均质孔隙介质实验中边界效应对渗流的影响及其校正方法研究

发布时间：2017-12-24 07:15

  本文关键词：均质孔隙介质实验中边界效应对渗流的影响及其校正方法研究　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 孔隙介质 渗流 边界效应 数值模拟 校正方程

【摘要】：近20年来,有关介质非均质性的研究逐渐引起人们的重视,并取得长足进步。目前对受边界效应影响下的裂隙介质非均匀渗流的理论研究较多,而对均质孔隙介质边界效应的研究还没有引起足够重视。开展孔隙介质边界效应影响下的非均匀渗流研究,对于实验中溶质运移数据的科学解释和观测孔布设具有重要的理论意义和实际意义。本文依托国家自然科学基金项目,通过系统性的室内实验,研究了不同边壁粗糙条件下均质孔隙介质边界效应对渗流的影响;通过理论分析结合数值模拟及统计分析等手段和方法,建立了边界效应渗流流速定量化校正方程。本文研究成果如下:1.明确了在均质孔隙介质渗流实验中,边界效应对渗流的影响是客观存在的,不同边壁粗糙条件,边界效应对渗流的影响程度不同。本次研究从影响边界效应的边壁粗糙条件出发,设置了三套实验方案。三套方案下,渗流装置边壁分别选用光滑有机玻璃板边壁、粗糙度为0.3mm粗糙边壁、粗糙度为0.7mm粗糙边壁进行研究。结果显示,边壁粗糙程度对均质孔隙介质渗流过程的影响是客观存在的。由于边界效应的存在,不同边壁粗糙程度下均存在靠近边壁区域渗流速度较快、中间主流向上渗流速度较慢的非均匀渗流现象,由此导致了同一断面上靠近两侧边壁区域的示踪剂浓度比中间渗流区域的示踪剂浓度值峰值出现的时间早。在相同介质及水力梯度条件下,边壁条件越粗糙非均匀渗流现象越明显。2.根据实验结果,采用理论分析的方法确定渗流速度的空间非均匀分布特征,进而确定了渗透系数的空间非均质特征。由于渗流实验空间各观测点的流速难以直接测量,本次采用示踪剂浓度场反向分析法确定各空间点流速。利用在线监测装置获得实验过程中各个观测孔处示踪剂Cl-的实时电导值,根据示踪剂浓度值与电导值之间的线性关系,将电导值转换为浓度值,绘制浓度曲线。依据浓度随时间的变化曲线情况,求解实际流速,进而求得达西流速和渗透系数渗流特征值的空间分布,为建立边界效应影响下的渗流流速校正方程奠定了基础。3.通过数值模拟结合统计分析的方法建立了边界效应影响下的渗流流速校正方程。采用Feflow软件建立了符合实验条件的渗流数值模型,通过将数值模拟的示踪剂浓度场与实验观测数据实际浓度场空间演化对比,调整并确定根据实验获得的渗透系数数值的空间非均质分布,进而利用达西定律求解了校正后的渗流速度的空间非均匀分布。在此基础上,利用统计分析方法,建立了边界效应影响下的渗流流速校正方程。4.利用耦合渗流校正方程的对流弥散方程,预测分析了相同水力梯度条件下,浓度场在边界效应影响下的时空演化特征。将渗流校正方程耦合到溶质迁移模型的解析解中,模拟不同时刻示踪剂浓度空间分布,并与实际观测孔浓度分布对比,验证了建立的渗流流速校正方程的正确性。在此基础上,分析了渗流场实际流速值与理论流速差值的空间分布,分析非均匀渗流空间演化特征。5.本文提出的边界效应对渗流影响的定量化校正方法可为同类研究提供借鉴。本文以均质孔隙介质非均匀渗流为研究核心,通过室内实验、理论分析、数值模拟及统计分析多种手段和方法相结合,分析了均质孔隙介质中边界效应对渗流的影响特征,构建了边界效应影响下的渗流流速校正方程。研究的思路和方法可以为室内非均匀渗流实验研究提供借鉴。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV139.1

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本文编号：1327385