盐岩静—动溶溶蚀特性与水溶建腔流体输运机理研究

发布时间：2017-03-18 21:00

  本文关键词：盐岩静—动溶溶蚀特性与水溶建腔流体输运机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于国家能源安全和战略储备的需求,以及越来越大的核废料储存需要,近年来针对盐岩的基础研究已经成为国内岩土工程学科的研究热点之一。本文基于国家973计划项目“油气储库群建腔期灾变诱发机理”等科研课题,在已有研究成果的基础上,采用理论推导、室内试验和数值模拟相结合的方法,对盐岩溶蚀特性(包括不同影响因素下的静水溶解模型;不同流量下的动水溶蚀模型;考虑重力作用下的动水溶蚀模型)及盐岩水溶建腔流体输运数值计算方法以及数值计算方面进行了较为系统和深入的研究。论文主要研究工作和成果如下:①通过计算盐溶边界层浓度的分布,建立了盐岩静水溶解模型的常微分方程;在此基础上,推导建立了不同溶解面积、溶液浓度、溶液温度三种条件下的盐岩静水溶解模型,并求解出相应的解析解,用解析解拟合了他人的盐岩溶解试验数据,运用解析解从理论的角度解释和探讨了溶解试验获得的相关成果。②利用自行设计研制的盐岩动水溶蚀试验装置对不同流量下的盐岩动水溶蚀过程进行了试验研究,获得了盐岩在不同流量下、不同溶解时间下的动水溶解试验特性及变化规律;利用自行设计研制的盐岩动水溶解试验装置对重力作用下不同流量下的盐岩动水溶蚀过程进行了试验研究,获得了重力作用下盐岩在不同流量下、不同溶解时间下的动水溶蚀特性及变化规律。③根据盐岩的溶蚀特点,对盐岩动水过程进行了一定地简化和假设;在此基础上,考虑盐岩溶解和渗透的耦合因素,建立了盐岩动水溶蚀模型。运用有限差分法数值求解盐岩动水溶蚀模型的数值解,运用粒子群算法(PSO)对所建立的模型进行了参数反演,计算结果与试验结果比较吻合,表明本文所建立的盐岩动水溶蚀模型可以比较好地描述盐岩动水状态下的溶蚀机制。④根据盐岩的溶蚀特点,对考虑重力作用下的盐岩动水溶蚀机理进行了相应的简化和假设;在前文研究的工作基础上,分析了不同参数对溶解模型的影响,提出了参数D/δ与流速呈线性关系的假设,建立了重力作用下盐岩动水溶蚀模型。运用有限差分法数值求解盐岩动水溶蚀模型的数值解,并对本文所建立的模型进行了参数反演,计算结果与试验结果基本吻合。⑤对盐岩水溶建腔过程中流体输运和溶蚀过程的数学模型和数值计算方法进行了研究。通过指数变换的方法建立了二维对流扩散方程的差分格式,运用交错网格和SIMPLE算法以及三阶迎风型离散格式建立了二维不可压缩Navier-stokes方程的离散格式;运用本文计算格式进行数值试验计算二维对流扩散方程和方腔驱动流问题,计算结果与他人的计算结果进行了比较,结果非常接近,表明了本文数值解法的可靠性。⑥通过建立水溶建腔流体输运数学模型,对水溶建腔流体输运过程进行数值模拟研究,深入探讨和研究数值模拟的影响因素,并结合室内试验结果,对盐岩静水、动水两种情况进行了模拟研究,模拟的结果印证了本文静水模型的解析解和动水试验的结果。
【关键词】：盐岩 静水溶解模型 动水溶蚀试验 溶蚀机理 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-22
• 1.2.1 盐岩的溶解试验研究现状11-15
• 1.2.2 盐岩水溶开采流体输运和溶蚀机理研究现状15-17
• 1.2.3 盐岩水溶开采工艺研究现状17-19
• 1.2.4 盐岩溶腔研究现状19-22
• 1.3 主要研究内容22-23
• 1.4 研究方法和技术路线23-26
• 2 盐岩静水溶蚀机理及溶解模型研究26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 盐岩的溶蚀机理26-29
• 2.2.1 溶液中的扩散作用27
• 2.2.2 溶蚀边界层27-29
• 2.3 盐岩静水溶解模型29-30
• 2.4 不同影响因素下的静水溶解模型30-37
• 2.4.1 溶解面积30-32
• 2.4.2 溶液浓度32-33
• 2.4.3 溶液温度33-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 不同流量条件下盐岩动水溶蚀特性及动水溶蚀模型研究38-60
• 3.1 引言38
• 3.2 不同流量条件下盐岩动水溶蚀特性的试验研究38-45
• 3.2.1 试验目的38
• 3.2.2 试验过程38-41
• 3.2.3 试验结果41-45
• 3.3 不同流量条件下盐岩动水溶蚀模型45-47
• 3.4 不同流量条件下盐岩动水溶蚀模型的数值计算方法及结果分析47-57
• 3.4.1 数值计算方法47-51
• 3.4.2 参数反演51-57
• 3.5 本章小结57-60
• 4 考虑重力作用的盐岩动水溶蚀特性及溶蚀模型研究60-78
• 4.1 引言60
• 4.2 重力作用下盐岩动水溶蚀特性的试验研究60-66
• 4.2.1 试验目的60
• 4.2.2 试验方法60-62
• 4.2.3 试验结果62-66
• 4.3 试验结果分析66-70
• 4.4 重力作用下盐岩的动水溶蚀模型70-77
• 4.4.1 讨论70-71
• 4.4.2 模型的建立71-72
• 4.4.3 模型的数值计算方法72-74
• 4.4.4 参数反演74-77
• 4.5 本章小结77-78
• 5 盐岩水溶建腔流体输运的数值解法78-114
• 5.1 引言78
• 5.2 盐岩流体输运的数学模型78-79
• 5.2.1 流体运输方程78-79
• 5.2.2 溶蚀过程边界形态方程79
• 5.2.3 辅助方程79
• 5.2.4 方程定解条件79
• 5.3 盐岩流体输运模型的计算方法79-108
• 5.3.1 二维对流扩散方程的差分格式79-86
• 5.3.2 不可压缩Navier-Stokes方程的差分格式86-108
• 5.4 数值试验108-112
• 5.4.1 二维对流扩散方程的数值试验108-110
• 5.4.2 不可压缩Navier-Stokes方程的数值试验110-112
• 5.5 本章小结112-114
• 6 盐岩水溶建腔流体输运的数值模拟114-134
• 6.1 引言114
• 6.2 盐岩水溶建腔流体输运的求解步骤114-116
• 6.2.1 数值模型的建立114-116
• 6.2.2 进出水.边界条件的确定116
• 6.3 盐岩水溶建腔流体输运数值模拟的影响因素116-130
• 6.3.1 溶液密度116-117
• 6.3.2 时间步长117-123
• 6.3.3 网格尺寸123-127
• 6.3.4 扩散系数127-130
• 6.4 盐岩静-动溶流体输运的数值模拟130-133
• 6.4.1 静溶的数值计算结果130-131
• 6.4.2 动溶的数值计算结果131-133
• 6.5 本章小结133-134
• 7 结论与展望134-138
• 7.1 主要结论134-136
• 7.2 主要创新点136
• 7.3 对后续研究工作的展望136-138
• 致谢138-140
• 参考文献140-150
• 附录150-155
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录150-151
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目151
• C. 作者在攻读博士学位期间获奖情况151
• D. 第三章数值计算源程序151-155

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