一种管涌现象的数值分析方法

摘要

本发明公开了一种管涌现象的数值分析方法，包括步骤：基于流体动力学相似准则结合介质对流体的相间力作用项，获得渗透变形相似准则；基于渗透变形相似准则结合颗粒流方法建立细观颗粒模型；所述模型满足重力水平与原型一致，以及颗粒级配缩放且保持相同孔隙率条件下随机生成骨架及填充颗粒；对模型进行管涌过程模拟，在模型内填充颗粒达到平衡状态或骨架颗粒发生破坏时将模型内参数信息输出；将所述渗透变形相似准则与模型内参数信息结合获得实际数值，反馈至原型以分析管涌现象。本发明符合达西和非达西定律，在同时存在两种流态时模型均能够对原型进行真实描述，克服了常规模型或离心试验不能实现颗粒粒径与模型同比缩放的难题、分析准确。

主权项

一种管涌现象的数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、基于流体动力学相似准则结合介质对流体的相间力作用项，通过引入扩展的D‑B‑F方程考虑渗流的达西‑非达西效应，获得砂土发生渗透变形时遵循的相似准则；步骤(2)、基于渗透变形相似准则结合颗粒流方法建立与原型相似的细观颗粒模型；所述细观颗粒模型满足重力水平与原型一致，以及在细观颗粒模型中按照与原型相同的颗粒级配曲线将原型土样颗粒按渗透变形相似准则缩放且保持相同孔隙率条件下随机生成骨架及填充颗粒；步骤(3)、对所述细观颗粒模型进行管涌过程模拟，在模型内填充颗粒达到平衡状态或骨架颗粒发生破坏时将模型内参数信息输出；步骤(4)、将所述渗透变形相似准则与模型内参数信息结合获得实际数值，并将实际数值反馈至原型，以分析管涌现象；其中，所述步骤(1)砂土发生渗透变形时遵循的相似准则为：$\left\{\begin{array}{cc}{\alpha }_n=1& \left(a\right)\\ {\alpha }_{\sigma }={\alpha }_{\gamma }{\alpha }_l& \left(b\right)\\ {\alpha }_v{\alpha }_t/{\alpha }_l=1& \left(c\right)\\ {\alpha }_v^2/{\alpha }_g{\alpha }_l=1& \left(d\right)\\ {\alpha }_{\rho f}/{\alpha }_{\rho f}{\alpha }_v^2=1& \left(e\right)\\ {\alpha }_v{\alpha }_l/{\alpha }_{\mu }=1& \left(f\right)\\ {\alpha }_v/{\alpha }_k=1& \left(g\right)\\ {\alpha }_{\bar{k}}={\alpha }_g{\alpha }_l={\alpha }_g{\alpha }_d& \left(h\right)\end{array}\right.$式中α_n、α_σ、α_γ、α_t、α_v、α_l、α_g、α_ρf、α_μ、α_k、α_d分别表示：孔隙率、应力、重度、时间、速度、长度、加速度、流体密度、运动粘滞系数、渗透系数相似常数、等效渗透系数相似常数、粒径缩放系数；(a)式表征模型与原型中孔隙率必须一致；(b)式表征模型与原型应力状态一致，包含有效应力及总应力对应一致；(c)～(f)式分别表征流体动力学相似中的谐时准则、重力相似准则、压力相似准则、粘滞力相似准则；(g)、(h)表征孔隙流体处于层流及紊流状态时相间动力交换系数对多孔介质中流体动力相似的影响。