单裂隙中粗糙元及其疏密度对水流特性影响模拟研究

摘要

基岩裂隙中的地下水水流特性的研究已成为环境和水文地质领域一个非常重要的研究方向。单裂隙是构成裂隙介质的基本单元,裂隙结构面的粗糙程度是影响基岩裂隙水的水力特性的一个重要指标,但是对于裂隙面粗糙程度的有效描述却一直是研究裂隙介质中水流运动的难点。本文以Fluent6.2.2模拟软件为工具,模拟在不同形状粗糙元及其不同疏密度条件下单裂隙介质中的水流流动,并分析相关参数之间的关系,取得主要研究成果和结果如下:　　(1)通过分析不同裂隙中速度分布云图可以看出:粗糙元形状对裂隙中水流运动影响大小为:矩形>正弦>三角形。粗糙元疏密度分布越密对水流运动的影响越大,紊流的现象也愈发明显;裂隙中水流压力分布也具有类似的规律。　　(2)分别用达西方程,Forchherimer方程和Izbash方程拟合V-J曲线,可以得出,裂隙介质中V-J曲线呈明显的非线性关系。当流速较小时,Forchherimer方程和Izbash方程都能较好的拟合V-J关系;随着流速的增大,Forchherimer方程的拟合效果要优于Izbash方程。Forchheimer方程中二次项系数值随着粗糙元疏密度增加而增大。用Izbash方程拟合时,在三角形和正弦对应的拟合方程中, v的系数m随着粗糙元分布密度增加先增大后减小;矩形拟合方程中,m值随着分布密度增加而增大。　　(3)立方定律计算的单宽流量值与模拟值的差值随着J的增加而增加。实际单宽流量值比立方定律求得的值缩小了一定倍数,且不同疏密度时缩小倍数不同。不同裂隙中求得平均隙宽幂指数n值均大于3,符合超立方定律。水力梯度指数m随着平均隙宽的增大而减小。　　(4)在不同裂隙中,临界速度(Jv=Ji)随着隙宽的增加而增大;随着粗糙元疏密度的增加呈先增大后减小的趋势。　　(5)不同裂隙中均有:离入口端越远,渗透系数K值越大,且增加越迅速。渗透系数K与对应水平距离L相关性随粗糙元分布密度的增加呈先增大后减小的趋势。　　(6)由不同裂隙中雷诺数Re与阻力系数λ的关系曲线图可知:流速较小时,λ值随着Re的增大而急剧减小,当Re大约超过15以后,λ减小趋势逐渐放缓并逐渐接近水平;对应相同的Re值,λ随着粗糙元疏密度增加而减小。　　(7)引入偏差系数C,由C-Re关系曲线可得:不同裂隙中均有C随着Re的增大而增大;对应相同的Re值,C随着粗糙元分布密度的增加而增大。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文研究方法及内容

第二章裂隙水渗流及模拟相关理论基础

2.1 裂隙水渗流基本方程

2.2 裂隙水流非线性模型

2.3 计算流体力学

第三章 单个粗糙裂隙物理模型和数值模型

3.1物理模型

3.2数学模型

3.3 数值模拟求解

第四章 结果分析及讨论

4.1 数值模拟结果

4.2 平均流速与水力梯度分析

4.3 单宽流量和水力梯度

4.4 临界速度的讨论

4.5 粗糙元及疏密度渗透系数的影响

4.6 对流动阻力的讨论

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况