岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

岩石裂隙压剪变形破坏与非线性渗流特性

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义,定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础,但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本研究制作了含单裂隙的花岗岩试样,采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验,得到裂隙渗透率的演化规律;通过高精度三维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据,基于自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序,表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律;提取裂隙开度分布数据,在COMSOL软件中求解Navier-Stocks方程,实施了不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟。定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系,结果表明：试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合,验证了裂隙变形计算程序的可靠性;法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系,且剪切位移增加的会导致裂隙内的接触面更集中;Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性,B和Jc与剪切位移之间呈幂函数递减关系,且随着剪切位移的增大,Jc和B的增加速率和波动范围逐渐降低;当剪切位移从2 mm增加到8 mm时,Jc的波动范围从6.10×10-3减少到1.20×10-3,降低了80.32%;B的波动范围从2.97×1014 Pa·s2·m-7减少到2.43×1013 Pa·s2·m-7,降低了91.28%;裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度Jc之间均存在相似的幂函数关系,据此建立了计算渗流从线性转换为非线性的临界点的预测公式。     

岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响

法向蠕变是岩石裂隙的重要力学性质之一．通过分析岩石裂隙法向蠕变机理、进行干燥及渗流情况下岩石裂隙法向蠕变试验,探讨了岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响．研究表明,对于粗糙岩石裂隙来说,瞬时有效应力总等于裂隙凸起的压缩强度,因而初始法向蠕变明显,而后随接触面增加,蠕变速率逐渐降低;渗流过程中,岩石裂隙法向蠕变更加明显,且初次加栽应力水平下岩石裂隙法向蠕变远大于后续加载应力水平;岩石裂隙法向蠕变不能决定岩石裂隙渗流能力的降低,水力冲蚀作用明显时,可能产生裂隙渗流能力随裂隙法向压缩而增大的情况;岩石裂隙的蠕变闭合与岩石裂隙面粗糙度有关,粗糙度越大,岩石裂隙蠕变闭合量越大．研究结果对岩石裂隙法向蠕变的数值模拟及工程实践有一定参考价值．     

具有分形表面裂隙的渗流特性研究

采用有限元方法数值模拟了分形裂隙的渗流场问题.利用二元分形插值函数模型插值出裂隙的粗糙曲面,生成多个粗糙裂隙的有限元模型.根据稳态渗流问题的Darcy定律,计算不同分形维数下裂隙剖面的等效导水系数.研究表明,裂隙剖面的分形维数越大,它的粗糙程度越强,裂隙剖面的等效导水系数会随着分形维数的增加而降低.在裂隙剖面的分形维数为常数的条件下,相继对剖面两端施以逐渐增大的压力差,流体通过横断面的平均流速会随着压力差的增加而增加,而裂隙剖面的等效导水系数则会随着压力差的增加而减小.     

低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程

已有的煤层气渗流研究基于达西定律,而实验表明低渗透介质气体渗流为非线性流。采用实验、理论与计算相结合的方法建立低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程。实验结果表明,低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流曲线是从较低压力梯度下的凹形曲线至较高压力梯度下的直线,是连续变化的曲线,直线延长线不通过坐标原点,存在拟启动压力梯度。根据该普遍特征,建立了非线性渗流运动方程。其参数量纲与物理意义清楚,运动方程计算的理论曲线与实验结果吻合很好,达西定律是运动方程的特例,运动方程可运用于低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流理论及开发计算研究。     

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

岩体裂隙非饱和渗流试验系统研制及应用

摘　要: 为了准确测定岩体裂隙非饱和水力参数, 并揭示裂隙非饱和渗流特性及规律, 设计研发了一套裂隙非饱和渗流试验系统。该系统不仅可以实现真正意义上的岩体裂隙非饱和渗流, 而且使用高精密的柱塞泵、 电子天平、 压力传感器和回压控制系统等, 可确保试验的测量和控制精度。通过开展岩体单裂隙非饱和渗流试验, 初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些水力特性: 实际岩体裂隙相对于概化模型裂隙具有更大的束缚水饱和度, 而且由于薄膜水和孔角毛细水的存在, 当饱和度很低时, 非饱和渗透系数也较概化模型裂隙大。建立了毛细压力与非饱和渗透系数之间的试验关系, 通过对试验数据的分析提出了毛细压力-非饱和渗透系数的拟合公式, 根据与前人所建立的经验公式对裂隙吸水和排水过程拟合结果的对比可知, 本文公式的拟合精度高, 对于深入研究裂隙非饱和渗流具有一定的参考价值, 同时, 试验结果表明本文试验系统是准确可靠的, 可用于岩体裂隙非饱和水力参数的测定及非饱和渗流特性的研究。     

雾化雨作用下的裂隙岩体边坡渗流分析

针对裂隙密度较大的岩体,利用等效连续介质理论,建立了裂隙岩体在雾化雨入渗下的饱和－非饱和渗流数学模型。根据雾化雨模型试验,选定雾化雨的强度。结合自然降雨,对裂隙岩体岸坡进行了雾化雨入渗的数值分析。分析结果显示,相对与薄雾区和自然降雨区,暴雨区的孔隙水压力升高较快,易形成对边坡稳定不利的暂态饱和区。因此,暴雨区的坡面防护和坡内排水应给予重视。     

不同雷诺数下空腔流的流动特性（研究生论坛）

利用PIV测量空腔中垂面流场,研究雷诺数对空腔流流动特性的影响。时均结构在不同雷诺数下都具有相似的主流区及回流旋涡区。涡量的最大值位于进口角点处,高值区集中在边界层分离区。紊动强度及雷诺应力的高值区位于主流与出口角点的冲撞处,随着雷诺数的增大,参数高值区沿流向的长度不断变大,而进口角区低值区的范围不断缩小。纵、垂向能谱特征参数在相同雷诺数下的空间分布规律基本一致;调整雷诺数将导致回流区的掺混范围及来流自身的紊动特性发生改变,从而影响空腔流能谱的空间分布规律。     

流体横掠圆柱数值模拟流态转换临界雷诺数的研究

采用层流模型和RNG k-ε紊流模型,对亚临界雷诺数条件(Re=300~300 000)下,流体横掠圆柱体工况进行了数值模拟,得出了此工况下扰流流态转捩的规律。与经典试验数据进行对比验证,结果表明,阻力系数Cd和斯特劳哈数St分别可在来流雷诺数小于22 000和100 000时采用层流模型计算,误差分别小于16.4%和7.3%。     

高Pr数流体在三维内肋管中临界雷诺数研究

采用正交试验设计方法,以未使用过的润滑油为工质,对高Pr数流体在肋叉排列三维内肋管中的流动特性进行了试验研究.结果表明:采用肋叉排列的三维内肋管可使高Pr数流体在较低的雷诺数下实现从层流向湍流的转变,其临界雷诺数Recr范围为100～200.在工程应用中,采用三维内肋管进行高黏度流体换热,容易使流动处于换热系数较高的湍流区获得明显的强化换热效果.用最小二乘法对试验数据进行多元线性回归,得到了肋叉排列的三维内肋管肋形结构对流态转变的临界雷诺数的准则方程式,为后续的分区强化传热提供参考.     

Reynolds number dependence of flow past a shallow open cavity

Measurements were carried out in a shallow open cavity with particle image velocimetry technique. The cavity has a length- to-depth ratio of 4:1, and the upstream inflow conditions include laminar, transient, and turbulent regimes at seven different Reynolds numbers. The measured instantaneous velocities were analyzed through ensemble average, vortex extraction, and proper orthogonal decomposition (POD) to investigate overall flow circulations, Reynolds stress distribution, spanwise vortex population, and the characteristics of the POD modes. The results reveal distinctive Reynolds number dependence of the cavity flow, e.g. an increase in Reynolds number results in constant migration of the overall circulation, enhancement of Reynolds stress, reduction of correlation between vortex and Reynolds stress, and decrease of fractional energy of the characteristic POD modes. Finally, a phenomenological model was proposed to describe various features of cavity flow.     

基于Micro-PIV的毛细管内流场的可视化研究

采用Micro-PIV和FLUENT软件,对水包油乳液在内径为0. 7 mm的圆截面毛细管内的流场结构进行了实验和模拟研究,得到了毛细管内的速度矢量场分布。研究结果显示,实验结果与模拟结果较接近,毛细管内从层流到紊流的转捩发生在Re为2 000左右,与宏观尺度管内流动的临界雷诺数接近,并未发现流动转捩提前的现象。     

Fluid flow and heat transfer characteristics of spiral coiled tube: Effects of Reynolds number and curvature ratio

Numerical analysis was performed to investigate flow and heat transfer characteristics in spiral coiled tube heat exchanger. Radius of curvature of the spiral coiled tube was gradually increased as total rotating angle reached 12π. As the varying radius of curvature became a dominant flow parameter, three-dimensional flow analysis was performed to this flow together with different Reynolds numbers while constant wall heat flux condition was set in thermal field. From the analysis, centrifugal force due to curvature effect is found to have significant role in behavior of pressure drop and heat transfer. The centrifugal force enhances pressure drop and heat transfer to have generally higher values in the spiral coiled tube than those in the straight tube. Even then, friction factor and Nusselt number are found to follow the proportionality with square root of the Dean number. Individual effect of flow parameters of Reynolds number and curvature ratio was investigated and effect of Reynolds number is found to be stronger than that of curvature effect.     

小尺度流道换热器流动特性实验研究

在单相强迫对流情况下,对不同当量直径,流道截面形状分别为矩形或三角形的小尺度流道换热器,以水和乙二醇溶液为介质,进行实验研究,并与常规尺度流道换热器的流动特性进行比较,结果表明：小尺度流道内流动阻力系数低于常规尺度流道,矩形流道换热器阻力特性明显优于三角形流道换热器,流动阻力系数f随当量直径的增大而增大,阻力系数与介质Pr数无关,小尺度流道内流体流动的临界雷诺数Rec在700-1200之间。     

小尺度流道换热器流动特性实验研究

在单相强迫对流情况下,对不同当量直径,流道截面形状分别为矩形或三角形的小尺度流道换热器,以水和乙二醇溶液为介质,进行实验研究,并与常规尺度流道换热器的流动特性进行比较,结果表明:小尺度流道内流动阻力系数低于常规尺度流道,矩形流道换热器阻力特性明显优于三角形流道换热器,流动阻力系数f随当量直径的增大而增大,阻力系数与介质Pr数无关,小尺度流道内流体流动的临界雷诺数Rec在700~1200之间。。     

流体横掠圆柱体传热特性数值模拟的流态模型选择

采用层流模型、标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型,对亚临界雷诺数条件下(Re=300~300 000)的二维圆柱扰流进行了数值模拟与仿真,得到了圆柱壁面平均努塞尔数随雷诺数变化的规律。并得出结论:当Re≤3 900时,采用层流模型较合适;当3 900≤Re≤22 000范围内时,采用标准k-ε紊流模型较合适;当22 000≤Re≤300 000时,采用RNG k-ε紊流模型较合适。