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巖土介質(zhì)滲流與傳熱特性的宏細觀機理研究巖土介質(zhì)中的滲流及傳熱特性是大型水電工程、核廢料處置、地熱能開采、油/氣能源地下儲存及CO2地質(zhì)封存等重大工程實踐普遍涉及的關鍵問題之一。巖土介質(zhì)作為典型的非連續(xù)、非均質(zhì)材料,其滲流及傳熱等宏觀特性與材料的細觀結(jié)構(gòu)特征密切相關,并與賦存環(huán)境和巖土變形存在復雜的耦合作用。本文以非均質(zhì)的巖土介質(zhì)為研究對象,從巖土介質(zhì)的細觀結(jié)構(gòu)出發(fā),采用材料細觀力學方法和介觀數(shù)值模擬方法研究巖土體的滲流和傳熱特性及其細觀影響因素,建立了基于細觀均勻化方法的巖土介質(zhì)滲流及熱傳導模型,發(fā)展了裂隙細觀流動和傳熱特性數(shù)值模擬的格子Boltzmann方法,闡明了介質(zhì)細微觀結(jié)構(gòu)對滲流及傳熱特性的影響,揭示了巖土介質(zhì)滲流和傳熱特性的宏細觀機制。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)從巖土細觀結(jié)構(gòu)出發(fā),基于材料細觀力學方法和橢球夾雜問題的基本解,推導了土體滲流及傳熱特性細觀均勻化的統(tǒng)一表達式,進而基于非飽和膨潤土的細觀結(jié)構(gòu)、孔隙分布特征和持水機制,建立了基于均勻化方法的非飽和膨潤土有效熱傳導特性細觀力學模型,該模型反映了膨潤土顆粒形狀、孔隙形狀、孔隙雙峰分布、孔隙率、飽和度等因素對非飽和膨潤土熱傳導特性的影響。在此基礎上,基于摻砂膨潤土的細觀結(jié)構(gòu)特征,通過將砂粒和孔隙視為兩類夾雜體,建立了摻砂膨潤土有效熱傳導特性的細觀力學模型,該模型反映了摻砂率、孔隙率、飽和度以及孔隙和砂粒形態(tài)對摻砂膨潤土導熱特性的影響。采用多種膨潤土的試驗資料對上述兩個細觀力學模型進行了驗證,表明與傳統(tǒng)的組分分析模型相比,細觀力學模型不僅具有更明確的物理機制和更少的模型參數(shù),且具有更好的預測性能。(2)采用多松弛模型建立了熱流動格子Boltzmann數(shù)值模擬方法,進而模擬了剪切錯動裂隙的滲流過程。計算結(jié)果表明,剪切錯動裂隙在高雷諾數(shù)條件下可產(chǎn)生顯著的非線性流動特性,且可采用Forchheimer方程很好地描述裂隙過流量與水力梯度的非線性關系;數(shù)值模擬結(jié)果揭示了剪切錯動裂隙在流速增大過程中渦流形成和演化過程,并采用渦流開度和對流開度定量描述了渦流造成裂隙對流區(qū)域減小、過流能力降低的細觀機制。采用熱格子模型模擬了粗糙裂隙的對流傳熱過程,表明裂隙的對流傳熱特性受裂隙水流流速的影響顯著,尤其在Re=1~50范圍的影響較為明顯;與平行板模型相比,由于裂隙的粗糙度增大了裂隙水流與裂隙壁面的接觸面積,從而有效地增加了裂隙的對流傳熱效應;在不同粗糙度條件下,裂隙的宏觀對流傳熱特性相差不大,但局部對流傳熱特性相差較大,尤其在高流速條件下波動較為明顯,且變化趨勢和幅度與裂隙形貌的變化特征一致。(3)采用基于小波分析的三維裂隙粗糙度分解方法,將裂隙粗糙度分解為表征大尺度起伏的一階粗糙度和表征局部凹凸的二階粗糙度。開展了巖體結(jié)構(gòu)面在不同粗糙度條件下滲流的LBM數(shù)值模擬研究,從細微觀角度揭示了不同粗糙度水平對結(jié)構(gòu)面非線性滲流的影響。結(jié)果表明,一階粗糙度主要影響裂隙水流的壓力分布和主流動方向,而裂隙中的非線性滲流特性則取決于二階粗糙度,與滲流曲折度的增大、局部水流方向的變化、渦流和回流等復雜流動現(xiàn)象的形成等因素有關。此外,基于粗糙度單元模型進一步
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