基于Cosserat理论的柱状节理岩体各向异性本构模型研究

针对白鹤滩柱状节理岩体的各向异性力学特性,引入三棱柱和四棱柱概化模型,采用Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,基于一组节理岩体的微观介质体,得到其Cosserat扩展介质本构关系;然后将其用节理法向刚度和切向刚度简化处理,并叠加到空间三维Cosserat介质本构关系中,建立宏观意义上的四棱柱和三棱柱柱状节理本构模型;最后基于FLAC3D,将Cosserat各向异性本构模型用于白鹤滩柱状节理岩层隧道开挖数值模拟中,并对比分析各向同性和各向异性条件下围岩开挖各阶段应力–应变的差异及对工程的影响。相比各向同性本构模型,Cosserat各向异性本构模型3个方向上的应力相差较大,更能反映工程实际,对工程优化设计有着重要的意义。

基于Cosserat理论的柱状节理岩体本构模型

柱状节理岩体复杂的各向异性对相关工程设计及施工提出了挑战,准确掌握其各向异性力学参数对降低工程风险十分重要。基于Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,首先建立了四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体二维本构模型。通过引入应力集中系数,将本构关系扩展至三维空间。针对白鹤滩水电站柱状节理岩体,采用3种模型分别计算了工程常数取值,并分析了3种模型计算结果与工程经验取值差异,比较了3种模型各向异性特征。结果表明,3种模型计算值与经验公式估算结果及现场原位承压板试验结果相近,四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体模型的弹性参数变化曲线分别反映出各模型正交各向异性、准横观各向同性、横观各向同性的各向异性特征。

分段射孔水平注水井注入动态研究

水平井分段注水时,在总注入量确定的情况下,确定每个射孔段的流量分配与压降分布是一个复杂且有现实意义的问题。建立封闭地层的水平井三维稳态渗流模型,用Fourier正弦变换、势的叠加原理、三角函数变换、渐进分析求解其压力和流量分布;通过与直井比较,求得均匀流量水平井稳态当量井径模型。利用多井叠加原理建立分段射孔无限导流水平井流量分配模型,用高斯消元法求取每个射孔段的流量分布,在此基础上分析了分段射孔水平注入井的压降特征。算例应用表明,在其他条件相同的情况下,射孔间距或射孔段长度越大,射孔段附近压降越大,而水平井中部的射孔段附近的压降小于相同条件下端部射孔段的压降;分段射孔水平井的近井地带易于形成近线性驱替系统,特别是选择中间略长,根(趾、端)部稍短的射孔方式,可使这种驱替效果更好。该方法能够直观量化每个射孔段注水量的分配,从而为周围油井注水见效、水驱动用程度等的分析奠定基础。

变截面管换热器的流体力学性能研究

根据流体力学的基本理论,建立了变截面管束的理论计算模型,应用当量直径的概念和叠加原理,推导出变截面管束管外流道中的流速分布和压力降的计算公式,为今后进一步提高变截面管换热器的传热和阻力性能提供理论参考和对比依据.