懸浮微小顆粒在飽和多孔介質中運移特性的理論及試驗研究.pdf

6、及二者界面處動量傳遞方程導出忽略慣性效應影響的擾動方程，采用Chebyshev譜方法對Orr-Sommerfeld穩(wěn)定性方程進行求解?？紤]了雷諾數(shù)(Re)、滲透率(σ)、孔隙率(ε)、波數(shù)(α)、多孔介質填充率ψ的變化時，特征值及速度擾動特點以及各參數(shù)變化時對臨界雷諾數(shù)(Re)的影響，進而從理論上驗證在試驗實施條件下，能夠模擬地下含水層內流體的穩(wěn)定流動狀態(tài)。
　　在此基礎上，進一步對存在多層自由流體層一多孔介質層耦合的復雜通道泊松

7、流流動穩(wěn)定性進行了研究。為了與有單層多孔介質層結構下的穩(wěn)定性結論進行對比，采用了兩種方式增加多孔介質層或流體層，即恒定雷諾數(shù)Re方式和恒定多孔介質填充率ψ方式，重點分析了恒定雷諾數(shù)Re方式下Orr-Sommerfeld特征值圖譜中壁模式特征值的分布規(guī)律，研究結果對有多層裂隙結構下的地下水滲流穩(wěn)定性問題有理論指導意義。研究結果表明：相較于不滲水的固體壁面，多孔介質壁面進一步增加了流動的不穩(wěn)定性；流體通過中間插入多孔介質層結構通道時的穩(wěn)定性

8、要高于通道兩側為多孔介質壁面時的情況，同時也高于通道內有多層多孔介質層時的情況;兩種方式下增加多孔介質層數(shù)np均會引起臨界Rec數(shù)的降低，但下降程度不同：在相同多孔介質層數(shù)np下，以恒定ψ方式所形成的流體通道比以恒定Re數(shù)方式形成的流體通道內流體流動的穩(wěn)定性要弱。
　　在上述穩(wěn)定性分析中忽略了多孔介質內部，以及多孔介質與自由流體界面處動量方程的慣性項，為了進一步研究慣性項對基礎流解帶來的影響，本文對該復雜結構下的基礎流求解問題進行

9、了研究。提出了多孔介質層內考慮Brinkman粘性耗散項與Forchheimer非線性慣性項的無量綱動量方程式，該方程式與邊界條件與以往文獻給出的方程式相比更具一般性；利用邊界層理論，將多孔介質層分為不受界面影響的核心區(qū)和邊界影響區(qū)，采用Runge-Kutta-Gill數(shù)值微分方法及估算一階導數(shù)的打靶方法對含慣性項的基礎流微分方程進行了數(shù)值求解，該方法可以去除以往文獻求解的限制條件。
　　通過對多孔介質試驗段進行多次改進，搭建了室

10、內模擬回灌試驗臺，研究了不同顆粒粒徑、多孔介質粒徑、濃度等物理因素對顆粒運移沉積特性的影響。一方面研究已沉積的微小顆粒隨時間對堵塞程度或相對滲透率的影響；另一方面研究在試驗過程中懸浮微小顆粒在多孔介質段的累積及瞬時沉積規(guī)律；最后對試驗結束后多孔介質界面處及內部各段沉積規(guī)律進行了測試和分析。試驗發(fā)現(xiàn)：懸浮顆粒在多孔介質段的沉積，并不一定使多孔介質各段相對滲透率kt/k0降低，造成多孔介質段的堵塞；相反一定情況下會出現(xiàn)kt/k0增大的情況，

11、出現(xiàn)波峰，并且出現(xiàn)波峰的時間隨距離進口越近而越早出現(xiàn)，如同波的傳遞現(xiàn)象；提出以波紋管和光管阻力系數(shù)的區(qū)別來近似解釋現(xiàn)象產生的機理，得出較小進口濃度下，懸浮顆粒粒徑越小，kt/k0曲線波峰出現(xiàn)時間越遲，相對滲透率增加幅度越大，而較大進口濃度條件則抑制kt/k0曲線波峰的生成，直至呈單調遞減。
　　采用格子玻爾茲曼方法(LBM)，對二維突擴突縮方形孔隙內微小顆粒的運動沉積特性進行了數(shù)值模擬研究，假設顆粒碰壁完全吸收，不考慮顆粒的堆積效

12、應，忽略顆粒對流體作用力。在顆粒運動方程中，由于顆粒粒徑較小，不僅有浮升力、阻力和重力，也考慮了布朗力。首先，模擬強迫對流條件下，懸浮微小顆粒通過三種孔隙結構時，不同斯托克斯數(shù)(5狄)情況下，在渦量場中的運動軌跡分布以及各壁面的沉積情況。其次，考慮到回灌水的水溫通常比原始含水層的溫度要低，特別模擬了混合對流情況下，不同自然對流強度(R a數(shù))時顆粒通過單孔隙的運動沉積特性，研究了Stk數(shù)和瑞利數(shù)Ra在顆粒運動沉積方面的影響。得出：Re數(shù)

13、一定時，隨著Stk數(shù)的逐漸增大，顆粒在渦量場中的運動分布是一個從與渦線逐漸吻合到與渦線逐漸脫離的過程；在強自然對流時，會增加顆粒沉積率，這與許多地熱利用的現(xiàn)場回灌試驗相吻合，尤其當Ra較高，Stk較低時，自然對流對沉積率的影響更為明顯；若慣性力和重力成為顆粒運功的主要影響因素，則當Stk數(shù)很高時，顆粒的沉積率會趨于一致。
　　最后，根據(jù)研究中發(fā)現(xiàn)的一些問題和不足，提出了后續(xù)研究和改進的方向，以期能更系統(tǒng)地研究含水介質中懸浮顆粒的運