CN114492222A - 粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法及系统，包括：基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。所述方案能够有效刻画动水注浆全过程中浆液的固化相变过程，实现对注浆过程中浆液扩散和封堵特性的准确描述。
Description
技术领域
本公开属于注浆固化相变过程仿真技术领域，尤其涉及一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
地下工程中常常面临不同程度的地质灾害，其中，突涌水因其“强隐蔽性、强复杂性、强突发性、强破坏性”等特点，成为阻碍工程建设的主要灾害之一。在当前技术背景下，注浆是治理突涌水灾害的有效手段之一。但是，由于地下工程的复杂性和被注介质的隐蔽性，导致注浆施工过程中浆液的扩散和封堵效果无法得到准确的描述。由于数值计算方法的直观性，可以实现注浆过程的可视化，是研究动水注浆浆液扩散和封堵过程的有效手段。
作为一个复杂的物理化学变化过程，动水注浆过程中掺杂着浆液的固化相变过程，期间涉及多个化学反应，从而导致完全依赖理论求解难以、甚至不可能得到期望的解析结果。发明人发现，为了描述浆液的固化相变特征，现有方法主要通过粘度来描述，将浆液刻画为一种粘度随时间增长的粘稠流体，通过粘度的时间演化特征来刻画其的固化相变过程，但是，粘度始终属于描述浆液流体性质的参量，只能描述浆液的流动属性，对于浆液相变后的固体属性无法进行刻画，进而难以描述动水注浆的浆液封堵效果。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法及系统，所述方案能够有效刻画动水注浆全过程中浆液的固化相变过程，实现对注浆过程中浆液扩散和封堵特性的准确描述。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，包括：
基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；
对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
作为进一步的限定，所述基于粘度驱动的相变等效触发模型具体为：
其中，μs表示浆液的当前粘度，μmax表示相变等效触发模型中的触发粘度，即定义的最大粘度；当浆液的实际粘度小于该粘度时，为流态，采用流体力学相关性质表述；当浆液的实际粘度等于该粘度时，为固态，采用固体力学相关性质表述。
作为进一步的限定，所述利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液相变状态，通过将粘度定义为浆液从流体到固体转化的控制变量，对原本复杂的固化相变化学反应进行简化。
作为进一步的限定，所述浆液剪切应力和剪切速率相关关系的确定，具体为：针对待模拟的浆液类型，预先进行浆液固化特性分析试验，获取浆液固化过程中的参数数据，通过数据拟合实现浆液流变模型的构建。
作为进一步的限定，所述基于粘度对浆液固化程度进行描述，其所涉及的流体参数包括浆液流速和粘度。
作为进一步的限定，所述固体力学参数包括固体的泊松比、弹性模量和强度。
作为可选择的实施方式，所述动水注浆模拟采用流体仿真软件和固体仿真软件结合的方式。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，包括：
浆液流变模型确定单元，其用于基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
粘度与固化程度关系确定单元，其用于结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；
固体力学参数时变关系确定单元，其用于对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
注浆模拟单元，其用于动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开所述方案提供了一种粘度驱动的注浆浆液固化相变过程模拟，相对于现有方案，本公开考虑了动水注浆过程中浆液的固化相变过程，充分发挥了数值计算方法的直观性，结合CFD(Computational Fluid Dynamics)软件可以实现注浆全过程的可视化，可以较为准确的描述动水注浆过程中浆液从流体扩散到固体封堵的过程，对于研究动水注浆浆液扩散和封堵效果具有参考意义。
(2)本公开所述方案提供了一种浆液相变等效触发机制，建立了浆液粘度驱动的相变等效触发模型，通过粘度控制，简化动水注浆过程中浆液凝固发生的化学反应过程，是一种全新的简化方法和模拟手段，可以较为准确的表征浆液自身性质的变化规律，对于准确刻画动水注浆的封堵效果有一定的参考价值。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变过程模拟方法示意图；
图2为本公开实施例一中所述的浆液流体性质表征流程图；
图3为本公开实施例一中所述的浆液固化相变简化模型的建立流程图；
图4为本公开实施例一中所述的粘度驱动的相变等效触发模型的触发流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法。
如图1所示，展示了粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法示意图，其中，涂色区域表示浆液扩散形态，数字(“1”至“13”)代表不同的粘度，数字越大(颜色越深)，表示注入浆液的停留时间越长，浆液的粘度越高，可以理解的是，其中数字只表示粘度相对大小，不代表确切的粘度数值。当粘度达到μmax触发相变，浆液从流态转化为固态。此图的作用主要是方便读者理解动水注浆过程中浆液固化相变的模拟效果。具体的，结合图2和图3，一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，包括：
步骤1：基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
其中，所述步骤1具体为针对待模拟的浆液类型，预先进行浆液固化特性分析试验，获取浆液固化过程中的参数数据，通过数据拟合实现浆液流变模型的构建。
步骤2：结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，通过引入浆液粘度时变函数表征浆液的固化程度，建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度的映射关系；
步骤3：开展不同的力学特性分析实验，研究浆液相变后力学参数的时间演化规律，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
步骤4：动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
作为可选择的实施方式，所述动水注浆模拟采用流体仿真软件和固体仿真软件结合的方式，其中，所述流体仿真软件包括但不限于OpenFoam；所述固体仿真软件包括但不限于Abaqus。
所述基于粘度驱动的相变等效触发模型，类似于冰水转化中的“温度”作用，将粘度定义为浆液从流体到固体转化的控制变量，具体的：
一种粘度驱动的相变等效触发模型，通过以下公式表述：
其中，μs表示浆液的当前粘度，μmax表示相变等效触发模型中的触发粘度，即定义的最大粘度。当浆液的实际粘度小于该粘度时，为流态，采用流体力学相关性质表述；当浆液的实际粘度等于该粘度时，为固态，采用固体力学相关性质表述。其中，μmax的值根据实际需要进行设定：具体可以根据浆液材料的不同设定不同的触发粘度，每种材料的触发粘度根据试验测试得到；同时，所述触发粘度根据计算需求可以进行调整。
当浆液为流态时，根据不同浆液的性质，结合浆液的流变模型建立的粘度时变模型，通过拉格朗日思想离散浆液为无穷小微团，追踪浆液停留时间，建立不同注入时刻的浆液粘度随时间变化的函数：
μ＝f(T) (2)
其中，浆液粘度μ与停留时间T存在函数关系，进一步通过该粘度时变函数，刻画浆液固化程度，确定动水注浆过程中浆液的扩散效果。
所述浆液粘度随时间变化的函数通过获取大量实验测试数据，基于数据拟合的方式获得。
当浆液为固态时，根据浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系，通过拉格朗日思想离散浆液为无穷小微团，进一步通过停留时间，建立不同力学参数随时间的变化规律：
E＝f1(T) (3)
ν＝f2(T) (4)
其中，固态浆液的弹性模量E和泊松比v均和浆液停留时间T建立函数关系，进一步的刻画浆液的强度特性，分析动水注浆过程中浆液的封堵特性。
作为可选择的实施方式，基于获得的力学参数(即弹性模量和泊松比)，确定动水注浆过程中浆液的封堵效果，即通过利用参数可以判断固态浆液的刚度，刚度越大则越不易被动水冲开，则封堵效果越好。
所述弹性模量、泊松比与浆液停留时间之间的函数关系的确定，需要预先进行实验获取不同注浆停留时间下的力学参数数据，通过数据拟合的方式获得。
具体的，如图4所示，本公开所述方案中，液态的浆液通过流变参数(重点是粘度变化)的数值化表征刻画其扩散过程，而固态的浆液通过固化性质(重点是弹性模量和泊松比等固体力学参数)的时空追踪刻画其封堵效果。浆液从液态转化为固态，通过界面重构来表征该固化相变过程，而流变参数(重点是粘度变化)到固化性质(重点是弹性模量和泊松比等固体力学参数)的转化通过等效参数标定方法进行过度，最终建立基于粘度时变的相变触发模型。
作为进一步的限定，所述基于粘度对浆液固化程度进行描述，所涉及的流体参数包括浆液流速和粘度。
作为进一步的限定，所述固体力学参数包括固体的泊松比、弹性模量和强度。
本公开所述方案提供了一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变过程模拟方法，将原本复杂的固化相变化学反应过程简化为一种粘度驱动的流固态转化过程，充分考虑了浆液的凝结固化属性，可以实现动水注浆过程中浆液扩散(流动属性)和封堵(固体属性)行为的较好描述。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统。
一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，包括：
浆液流变模型确定单元，其用于基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
粘度与固化程度关系确定单元，其用于结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；
固体力学参数时变关系确定单元，其用于对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
注浆模拟单元，其用于动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASI C，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述实施例提供的一种粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，包括：
基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；
对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
2.如权利要求1所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，所述基于粘度驱动的相变等效触发模型具体为：
其中，μs表示浆液的当前粘度，μmax表示相变等效触发模型中的触发粘度，即定义的最大粘度。
3.如权利要求1所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，所述利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液相变状态，通过将粘度定义为浆液从流体到固体转化的控制变量，对原本复杂的固化相变化学反应进行简化。
4.如权利要求1所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，所述基于粘度对浆液固化程度进行描述，其所涉及的流体参数包括浆液流速和粘度。
5.如权利要求1所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，所述固体力学参数包括固体的泊松比、弹性模量和强度。
6.如权利要求1所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟方法，其特征在于，所述动水注浆模拟采用流体仿真软件和固体仿真软件结合的方式。
7.粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，其特征在于，包括：
浆液流变模型确定单元，其用于基于浆液剪切应力和剪切速率的相关关系，构建浆液流变模型；
粘度与固化程度关系确定单元，其用于结合浆液流变模型，构建浆液粘度时变函数，并建立浆液粘度时变函数与浆液固化程度间的映射关系；
固体力学参数时变关系确定单元，其用于对相变后的浆液进行力学特性分析，构建浆液相变后力学参数随时间变化的数学表征关系；
注浆模拟单元，其用于动水注浆模拟过程中，利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液状态，流态时基于粘度对浆液固化程度进行描述，固态时基于力学参数随时间变化的数学表征关系对浆液封堵效果进行描述。
8.如权利要求7所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，其特征在于，所述基于粘度驱动的相变等效触发模型具体为：
其中，μs表示浆液的当前粘度，μmax表示相变等效触发模型中的触发粘度，即定义的最大粘度。
9.如权利要求7所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，其特征在于，所述利用基于粘度驱动的相变等效触发模型确定浆液相变状态，通过将粘度定义为浆液从流体到固体转化的控制变量，对原本复杂的固化相变化学反应进行简化。
10.如权利要求7所述的粘度驱动的动水注浆浆液固化相变模拟系统，其特征在于，所述基于粘度对浆液固化程度进行描述，其所涉及的流体参数包括浆液流速和粘度。
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| US20210087931A1 (en) * | 2020-10-15 | 2021-03-25 | Shandong University Of Science And Technology | Grouting bolt-cable composite beam and supporting method for advanced support of fractured surrounding rock in deep coal mines |
-
2021
- 2021-12-21 CN CN202111573326.XA patent/CN114492222A/zh active Pending
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