CN112861451B - 突涌水优势通道扩展过程的渗流演化cfd计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，包括以下步骤：对突涌水通道设定的计算区域进行流场网格划分；将预先得到的渗透率演化模型带入孔隙渗流区域的原始控制模型中，将预先得到的流体粘度演化模型带入管道流区域的原始控制模型中，得到孔隙渗流区域和管道流区域的新的控制模型；根据得到的孔隙渗流区域和管道流区域的新的控制模型，对突涌水通道的扩张过程进行模拟,得到孔隙渗流区域、管道渗流区域及其交界区域的流场信息。本发明的方法能够考虑流体粘度和渗透率的变化，模拟结果更加精确。

Description

突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程数值仿真技术领域，具体涉及突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

对于高山峡谷区强渗透性的地质构造，如断层破碎带、强风化槽、岩溶管道等，其内部充填介质本身透水性较强，具有孔隙率高、孔隙尺度大的特点，导致其不仅是主要的储水介质，也是地下水的主要流动通道。一旦隧道开挖到临近地段，地质构造内的充填介质将会在地下水渗流作用下被不断潜蚀，充填构造就会演变为突涌水的优势通道，发生渗透破坏突涌水灾害。

地下水的渗流主要可以分为两个部分：一是孔隙渗流，二是裂隙管道渗流。孔隙渗流的渗透性远远小于后者，但由于孔隙往往占据介质中的主要部位，因此主要起到储水、释水的作用，其水流遵循达西定律；裂隙管道渗流，虽然占比不高，但其透水性却比孔隙渗流要大得多，因此其主要起导水作用，其水流则已成紊流流态。

目前常用的地下水渗流数值模拟方法可分为连续介质力学方法和非连续介质力学方法两大类。连续介质力学方法将渗流场简化为计算网格，通过在网格上近似求解流体力学控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，比如直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和计算流体动力学(CFD)等。虽然DNS在模拟湍流时具有最好的效果，LES在模拟大尺度的不规则流场时具有更高的精度，但两者的计算成本较高，在地下水流动模拟中均不如CFD简便且实用。而非连续介质力学方法将流体离散为有限数量的物质单元，通过特定的数学关系跟踪运动的粒子并精确获取相应的力学信息，比如光滑粒子流体动力学(SPH)、格子Boltzmann方法(LBM)和分子动力学(MD)等；其中SPH在地下水流态转换过程模拟中取得到了较为理想的效果，但因其计算效率和模拟精度的局限性，在地下水模拟工程应用中依然不具有优势。

计算流体动力学(CFD)因其较好的适应性和稳定的求解效率，广泛应用于流体力学的各个领域，并建立了孔隙流、裂隙流和管道流等多种计算模型。其中，孔隙流和裂隙流多采用达西形式的Navier-Stokes(N-S)控制方程来描述流场压力与流体速度的表征关系，而管道流中的流体控制方程多为欧拉形式的N-S方程，通过控制参量可描述管道中不同流态的变化情况。

然而，对于突涌水通道的形成模拟，应考虑三个方面：一是优势通道内属管道型快速流，且在突涌水通道的形成过程中，随着地质构造中的粘性介质或是细小颗粒不断流入水流内，管道内流体粘度增大，地下水流转变为泥水混合流；二是对于其它区域的孔隙渗流，当粘性介质或细小颗粒流失后，充填体内部孔隙率增大，使得整个充填体的渗透性增大；三是两者的边界随着通道的扩展而动态变化。然而，发明人发现，目前针对突涌水通道形成过程中变粘度、变渗透性的特点，国内外相关计算流体动力学(CFD)的研究较少。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种突涌水优势通道扩展过程的流场信息获取方法，实现了突涌水过程中的变粘度-变渗透性的演化模拟。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，包括以下步骤：

对突涌水通道设定的计算区域进行流场网格划分；

将预先得到的渗透率演化模型带入孔隙渗流区域的原始控制模型中，将预先得到的流体粘度演化模型带入管道流区域的原始控制模型中，得到孔隙渗流区域和管道流区域的新的流体运动控制模型。

根据得到的孔隙渗流区域和管道流区域的新的控制模型，对突涌水通道的扩张过程进行模拟,得到孔隙渗流区域、管道渗流区域及其交界区域的流场信息。

进一步的，判断孔隙渗流区与和管道流区域是否满足压力连续条件，若不满足压力连续条件对渗透率演化模型和流体粘度演化模型进行修正，直至满足压力连续条件。

进一步的，所述压力连续条件为孔隙渗流区域和管道流动区域在边界处压力相等。

进一步的，采用自适应网格技术对设定计算区域进行流场网格划分。

进一步的，所述孔隙渗流区域和管道流区域的网格密度小于孔隙渗流和管道流交界处的网格密度。

进一步的，孔隙渗流区域和管道流区域的原始控制模型为N-S控制模型。

进一步的，对突涌水通道的扩张后形成的新优势通道边界覆盖区域进行网格细化剖分，根据原有临近网格节点的流场信息得到细化剖分后新节点的流场信息。

进一步的，采用插值法计算细化剖分后新节点的流场信息。

进一步的，采用CFD流体网格实时更新与重构算法对拓展后新优势通道边界覆盖区域进行网格细化剖分

进一步的，所述渗透率演化模型和流体粘度演化模型根据室内试验得到。

本发明的有益效果：

1.本发明的方法，将渗透率演化模型和流体粘度演化模型带入控制模型中，形成新的控制模型，可实现突涌水通道形成过程中变粘度—变渗透性的模拟，得到的模拟流场计算结果更加精确。

2.本发明的方法，利用新的控制模型进行模拟后，重新对网格进行细化剖分，满足了孔隙渗流和管道流交界处的计算精度要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例1计算方法流程图；

图2是本发明实施例1优势通道未扩展前网格划分示意图；

图3是本发明实施例1优势通道扩展前后对比示意图；

图4是本发明实施例1优势通道扩展后边界覆盖区域网格细化剖分示意图；

图5是本发明实施例1突涌水优势通道扩展过程的工程示意图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前针对突涌水通道形成过程中变粘度、变渗透性的特点，国内外相关计算流体动力学(CFD)的研究较少，且大部分也未考虑到管道流-孔隙流流态过渡区边界的动态变化，本申请提出了突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法。

本申请的一种典型实施方式中，如图1所示，突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，包括以下步骤：

步骤1：对突涌水通道设定的计算区域进行流场网格划分。采用自适应网格技术，对流场进行网格划分，孔隙渗流区域和管道流区域采用较大、稀疏的流体网格；对管道流与孔隙渗流的交界处进行网格局部细分，采用较小、密集的流体网格，以保证边界处流场计算的准确性，即边界处的流体网格密度大于孔隙渗流区域和管道流区域的流体网格密度，如图2所示。

步骤2：

针对管道流区域，需考虑流体粘度随充填介质流失而不断增大的特点，建立粘度μ演化控制模型：

μ＝f(μ₀，P_c)

其中：μ₀是流体的初始粘度，P_c是泥水混合流体中粘性介质的百分含量。

所述粘度演化控制模型由室内试验预先得到。

针对孔隙渗流区域，需考虑充填介质渗透性随充填介质流失不断增大的特点，建立K渗透率演化控制模型：

K＝f(K₀，C_sw)

其中：K₀为孔隙渗流区初始渗透系数，C_sw为孔隙渗流区域流失的充填介质比例。

所述渗透率演化控制模型由室内试验预先得到。

将建立的粘度演化模型和渗透率演化模型带入管道流区域和孔隙渗流区域的原始流体控制模型中，得到新的流体运动控制模型。

运用两相流动水平集方法描述管道流体流动，流体的原始流体控制模型采用N-S控制模型，如下：

1.N-S方程

其中

是拉普拉斯算子；ρ是流体密度；g是重力加速度；p是流体压力；V是t时刻的速度分量；常数μ是动力粘性系数。

2.连续性方程：

对于不可压缩流体(如水等)，ρ为常数，根据质量守恒定律，在时间dt内，流体质量差等于微小六面体内因流体密度变小而减少的质量，整理可得不可压缩流体的连续性方程：

u_x、u_y、u_z为x、y、z方向的速度分量

3.流体的本构方程：

对于隧道突涌水，地下水中往往混杂着冲刷作用带来的充填物质，可视为泥水混合两相流，对于泥水混合两相流体，将其看作具有粘度不断变化的宾汉流体，其本构方程为：

式中，τ₀为屈服值，μ_p为塑性粘度。二者在一定的温度和压力下为常数。

为流体的剪切速率。其表观粘度函数为：

采用上述三个方程能够对流体的运动进行模拟。

步骤3：针对孔隙渗流与管道流的流域边界，孔隙渗流与管道流动之间存在质量交换，满足相应的压力守恒和质量守恒条件，且两者在边界处的压力相等，满足压力连续条件，用于保证两流域之间的计算连续性。即孔隙渗流区域和管道流动区域在边界处流体的压力相等，说明两流域的流场信息是可以连续传递、转化的(即从一个流域到另一个流域是不会出现计算错误)

Q_{边界，管道}＝Q_{边界，孔隙}；P_{边界，管道}＝P_{边界，孔隙}  (8)

Q_{边界、管道}为管道流区域边界的流体质量，Q_{边界、孔隙}为孔隙渗流区域边界的流体质量，P_{边界、管道}为管道流区域边界的流体压力，P_{边界、孔隙}为孔隙渗流区域边界的流体压力。

利用形成的新的流体控制模型对对孔隙渗流区域和管道流区域的流场进行互不影响的计算求解，若计算得到两个区域的边界的流场信息不满足压力连续条件，则重新修正粘度演化控制模型和渗透率演化控制模型，直至满足压力连续条件。

步骤4：利用新的流体运动控制模型对突涌水通道的扩展过程模拟，形成扩张后的新优势通道，采用CFD流体网格实时更新与重构算法，对扩张后的新优势通道边界覆盖区域进行网格细化剖分。

具体的，通过UDF定义，运用动网格算法，采用Remeshing模型对突涌水通道扩张后形成的优势通道边界进覆盖区域行流场网格更新与重新划分。在步骤1原流体网格的基础上，对扩展后的优势通道边界附近进行网格重新细化剖分，如图3所示，满足了孔隙渗流和管道流交界处的计算精度要求。

步骤5：采用插值法，基于原有网格临近节点的压力、流速等流场信息，得到网格重新细化剖分后新节点处的流场信息。

为了得到新节点的流场信息分布，基于原有的临近网格节点(如图4局部放大图中的黑点)的压力、流速、流量与网格间距等流场信息，采用插值方法得到新节点(如图4局部放大图中的白点)流场信息。

具体的，对两相邻的原有的临近网格节点进行局部插值，两节点坐标为

是其上流场信息的数据值，

那么插值公式如下：

其中，

为数据点处数据值的泰勒展开式，

为插值点到数据点的距离，β_k为求导次数，A_j为可求导次数的集合域，

为整数域。

将所得信息赋值到新节点中，即得到网格细化剖分后新节点的流场信息，

将获取到的新网格节点的流场信息带入到CFD求解器中进行迭代计算，完成了突涌水优势通道扩张过程的渗流演化模拟及流场信息的计算。

通过上述实施步骤，实现突涌水优势通道扩展过程中管道流与孔隙流渗流边界变化的动态模拟，如图5所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

对突涌水通道设定的计算区域进行流场网格划分；

将预先得到的渗透率演化模型带入孔隙渗流区域的原始控制模型中，将预先得到的流体粘度演化模型带入管道流区域的原始控制模型中，得到孔隙渗流区域和管道流区域的新的流体运动控制模型；

所述粘度演化模型和渗透率演化模型由室内试验预先得到；

所述孔隙渗流区域和管道流区域的原始控制模型为达西形式N-S控制模型，其中孔隙渗流区域的原始控制模型为达西形式的N-S控制模型，管道流区域的原始控制模型为欧拉形式的N-S控制模型；

根据得到的孔隙渗流区域和管道流区域的新的控制模型，对突涌水通道的扩张过程进行模拟,得到孔隙渗流区域、管道渗流区域及其交界区域的流场信息；

对突涌水通道的扩张后形成的新优势通道边界覆盖区域进行网格细化剖分，根据原有临近网格节点的流场信息得到细化剖分后新节点的流场信息；

采用插值法计算细化剖分后新节点的流场信息；

运用动网格算法，采用Remeshing模型对突涌水通道扩张后形成的新优势通道边界覆盖区域进行网格细化剖分。

2.如权利要求1所述的突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，其特征在于，判断孔隙渗流区与和管道流区域是否满足压力连续条件，若不满足压力连续条件对渗透率演化模型和流体粘度演化模型进行修正，直至满足压力连续条件。

3.如权利要求2所述的突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，其特征在于，所述压力连续条件为孔隙渗流区域和管道流动区域在边界处流体的压力相等。

4.如权利要求1所述的突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，其特征在于，采用自适应网格技术对设定计算区域进行流场网格划分。

5.如权利要求1所述的突涌水优势通道扩展过程的渗流演化CFD计算方法，其特征在于，所述孔隙渗流区域和管道流区域的网格密度小于孔隙渗流和管道流交界处的网格密度。

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