粗糙单裂隙摩擦阻力与水流特性试验及模拟研究.pdf

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1、粗糙单裂隙摩擦阻力与水流特征试验及模拟研究ExperimentalandSimulationStudyofFrictionandCharacteristicsofFlowinaSingleRoughFracture2011年4月合肥工业大学lY吣㈣1Ⅲ8洲,8肌6咖3帆咖5Ⅶ1帆本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：(工作单位、职称)主席：刍·1中衫恕国科学技术大学教授委员：删备肥工业大学副教授．≥多参夸合肥工业大学教授合肥工业大学教授∥龟z圹，合肥工业大学副教授导师：序粮意合肥工

2、业大学教授独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：莉瓢垮签字日期：如11年u月知El学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅

3、或借阅。本人授权金日垦王些太堂—可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签名：刮、不1鸯导师签名：签字日期：菇11年埠月弓。日签字日期：2引年年月专田学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编：粗糙单裂隙摩擦阻力与水流特征试验及模拟研究摘要裂隙介质的渗流问题多应用由达西定律延展出的局部立方和定律来描述，但裂隙面的粗糙和局部接触及其他原因导致非达西流出现即水力梯度与渗透流量之间呈非线性关系。国内外关于粗糙

4、单裂隙中非达西渗流机理研究尚不完善。本文设计制作了粗糙单裂隙物理模型，在不同粗糙度构件的单裂隙中进行渗流试验，并基于纳维斯托克斯方程采用有限体积法对裂隙中的水流场进行数值模拟，探讨了粗糙单裂隙中非达西流产生的条件以及非达西流的特征，取得主要研究结果如下：1．粗糙单裂隙水流渗流呈非达西关系，可用Forchheimer和Izbash方程对渗流平均流速与水力梯度的关系进行描述，其中Forchheimer拟合效果较优；研究了裂隙面绝对粗糙度对Forchheimer拟合方程二次项系数(惯性项作用)的影响，发现二次项系数指数随着粗糙度的增加而变

5、大。2．单宽流量与平均隙宽之间存在着两种幂指数关系：非吻合粗糙裂隙中，单宽流量与平均隙宽之间存在超立方定律关系，指数大小受粗糙度形状影响，趋势为三角形>矩形>梯形；吻合光滑裂隙中，单宽流量与平均隙宽之间存在次立方定律关系。3．在非吻合粗糙裂隙中，水力梯度指数随着隙宽的增大而增大；在吻合光滑裂隙中，水力梯度指数随着隙宽的增大而减小。4．各种粗糙裂隙的阻力系数随着雷诺数大小变化：随着雷诺数的增大，阻力系数呈先逐渐减小后保持不变的趋势。采用雷诺数和阻力系数曲线图判断线性区、非线性区，得出光滑裂隙面临界雷诺数大约在50．100之间，粗糙裂隙

6、面临界雷诺数约在10．50之间。5．速度和压力大小随绝对粗糙度的增加而变大，在粗糙突起处变化剧烈；同一绝对粗糙度下，由于粗糙形状的影响使得水流速度大小变化幅度和周期不一样，其中梯形结构对水流速度影响最大；同一粗糙度下，由于粗糙形状的影响使得压力大小变化显著，其变化趋势为三角形>矩形>梯形。6．试验和数值模拟对比结果表明：裂隙段进出口压差和阻力系数的数值很接近，偏差约为10％、15％，其在可接受范围之内。关键词：粗糙单裂隙；粗糙度；摩擦阻力；数值模拟；FluentExperimentalandSimulationStudyofFric

7、tionandCharacteristicofFlowinaSingleRoughFractureAbstractFluidflowinfracturemediawascommonlydescribedbytheLocalCubicLaw(LCL)whichwasderivedfromlinearDarcyLaw．However,non·Darcyflowoccurredfortheroughfracturesurface，contactfractureorotherreasonandtherelationshipbetweenhy

8、draulicgradientandaveragefluxbecomenon-linear．Thestudyofnon．Darcyflowinasingleroughfracturewasstillabigissue．Wellcont