自膨胀浆液在交叉裂隙中流动扩散仿真方法研究

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注浆是裂隙岩体防渗加固的重要手段,在地下工程领域有着广泛应用。掌握浆液在岩体裂隙中的扩散规律,是实施精细化注浆的前提。数值模拟作为研究浆液扩散机理的重要手段之一,具有适用性强、可动态展现浆液扩散过程等特点,得到了广泛应用。近年来,基于计算流体动力学理论,把浆液扩散过程视为多相流,考虑浆气或浆水驱替作用的精细化仿真研究日益受到人们重视,并取得了较丰富的成果,但多集中于单裂隙注浆模拟,针对浆液在裂隙网络中流动扩散过程的仿真研究相对匮乏。基于这一背景,本文开展了自膨胀浆液在交叉裂隙中流动扩散仿真方法研究,所开展的主要工作如下:(1)分析了平板裂隙注浆准三维仿真模型的基本原理,该模型基于HeleShaw基本假设,推导了扩散传导数在裂隙壁面处的计算表达式,并将其应用于动量方程离散,把平板裂隙注浆三维问题转化为考虑裂隙开度影响的二维问题,显著降低了裂隙注浆流场建模和求解的复杂度。(2)构建了交叉裂隙网格系统,根据高聚物浆液流经交叉界面时速度及压力的变化规律,引入u速度、v速度及压力交叉边界条件;依据交叉界面附近控制体积上各物理量的分布规律,建立了不同的插值方法,分别推导出了交叉界面上u速度、v速度及压力的表达式;根据交叉边界条件下三个单裂隙面的速度及压力耦合关系,分别推导了交叉边界处的动量离散方程和压力修正方程。(3)基于上述交叉边界处的动量离散方程和压力修正方程,利用平板裂隙注浆准三维模型对裂隙面进行离散,用SIMPLE算法控制迭代过程,用Youngs方法追踪浆液运动界面,实现了自膨胀浆液在交叉裂隙中流动扩散过程的数值求解,研发了相应的仿真程序。(4)利用研发的仿真程序模拟计算了典型工况条件下高聚物在交叉裂隙中膨胀扩散的过程,模拟结果动态展示了在不同浆液初始填充状态、不同裂隙边界情况下浆液压力场、速度场及扩散形态随时间的变化规律,分析了各个裂隙面在交叉边界附近压力分布特征以及浆液经过交叉边界后流动方向及扩散速率的变化规律。本文以平面裂隙注浆准三维仿真模型为基础,建立了自膨胀浆液在交叉裂隙中流动扩散仿真方法,为深入研究高聚物浆液在裂隙岩体中的扩散机理奠定了基础。
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