基于分形理论的承压破碎矸石非Darcy渗流特性研究

为探究采空区充填破碎矸石在上覆岩层作用下的非Darcy渗流特性,利用自主研发的破碎岩石渗流试验系统,采用稳态渗透法对4种不同初始级配的承压破碎矸石进行单轴侧限压缩及渗流试验,得到破碎矸石在不同有效应力下的孔隙度、分形维数、渗透率、欧拉数以及非Darcy渗流过程中的能量耗散规律。研究表明:在高渗透压和高孔隙度下,流体的流速较快导致非线性影响因子E值远大于0.1,此时表现出高速非达西渗流特征;孔隙度随有效应力的变化过程可分为2个阶段,当Talbot幂指数n值趋于0.4时,各粒径区间的颗粒质量配比良好,易被压实;随着分形维数的增大,颗粒破碎程度加剧,岩样渗透率呈线性减小趋势;推导出欧拉数与流速之间是呈反比关系,流速增大流体的动量传递逐渐减小。

Non-Darcy Flow in Molding Sands

Darcy’s law is widely used to describe the flow in porous media in which there is a linear relationship between fluid velocity and pressure gradient. However, it has been found that for high numbers of Reynolds this law ceases to be valid. In this work, the Ergun equation is employed to consider the non-linearity of air velocity with the pressure gradient in casting sands. The contribution of non-linearity to the total flow in terms of a variable defined as a non-Darcy flow fraction is numerically quantified. In addition, the influence of the shape factor of the sand grains on the non-linear flow fraction is analyzed. It is found that for values of the Reynolds number less or equal than 1, the contribution of non-linearity for spherical particles is around 1.15%.

承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

地下工程中的破碎岩石在渗流过程中其结构发生两方面变化,一方面由于水压的作用引起孔隙结构发生变化,另一方面固体材料之间的接触应力造成棱角破损。因此,承压破碎岩石的渗流不同于自然堆放状态下的堆石渗流,其渗透特性随着位移或载荷的变化而产生显著变化。基于MTS815.02型岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,利用稳态渗透法及轴向位移控制法测定了粒径分别为5mm―10mm、10mm―15mm、15mm―20mm、20mm―25mm以及混合粒径的破碎砂岩、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,给出了岩样在不同轴向位移水平下的孔压梯度与渗流速度关系曲线,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律,揭示了Darcy流偏离因子可能为负的现象。研究表明:1)随着孔隙率的减少,渗透率呈现整体下降的趋势,而Darcy流偏离因子的绝对值呈现整体上升的趋势;2)破碎岩石的渗透性不仅和外载水平及当前孔隙度有关,还与碎石的粒径、颗粒的排列方式以及初始孔隙结构(如初始孔隙通道)等有关;3)三种破碎岩石渗透率的量级为10-16m2―10-12m2,Darcy流偏离因子的量级为1012kg/m4―1015kg/m4;4)当颗粒的破碎细化现象严重时,Darcy流偏离因子出现负值的可能性较大。

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维固结理论

按Terzaghi饱和黏土一维固结理论得到的固结度理论值有时与实际值之间存在较大的误差,其原因之一是忽略了某些饱和黏土中孔隙水的渗流对Darcy定律的偏离。引入可以同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的非Darcy渗流方程,重新推导饱和黏土一维固结方程,并采用有限体积法对该方程进行数值求解。与Terzaghi饱和黏土一维固结理论解析解的对比,证明该方法的有效性。在此基础上,探讨非Darcy渗流参数对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓了饱和黏土中孔隙水压力的消散速度,故使得地基的固结速度比Terzaghi一维固结理论值要慢。同时,除固结系数外,综合直线渗流起始水力梯度i1、土层厚度H、地面荷载p0等3个参数的指标I1也是表征饱和黏土渗透固结特性的一个重要指标。最后,讨论Terzaghi一维固结理论的适用范围。

石灰岩应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性

利用瞬态渗透法测定了石灰岩在应力–应变全过程的非Darcy流渗透特性,发现一种新的试验现象,即在峰后大应变状态下非Darcy流β因子为负。这一试验现象使得人们可以立足于实验室试验来验证、预测和分析岩石渗流失稳现象和规律。建立了一种瞬态法测定岩石渗透特性的试验系统的动力学模型,介绍了由孔隙压力差单一时间序列提取非Darcy流渗透特性参数(渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数)的方法,并对石灰岩标准试样进行了应力–应变全过程的渗透试验。研究表明,无论在峰前还是峰后,石灰岩的渗流都不服从Darcy定律;当非Darcy流β因子为正时,非Darcy流的渗透率小于Darcy流的渗透率;当Darcy流β因子为负时,由于裂隙的贯通,孔隙压力迅速衰减,石灰岩中渗流可能失稳。提出的非Darcy流渗透特性的测定方法,继承了以往实验室试验的成熟技术,只是在数据处理方面进行了尝试,既不增加试验成本,又不加大试验的技术难度,便于被用户接受。

破碎岩石非Darcy流的渗透特性试验研究

一种破碎岩石渗透特性试验专用装置与MTS试验系统结合,可以获得非Darcy流的渗透特性(渗透率和非Darcy流β因子)。介绍该装置的构造、破碎岩石非Darcy流的渗透特性试验方法和特点,得到破碎岩石压实过程中渗透特性与载荷、颗粒直径的回归关系及在某一特定载荷作用下,渗透特性ρβ与破碎岩石颗粒直径成线性关系的结果。这种试验技术对于采矿、土木、水利和交通工程具有重要的实际意义。

Darcy定律在测定油松木质部导水特征中的应用

该文介绍了一种测定油松幼树不同部位枝条导水性的方法———冲洗法 .在立地条件相同或相近的情况下 ,选择年龄相近的 4株油松幼树 (8～ 10年生 ) ,用冲洗法进行测量 .在此基础上 ,首次成功地将Darcy定律应用于树木木质部的导水特征分析 .结果表明 ,油松幼树在相对分枝级、冠层、分枝方向等不同的情况下 ,比导率表现出不同的变化趋势 .通过对平均比导率 (Ks)差异的进一步分析 ,能够较好地反映出油松木质部的导水特征和其在抗旱中的生态策略 .

峰后砂岩非Darcy流渗透特性的试验研究

研究高应力状态下,尤其是峰后低围压下岩石的渗透性具有十分重要的现实意义。利用获得专利权的岩石渗透试验装置与MTS815.02岩石力学伺服试验系统相配套,用来测试单轴峰后给定应变状态下岩样的非Darcy流渗透特性。在阐述岩石Darcy流渗透性的测试原理及误差的基础上,介绍了峰后岩石非Darcy流渗透特性的测试原理、试验系统与测试方案,并给出峰后中砂岩非Darcy渗透特性的试验结果。试验数据表明,单轴峰后应力状态下中砂岩的渗透率k与峰前比较有量级增加,峰后k值随轴向应变e 增长呈二次抛物线关系。

考虑低速非Darcy渗流的饱和黏性土一维固结分析

介绍并分析了非Darcy渗流模型,修正了Terzaghi一维固结模型并进行了数值计算,分析了固结过程以及超静孔压消散的规律,认为超静孔压的缓慢消散是导致次固结现象的原因之一。讨论了起始水力梯度、临界水力梯度、瞬时荷载以及土层厚度对固结过程的影响,提出了确定非Darcy渗流适用范围的公式。

考虑非Darcy渗流时循环荷载下饱和黏土一维固结分析

考虑到土体处于超固结状态下的压缩性一般要比正常固结状态下的低,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并将其推广到低频循环荷载作用的情况。采用有限体积法对该方程进行了求解,并讨论了非Darcy渗流参数、循环荷载周期以及超固结状态下土体压缩性对固结进程的影响。计算结果表明,在矩形波载作用下,按孔压定义和按变形定义的固结度都随时间增长而震荡增加,且按孔压定义的固结度的震荡幅度明显大于按变形定义的固结度。另外,非Darcy渗流减缓了地基的沉降速率,且循环荷载周期越短,或超固结状态下压缩性越高,地基的沉降速率就越慢。

大变形流固耦合理论中Darcy定律的表述方法

研究流固耦合理论中渗流本构方程在不同参考构形下的大变形表述方法。采用坐标和应变张量变换方法以及客观性假设,分别导出Darcy定律在空间和物质描述两种情况下的合理形式,同时还推导变形耦合情况下大变形法渗透系数的表达式。算例分析和试验结果均表明,不同描述方法渗透系数之间的差异随着变形发展而增大,在大应变情况下忽略参考构形的影响将引起较大误差。考虑变形耦合的大变形法渗透系数受到材料和几何双非线性的影响,其在数学上的单调性质要比小变形情况复杂。

Forchheimer型非Darcy渗流系统的滞后分岔

在对Forchheimer型非Darcy渗流系统的控制方程进行简化的基础上,分析了系统平衡态的存在性、稳定性及其跳跃,详细讨论了系统的滞后分岔.研究表明:当非Darcy流β因子由负变为正时,平衡态的一支可能失去稳定性,或者跳到另一支,系统发生滞后分岔;当系统的空参量和边界压力发生变化时,稳定的平衡态和不稳定的平衡态合为一个鞍结点,系统发生切分岔.

泥岩非Darcy流渗透特性指标正负号探讨

Forchheimer关系是非Darcy渗流研究中经常使用的一种经验关系,一般认为非Darcy流β因子和加速度系数这两个渗透特性指标(参量)总是正值.在泥岩和砂质泥岩试样全应力-应变过程的渗透试验中出现其中一个参量为负或者两者均为负值的情况,这究竟是有价值的试验现象,还是测试方法不够合理?指出一些文献在引用Forchheimer关系时出现的非Darcy流β因子前正负号的错误,给出了非Darcy流β因子和加速度系数出现负值的泥岩和砂质泥岩试样全应力-应变过程中渗透特性试验结果,并对其原因进行了粗浅的分析.

Stokes-Darcy流耦合的单井循环换热地能采集井热物性研究

建立单井循环换热地能采集井的Stokes-Darcy流耦合数学模型,利用该数学模型分析实际工程的温度场分布及热物性对换热效果的影响。结果表明:Stokes-Darcy流耦合模型是准确分析单井循环换热地能采集系统的一种有效方法,该方法与传统方法相比具有较高的精度,可为科学利用地热资源提供重要依据。

碎(块)石路堤孔隙空气对流运动的Darcy定律适用性

针对青藏高原多年冻土区路基工程中采用的碎石路堤地温调控技术,分析了碎石层孔隙空气对流运动符合Darcy定律的适用范围及其可能偏离Darcy定律的非线性效应,并给出了考虑非线性效应的Darcy定律修正方程.同时,讨论了适合于路堤碎石层的空气渗透系数及其表征空气流动非线性效应的Ergun常数的估算公式.

孔隙介质非Darcy流基本方程——Forchheimer等公式具通用性吗?

地下水非Darcy流方程与Darcy流方程同是地下水动力学的两个基本方程，其它所有具体地下水流问题方程无不以这两个方程为基础而引出，其重要性不言而喻。由于非Darcy流的复杂性，其研究程度远远不及Darcy流。当前使用的经典的非Darcy流基本方程有两类：

非Darcy渗流时饱和粘土的一维固结特性

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,修正了Terzaghi饱和粘土一维固结理论,并对初始孔压沿深度线性分布的情况用有限体积法进行了求解.计算结果表明,考虑渗流起始水力梯度时,地基的固结速度要慢于Terzaghi固结理论值,而且除固结系数外,渗流起始水力梯度、土层厚度以及初始孔压的大小和分布也都对地基的固结有显著影响.另外还证实,当主固结完成时,地基中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散,因此地基的最终固结度总小于1.

原位“Darcy实验”方法研究与实践

在室内Darcy实验原理和装置的基础上,设计了一套原位"Darcy实验"装置,原位试验条件满足Darcy定律的假定条件,能够应用Darcy定律确定包气带浅表层土的渗透系数。与室内"Darcy实验"相比,原位"Darcy实验"的测试结果更能准确地反映结构性土野外状态下的渗透性能。与其它原位试验相比,该方法在获取渗透系数方面具有试验装置简单、操作方便、观测数据直观的优点。应用该方法在中国西北部半干旱的黄土台塬开展了3组测试,成功地求取了区内包气带浅表层饱和黄土的垂向渗透系数,并将测试结果与双环试验、室内渗透试验、抽水试验及颗粒分析方法求得的渗透系数结果进行对比分析,发现应用原位"Darcy实验"求取的渗透系数更能准确地反映包气带浅表层土的渗透性能。同时,总结和探讨了一套原位"Darcy实验"的技术方法。

某突出矿煤岩非Darcy流渗流稳定性实验研究

为了获得煤岩非Darcy流渗透特性,利用MTS-02型岩石力学试验系统采用全程位移控制对煤与瓦斯突出矿煤样进行了全应力应变过程数控瞬态渗透法试验。计算出煤样破坏过程中不同应变下非Darcy流渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数及渗流稳定性指数,并给出发生渗流失稳所需的压力梯度。研究表明:该突出矿煤样的渗流稳定性指数χ的负值较多出现在峰值应力后并且其发生渗流失稳所需的压力梯度较大。

基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象。因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义。首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟。模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变。与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况。同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同。渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小。