变形多孔介质温度-渗流-应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。

非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法．固相位移、应变和净应力; 孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度;多相混合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式,导出了单元公式．采用共旋公式进行几何非线性分析．数值结果证明了所提出的单元模拟以应变局部化为特征的渐进破坏的能力．

多孔介质流-固耦合渗流数学模型研究

有效应力是多孔介质力学中一个十分重要的基础概念之一,很多多孔介质力学问题的分析都建立在有效应力的概念之上,因此,如何正确地确定有效应力则是多孔介质有关力学理论成败的关键。 Terzaghi因其在土力学和地基处理工程领域中的卓越工作被称作土力学之父。他的重要贡献之一就是第一个提出了有效应力的计算公式,或者说建立了多孔介质有效应力原理。然而该有效应力原理在实际应用过程中出现了一些偏差,其原因可能在于该原理是在研究土力学时提出的,它可能仅适用于大孔隙、固体颗粒以点接触方式存在的土壤;而对于低孔隙度的土壤或致密岩石,颗粒之间的接触面积通常不能忽略时,仍需要在细观上考虑其结构性因素。 论文第1章在建立多孔介质的有效应力原理时提出,必须考虑其细观结构,并解析推导出了基于多孔介质之上的饱和多孔介质有效应力原理。该原理包含了孔隙度f 这一表征多孔介质结构特性的重要参数;并体现了孔隙流体与固体骨架对总应力的分担作用,分担比例为 f∶(1-f )。 第2章讲述的是该有效应力原理的一些工程应用研究,通过该研究取得如下成果:(1) 建立了上覆岩层压力、孔隙流体压力、基岩应力之间的解析关系式;(2) 推导出饱和土体孔隙度与孔隙水压之间的非线性关系式,该关系式与多孔介质的初始状态及?

电磁场-渗流场耦合作用下离子液体多孔介质流动模型

离子液体是一类可调控、多功能的绿色环保材料,具有良好的电磁场响应,有望应用于调控水驱油路径.在分析离子液体在毛细管中电磁场响应机理的基础上,建立了电磁场-渗流场耦合作用下离子液体多孔介质流动模型.通过理论推导与数值分析发现:电磁场-渗流场耦合作用下毛细管流量大小主要由离子液体电导率与黏度的比值(内因)、电磁场强度与压力梯度(外因)两方面决定;电磁场产生的洛伦兹力对离子液体施加一个电磁驱动压强,形成一个类似压力梯度的电磁驱动等效压力梯度,从而改变离子液体的流量,当电磁场强度为2.0×104 V/m·T时,电磁场在电导率为0.5 S/m的离子液体上可形成10 k Pa/m电磁驱动等效压力梯度.通过调整电磁场方向即可控制离子液体在多孔介质中的流动方向,解决常规注水利用压力差难以控制流动路径的难题,为离子液体智能驱油提供理论依据,且电磁场产生的热效应会影响离子液体的流动能力及潜在驱油效率.

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。

论矿业工程中的流-固耦合渗流问题

简单回顾渗流力学发展历史，指出实际沙流都是在可变形多孔介质中发生的，流体流动与介质变形间存在相互作用。过去常加以忽略，将渗流作为非耦合问题研究，随着科学技术的发展．有越来越多的无法忽略耦合效应的工程问题．本文较系统地介绍了矿业工程中涉及的流-固耦合问题以及流-固耦合渗流的研究方法、宏观方程与测试技术和应用．

基于LBM-IMB-DEM分析岩土多孔介质的渗透淤堵特性

岩土多孔介质中发生的渗透淤堵本质上是渗流与颗粒耦合作用的结果。开发了适用于岩土渗流-颗粒耦合模拟的格子Boltzmann方法-浸入运动边界-离散元法(LBM-IMB-DEM)数值计算平台并对岩土多孔介质的渗透淤堵过程开展了孔隙尺度的模拟,分析了多孔介质骨架颗粒分布、骨架颗粒粒径、孔隙率、骨架颗粒定向性及水压力等因素对其渗透淤堵特性的影响。结果表明:多孔介质中骨架颗粒的空间分布不同,其渗透淤堵特性也有所区别;多孔介质的骨架颗粒粒径或孔隙率越小,淤堵后的滞留颗粒越多,淤堵越严重;骨架颗粒定向性对淤堵特性有一定影响,当骨架颗粒为条形且其长轴与流动方向垂直时淤堵最为严重;随水压力增大,淤堵后滞留颗粒在多孔介质中的分布更趋于分散,淤堵更为严重;岩土多孔介质渗透淤堵的程度与其淤堵前的渗透性密切相关,透水性强的多孔介质相对不易发生淤堵。

基于主动脉流-固双向耦合数值模拟的微循环负载影响研究

目的 研究微循环负载和其他生理结构的耦合关系,以构建合理的血流动力学模型。方法 在双向流-固耦合管道模型的基础上,进一步考虑微循环负载的影响,构建具有弹性管壁的长直管和多孔介质渗流负载的模型。根据负载条件和血管壁弹性的不同计算4个算例,入口条件为瞬态单脉冲速度入口,出口条件为自由出口。结果管道内部压力处处保持在80~120 mm Hg（1 mm Hg=0.133 k Pa）。从静止状态开始,流场通过增加储存血液总量的方式提高舒张压,最终稳定在生理指标。血管壁弹性模量增加时,血压为65～140 mm Hg;而微循环阻力增加时,血压为128～166 mm Hg,微循环负载在循环系统中起到了阻碍流动并重新分配血管内压力的作用。结论 在构建血流动力学模型时,必须考虑微循环负载及其耦合效应,特别对分析高血压等循环系统疾病的致病机制有重要的临床意义。

井眼周围可变形储层流-固耦合数学模型

基于该储层模型假设,运用岩石力学和渗流力学的有关理论和方法,建立了流-固耦合变形的本构方程、几何方程、平衡方程和渗流方程,导出了可变形储层的流-固耦合渗流与变形基本模型。该模型不仅考虑了介质变形对流体质量守恒和孔隙流动压力对介质变形平衡的影响,也考虑了变形对流体流动的影响以及岩石力学性质的动态变化特征。该模型可用于研究井眼周围储层的变形及渗流规律。

基于流-固耦合模型的人工骨力学数值仿真

根据力学平衡条件推出应力场方程,并建立孔隙率和渗透率的动态模型;依据流体力学连续性方程,考虑流-固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性,得到了孔隙流体的连续性方程,即渗流场方程。在此基础上辅以定解条件,建立了人工骨完备的饱和多孔介质流-固全耦合渗流的数学模型,进而分析人工骨在承受各种载荷时,其骨质应力场、变形场以及孔间骨液压力场的分布规律。

非对称热渗流域多孔介质中的关键问题及研究方法

分析了在非对称热渗流域多孔介质中热渗流—力学耦合的几个典型问题 .根据Biot理论给出了在弹塑性多孔介质中热渗流—力学耦合问题的基本方程 ,论述了非对称域问题中热渗流方程的解耦形式 .讨论了热流体在多孔介质内的迁移、热渗透系数空间尺度效应、热渗流模型的物性系数及影响。

基础-饱和土地基耦合系统分析的微分求积单元法

研究了基础-饱和土地基耦合系统的动力学特性.首先根据多孔介质理论,在小变形的假设下,分别建立了耦合系统中不可压流体饱和土地基和弹性基础的运动微分方程以及相应的边界条件,连接条件和初始条件;然后在空间域采用微分求积单元法对基础-饱和土地基的控制方程进行离散,并提供了正确处理耦合系统界面之间连接条件和间断性条件的方法,从而得到时间域内的一组代数-微分方程;接着运用隐式二阶向后差分格式处理了代数-微分方程组;最后利用牛顿迭代法数值求解了该方程组,得到了耦合系统的数值解,考察了所布节点数和参数对数值结果的影响.

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.

油气流–固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流–固耦合渗流研究的重要意义,对多孔介质流–固耦合渗流研究进展加以综述和讨论,提出了进一步深入研究的方向,并着重讨论了近十年来油气流–固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法,为其他渗流工作提供一定的参考。

油藏渗流—应力耦合计算区域分析

在实际油藏开采过程中,储层区域发生地下流体渗流,岩土力学平衡的影响范围大于渗流的计算区域,并影响储层的上覆盖层和下部地层。在流固耦合油藏数值模拟中,地下流体渗流和岩土力学的计算通常采用相同的计算区域,并限定在储层范围内,未考虑完整的应力计算区域,造成计算结果存在偏差。采用改进的有限元-有限体积混合方法,对地下流体的渗流和岩土的力学平衡分别采用不同的计算区域和不同的网格密度进行计算,分析渗流-应力耦合数值计算中计算区域的选取对计算结果的影响。规则储层与背斜圈闭储层算例数值模拟结果表明:应力计算区域的选取影响计算结果,计算结果偏差与非储层区域材料的参数相关,其中拱效应是计算结果出现偏差的主要原因。该结果为流固耦合油藏数值模拟提供指导。

考虑渗流应力耦合的XFEM水压致裂模拟

推导了含裂隙饱和多孔介质的水压致裂全耦合问题的扩展有限元增量迭代求解格式。通过对含中心裂纹无限大平板的裂尖位移场解析解的分析,按Ⅰ型和Ⅱ型变形特征进行提取,构建了一种新型的内聚裂尖加强函数,使传统扩展有限元中受裂尖加强影响的节点由每个节点8个裂尖加强自由度缩减到2个(平面问题),大大减小了计算规模。以含中心斜裂纹的多孔介质平板为例,验证了内聚裂尖加强模式的正确性,并对两种裂尖加强模式的雅克比矩阵条件数进行了计算。结果表明:内聚裂尖加强模式下扩展有限元的计算精度与传统扩展有限元的计算精度同阶,且网格较密时,本文处理方法的计算精度高于传统模式的。最后将改进的内聚裂尖加强模式应用到混凝土重力坝的水压致裂模拟中,取得了良好的计算效果。

人工骨支架多场耦合力学数值仿真

建立多孔骨支架重组的多物理场耦合数值分析模型,研究了多孔骨组织支架在流固耦合情况下,骨架间隙营养液和骨架颗粒随外载变化规律。仿照自然骨解剖结构建立了具有哈福氏(Haversian)和福克曼(Volkmann)管道的人工骨支架模型和用于数值分析的1/16简化模型,根据力学平衡条件推出应力场方程,建立动态孔隙率和渗透率数学模型;考虑骨架变形和营养液具有可压缩特性,根据流体力学连续性方程,推导出孔隙流体的连续性方程-渗流方程。辅以控制方程和定解条件,建立人工骨饱和多孔介质流-固全耦合渗流的数学模型;进而分析多孔人工骨支架应力场、孔隙间骨液压力场及渗流速度场在各种载荷下的分布规律。

桩基-流体饱和土体耦合系统的动态响应分析

该文研究了空间轴对称桩基-流体饱和土体耦合系统的动态响应。首先,基于弹性力学和多孔介质理论给出了耦合系统的控制微分方程、边界条件和桩-土之间界面上的连接条件;其次,发展了微分求积单元法;在此基础上采用所发展的方法和2阶向后差分格式在空间和时间域内离散了控制微分方程;最后,利用Newton-Raphson迭代方法在初始条件下求得了系统的数值解,分析了耦合系统的动态响应,考察了参数的影响,也验证了数值方法的有效性。

多孔储液介质自润滑机理研究进展

多孔储液介质是启发自关节软骨的仿生摩擦材料,因具有良好的自润滑性能,在工业生产中发挥着重要作用。早期多孔储液介质多是针对不同基体材料及骨架结构进行优化设计,或是根据单因素理想边界建立润滑数值模型,对多孔储液介质的润滑机理缺乏系统的理论描述,限制了其大规模的工业应用。根据不同的结构形式和润滑机理,将多孔储液介质分为有限直孔储液介质和随机多孔储液介质,总结了有限直孔储液介质中空化现象、流体运动、惯性效应、气-液耦合对润滑性能的影响,论述了基于渗流力学、流-固耦合作用的随机多孔储液介质自润滑理论的发展,以及多孔储液介质的应用现状。分析和讨论了多孔储液介质自润滑机理研究的难点问题,对推动多孔储液介质润滑机理的研究和工程实践应用具有重要的参考意义。