粗糙單裂隙摩擦阻力與水流特性試驗(yàn)及模擬研究.pdf

1、裂隙介質(zhì)的滲流問(wèn)題多應(yīng)用由達(dá)西定律延展出的局部立方和定律來(lái)描述,但裂隙面的粗糙和局部接觸及其他原因?qū)е路沁_(dá)西流出現(xiàn)即水力梯度與滲透流量之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。國(guó)內(nèi)外關(guān)于粗糙單裂隙中非達(dá)西滲流機(jī)理研究尚不完善。本文設(shè)計(jì)制作了粗糙單裂隙物理模型,在不同粗糙度構(gòu)件的單裂隙中進(jìn)行滲流試驗(yàn),并基于納維斯托克斯方程采用有限體積法對(duì)裂隙中的水流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,探討了粗糙單裂隙中非達(dá)西流產(chǎn)生的條件以及非達(dá)西流的特征,取得主要研究結(jié)果如下:1.粗糙單裂隙水流滲

2、流呈非達(dá)西關(guān)系,可用Forchheimer和Izbash方程對(duì)滲流平均流速與水力梯度的關(guān)系進(jìn)行描述,其中Forchheimer擬合效果較優(yōu);研究了裂隙面絕對(duì)粗糙度對(duì)Forchheimer擬合方程二次項(xiàng)系數(shù)(慣性項(xiàng)作用)的影響,發(fā)現(xiàn)二次項(xiàng)系數(shù)指數(shù)隨著粗糙度的增加而變大。
　　 2.單寬流量與平均隙寬之間存在著兩種冪指數(shù)關(guān)系:非吻合粗糙裂隙中,單寬流量與平均隙寬之間存在超立方定律關(guān)系,指數(shù)大小受粗糙度形狀影響,趨勢(shì)為三角形＞矩形＞

3、梯形;吻合光滑裂隙中,單寬流量與平均隙寬之間存在次立方定律關(guān)系。
　　 3.在非吻合粗糙裂隙中,水力梯度指數(shù)隨著隙寬的增大而增大;在吻合光滑裂隙中,水力梯度指數(shù)隨著隙寬的增大而減小。
　　 4.各種粗糙裂隙的阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)大小變化:隨著雷諾數(shù)的增大,阻力系數(shù)呈先逐漸減小后保持不變的趨勢(shì)。采用雷諾數(shù)和阻力系數(shù)曲線(xiàn)圖判斷線(xiàn)性區(qū)、非線(xiàn)性區(qū),得出光滑裂隙面臨界雷諾數(shù)大約在50-100之間,粗糙裂隙面臨界雷諾數(shù)約在10-50之