细观模拟

本文基于颗粒流理论,运用PFC^2D计算程序的FISHTANK函数库和FISH语言,定义了细观角度概念——流体域,并分别定义了流体域的流动方程和压力方程,将颗粒体与流体域耦合,推导出颗粒流理论显式求解的稳定条件,成功地对土中的渗流进行了模拟,得到了渗流过程中压力和流速的变化规律。结果表明,运用PFC^2D程序模拟的渗流规律符合达西定律,这一结果为PFC^2D在渗流和渗透破坏等方面的深入研究应用提供了一定的理论基础。     

复杂介质的土坝渗流计算分析

在早期修建的土石坝水利工程中,由于地质勘查相对落后,不能准确查清坝基地质条件,加上施工过程中取材有差异,导致坝体、坝基局部相邻介质的渗透性相差较大。常规的渗流计算方法得到的渗流计算结果不合理,通过增设渗流过渡区域的手段,降低相邻介质渗透系数偏差,较好地解决了复杂介质的渗流计算问题。     

有限体积法在固体废弃物填埋场渗滤液渗流模型中的应用

基于固体废弃物各种工程性质,提出用土壤水动力学原理来模拟渗滤液的流动规律。建立了以显式格式和有限体积法(FVM)为基础的二维饱和-非饱和渗流模型,并运用于深圳市下坪固体废弃物填埋场内部渗流场的计算。根据计算出的渗流场等值线图,证明模型是合理有效的,有限体积法运用于地下水运动的数值模拟仍然是一种高解析度的数值方法。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。