岩土介质渗流与传热特性的宏细观机理研究

岩土介质渗流与传热特性的宏细观机理研究岩土介质中的渗流及传热特性是大型水电工程、核废料处置、地热能开采、油/气能源地下储存及CO2地质封存等重大工程实践普遍涉及的关键问题之一。岩土介质作为典型的非连续、非均质材料,其渗流及传热等宏观特性与材料的细观结构特征密切相关,并与赋存环境和岩土变形存在复杂的耦合作用。本文以非均质的岩土介质为研究对象,从岩土介质的细观结构出发,采用材料细观力学方法和介观数值模拟方法研究岩土体的渗流和传热特性及其细观影响因素,建立了基于细观均匀化方法的岩土介质渗流及热传导模型,发展了裂隙细观流动和传热特性数值模拟的格子Boltzmann方法,阐明了介质细微观结构对渗流及传热特性的影响,揭示了岩土介质渗流和传热特性的宏细观机制。本文主要研究内容如下:(1)从岩土细观结构出发,基于材料细观力学方法和椭球夹杂问题的基本解,推导了土体渗流及传热特性细观均匀化的统一表达式,进而基于非饱和膨润土的细观结构、孔隙分布特征和持水机制,建立了基于均匀化方法的非饱和膨润土有效热传导特性细观力学模型,该模型反映了膨润土颗粒形状、孔隙形状、孔隙双峰分布、孔隙率、饱和度等因素对非饱和膨润土热传导特性的影响。在此基础上,基于掺砂膨润土的细观结构特征,通过将砂粒和孔隙视为两类夹杂体,建立了掺砂膨润土有效热传导特性的细观力学模型,该模型反映了掺砂率、孔隙率、饱和度以及孔隙和砂粒形态对掺砂膨润土导热特性的影响。采用多种膨润土的试验资料对上述两个细观力学模型进行了验证,表明与传统的组分分析模型相比,细观力学模型不仅具有更明确的物理机制和更少的模型参数,且具有更好的预测性能。(2)采用多松弛模型建立了热流动格子Boltzmann数值模拟方法,进而模拟了剪切错动裂隙的渗流过程。计算结果表明,剪切错动裂隙在高雷诺数条件下可产生显著的非线性流动特性,且可采用Forchheimer方程很好地描述裂隙过流量与水力梯度的非线性关系;数值模拟结果揭示了剪切错动裂隙在流速增大过程中涡流形成和演化过程,并采用涡流开度和对流开度定量描述了涡流造成裂隙对流区域减小、过流能力降低的细观机制。采用热格子模型模拟了粗糙裂隙的对流传热过程,表明裂隙的对流传热特性受裂隙水流流速的影响显著,尤其在Re=1～50范围的影响较为明显;与平行板模型相比,由于裂隙的粗糙度增大了裂隙水流与裂隙壁面的接触面积,从而有效地增加了裂隙的对流传热效应;在不同粗糙度条件下,裂隙的宏观对流传热特性相差不大,但局部对流传热特性相差较大,尤其在高流速条件下波动较为明显,且变化趋势和幅度与裂隙形貌的变化特征一致。(3)采用基于小波分析的三维裂隙粗糙度分解方法,将裂隙粗糙度分解为表征大尺度起伏的一阶粗糙度和表征局部凹凸的二阶粗糙度。开展了岩体结构面在不同粗糙度条件下渗流的LBM数值模拟研究,从细微观角度揭示了不同粗糙度水平对结构面非线性渗流的影响。结果表明,一阶粗糙度主要影响裂隙水流的压力分布和主流动方向,而裂隙中的非线性渗流特性则取决于二阶粗糙度,与渗流曲折度的增大、局部水流方向的变化、涡流和回流等复杂流动现象的形成等因素有关。此外,基于粗糙度单元模型进一步