粗糙度對單裂隙水流影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、粗糙裂隙水流研究對地下水污染防治及深部地下工程等具有重要指導意義。然而由于基巖裂隙介質(zhì)的強烈空間變異性，其水流遷移十分復雜，目前無論在理論研究還是在實際應用中都出現(xiàn)了許多問題。在歸納總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻和研究的基礎之上，本文利用數(shù)值模型研究了粗糙度對單裂隙水流影響。在單一變量研究原則的指導下，本文利用Gambit創(chuàng)建了粗糙單裂隙介質(zhì)的數(shù)值模型，共設置了光滑平板裂隙、三角形粗糙面、梯形粗糙面、矩形粗糙面和正弦型粗糙面這五種粗糙裂隙。分別設置

2、了粗糙度凸起度為1、2和4 mm，凸起間距與粗糙度凸起度之比，即隙比為1:1、2:1、3:1和4:1這幾種情況，共52種數(shù)值模型。在近壁區(qū)域采用了加強型網(wǎng)格劃分，并利用Fluent對52種模型進行求解，模擬的雷諾數(shù)(Re)范圍為1～3200。通過擬合分析了不同粗糙度條件下單裂隙水水流流場的情況，得出以下結(jié)論：
　　(1)通過y+分析和殘差分析可知，F(xiàn)luent軟件中的增強壁面函數(shù)，可現(xiàn)實k-ε模型可以很好的用來擬合粗糙單裂隙水流情

3、況。
　　(2)分析不同粗糙條件下的速度分布云圖、流線等值線圖及流線圖，得到粗糙裂隙中的分流特征由粗糙凸起的分布密度，即間隙比、絕對粗糙度即△的大小以及粗糙凸起的幾何剖面結(jié)構(gòu)決定，其中：
　　1)間隙比越大對水流流線影響越大；
　　2)隨著絕對粗糙度△的增大，流線的彎曲程度加大；
　　3)矩形粗糙度對水流的截流最明顯，梯形粗糙度次之正弦最次，說明水流進入粗糙度的角度越大水流的截流最明顯，其中的渦流越明顯；

4、　　4)正弦型粗糙度上方水流流線彎曲程度最大，三角形次之，矩形最次，說明粗糙度上方水流流線彎曲程度隨著水流進入粗糙度的角度的增大而減??；
　　(3)歸納分析沿程阻力系數(shù)、單寬流量、平均流速與水力梯度關(guān)系(v-J)以及臨界雷諾數(shù)，得到：傳統(tǒng)阻力系數(shù)計算公式計算值較其它公式計算的較小，LCL公式計算的單寬流量值較大；大雷諾數(shù)范圍時v-J關(guān)系呈現(xiàn)出非線性的Non-Darcy現(xiàn)象，非線性公式Forchheimer公式擬合效果最好，Izba