考虑粗糙度影响的三维交叉裂隙溶质运移特性研究

发布时间：2020-06-03 10:39

【摘要】：对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。目前,三维交叉裂隙中的渗流传质特性的研究还较少,为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,然后通过三维重构技术生成具有一定粗糙度的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假设溶质运移满足Fick定律,模拟流体以及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现:粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同几何形态的三维粗糙交叉裂隙下的流体流动及溶质运移状态亦表明:裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。根据结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内尤其是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。得出主要结论如下:(1)粗糙裂隙模型中由于交叉口处几何形貌的非均质性和各个分支过流能力的差异导致了流体的窜流,促进了溶质混合,流体倾向于流向优势通道,而具体窜流位置与交叉口处的几何形貌密切相关。(2)溶质的混合行为与Pe数密切相关,在理论上,随着Pe数的增加出口测得的混合比一般从0.5逐渐降低并倾向于0。而由于窜流的作用,本文中的混合比会随着粗糙度的增加而有着较大的不同,显示了优势渗流通道对物质运移特性的控制性作用。(3)当Pe数小的时候,溶质的运移主要以扩散为主,此时溶质在交叉口处完全混合;随着Pe数逐渐增大,交叉口的混合模式逐渐从完全混合模式向流线路径模式转换;当Pe数大于50时,混合比不再发生变化,可以认为溶质的运移主要以对流为主,这比理论上的临界值小至少一个量级,展示了交叉口复杂几何形貌对溶质混合行为的巨大影响。(4)交叉裂隙的相交角度对溶质运移过程也会产生影响,在本次研究中,选取了30°、45°、60°、90°四个角度的模型,研究发现,在同一粗糙度中,同一Pe数下,30°下的混合比最大,随着角度的增加,混合比减小。
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绍兴文理学院硕士学位论文2图1.1 我国核电发电量[3]Fig.1.1 China's nuclear power generation generating capacity[3]现阶段来说，国际公认的高放射性核废料的有效处理方式是深埋封存，处置库深埋于地下，一般建设在花岗岩、岩盐、凝灰岩等围岩之中[4]。为保证处置库的安全可靠，高放射性核废料的处置库一般采用“多重屏障系统”设计思路，，如图1.2所示，“多重屏障系统”主要包括“工程屏障”和“天然屏障”，“工程屏障”是用人为手段建造如混凝土防护罐等设施；“天然屏障”则是废物罐周围的天然地质体。图1.2 高放废物处置库多重屏障示意图[5]Fig.1.2 Schematic diag

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“多重屏障系统”主要包括“工程屏障”和“天然屏障”，“工程屏障”是用人为手段建造如混凝土防护罐等设施；“天然屏障”则是废物罐周围的天然地质体。图1.2 高放废物处置库多重屏障示意图[5]Fig.1.2 Schematic diagram of multiple barriers for high-level radioactive waste repository[5]
【学位授予单位】：绍兴文理学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X771

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