聚丙烯酰胺溶液在渗流过程中的流变性实验研究

通过岩心渗流实验,研究了不同相对分子质量、不同质量浓度的聚丙烯酰胺(聚合物)溶液在多孔介质中的渗流特性;根据不同渗流速度下的渗流压力变化,计算了不同聚合物溶液在多孔介质渗流过程的有效粘度;分析了不同质量浓度和相对分子质量的聚合物溶液在多孔介质中的流变性变化。结果表明:在达西渗流速度范围内,聚合物溶液在渗流过程中岩心两端的压差随流量的增加表现出先上升后上翘的趋势;聚合物溶液在多孔介质中的有效粘度随剪切速率的增加先减小后增大;溶液的相对分子质量越大、质量浓度越大,有效粘度越大。     

基于潜水渗流模型的地下水实际流速

在相似原理所建立的潜水渗流模型上开展了Darcy定律验证性实验,在满足层流及稳定流状态下,测定了不同水力坡度下的渗透流速,并依据渗透流速与有效孔隙度的比值得到了相应的实际流速,同时,在该模型上进行了示踪法测流速实验。对比发现,依据Darcy定律计算的地下水平均实际流速与示踪法测定的地下水平均实际流速存在一定的差异。为此,建立了不同地下水动力条件的潜水渗流模型进行了多组实验,发现这种差异存在普遍性,Darcy公式计算地下水实际流速比示踪剂测定的实际流速约大4.25倍。最后分析了差异存在的原因。     

平行裂缝中立方定律修正及临界速度计算

为了研究缝洞型碳酸盐岩储集层中裂缝内的渗流特征,利用自制的缝洞型介质物理模拟实验装置,对张开度为50～300μm的平行裂缝模型开展了一系列单相流动实验研究。采用多参数拟合方法得到了粗糙平行裂缝渗透率经验公式,并联立达西定律与非线性渗流运动方程建立了由非线性渗流开始时的临界速度公式。研究表明:低渗流速度下平行裂缝模型中渗流服从达西定律,随着渗流速度不断增大,渗流曲线向压力梯度轴弯曲,呈现非线性渗流特征;由粗糙平行裂缝渗透率经验公式得到的渗透率计算值与实验值拟合较好,相对误差小于4.49%;临界速度随裂缝张开度增加而增大,即大张开度裂缝中不易发生非线性渗流。     

多孔连续介质渗透定律及其扩展

达西定律由于形式简单、物理概念清晰,被认为是地下水动力学最重要和最基本的定律,是渗流问题定量化表述的基础,也是目前绝大多数地下水流动问题的数值解、解析解和模拟软件应用的前提条件。本文在达西定律的基础上,结合其适用范围对达西定律进行扩展,分析均质（非均质）各向同性、异性多孔介质三维渗流定律。     

应用分形理论研究饱和土壤渗透率

基于多孔介质分形理论,开展饱和土壤一维土柱渗流实验;探讨不同土壤饱和渗透率。实验选取不同颗粒大小的石英砂,配制5种实验土样并测定其粒径分布特征,采用达西装置测定不同土壤的渗透系数。实验结果显示:土壤体积分形维数D与土壤平均粒径MZ呈线性关系:D=C MZ+E;土壤渗透率k与其D呈对数函数关系:k=[A ln D+B](ρg/μ); k与D关系函数为经验公式,A、B两个经验参数的物理意义还需进一步探索。     

不同特性介质对边壁流效应的影响

为系统地研究边壁流效应与实验介质特征之间的关系,从与边壁流效应有关系的实验介质出发,选用粗、中、细3种性质的砂粒。基于单组分均介质实验结果分析,设计不同粒径介质的空间组合结构类型,通过物理实验,结合地下水数值模拟技术和数学分析方法,得到渗流实验中不同介质对边壁流效应影响的程度为细砂粗砂中砂,明确了边壁流效应对地下水渗流和溶质运移的影响。通过实验,为如何预防或减小孔隙介质水文地质试验中的边壁流效应提供参考依据。     

革新水电模拟渗流实验 依托开放实验平台翻转课堂

水电模拟渗流实验基于完善的稳定渗流理论和水电相似原理,将复杂的理论问题通过实验直观的表现出来,在渗流力学和渗流物理实验教学中占有重要的地位。基于目前渗流物理实验课程中水电模拟渗流实验的教学现状和问题,将传统的实验流程和方法加以改进,革新了模拟流场的实验介质,解决了实验仪器锈蚀氧化的问题,增加了模拟流场的稳定性,改进了实验测试流程、测试电路、探针和模拟井等,提高了测试的精确性和实验可操作性;引入自主设计性模块,模拟不同井型的渗流问题,增强学生主动学习的意识和创新思考能力;依托石油工程实验教学中心开放实验室管理平台,引入翻转课堂教学法,帮助学生将理论知识应用于实践探索,加深了学生对复杂理论的认知,锻炼了学生的创造性思维。     

缝洞介质内非达西流动实验研究

采用熔蜡的方法制作了多组全直径缝洞岩心,并利用岩心进行了一系列单相水流动实验,研究缝洞岩心内的流体流动规律。利用单相流动实验结果,采用多参数拟合方法得到适用于缝洞介质的非达西系数表达式,计算了缝洞介质的临界福西海默数(Fo)和临界非达西效应误差。研究结果表明:在矿场的水线推进速度下,压力降与流速存在线性和非线性关系,因此流体的流动规律存在达西流动和高速非达西流动,而其中更多的是高速非达西流动,这主要取决于裂缝的发育程度;Geertsma提出的非达西系数经验公式对于缝洞介质的适用性很差,本文在其基础上修正的非达西系数表达式适用于缝洞介质;缝洞介质的临界福西海默数在0.65±0.1范围内,远远大于砂岩介质的临界Fo,临界非达西效应高达35%~45%,表明非达西效应在缝洞介质中的不可忽略性。     

软粘土弹塑性大变形的求积元法分析（英文）

目的:考虑几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响,提出一种大变形固结问题的求积元求解列式,以提高数值方法的计算精度及计算效率。通过数值算例研究几何非线性及非线性渗流定律对软粘土固结的影响,为工程实际提供参考。创新点:1.提出一种大变形固结问题的高阶数值求解方法;2.在固结问题求解中同时考虑几何非线性及非线性渗流定律。方法:1.基于初始构型,采用完全拉格朗日格式,建立大变形固结问题求解列式;2.基于变形梯度乘法分解,得到大变形条件下的土体本构模型;3.基于指数关系的渗流定律,建立渗流连续性方程;4.通过数值算例验证方法,研究几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响。结论:1.所建立的求积元方法的收敛速度要远远快于有限元法,降低了问题计算规模;2.在小变形条件下,最终沉降随外荷载线性变化,而在大变形条件下,随着载荷的增大,沉降相对于小变形条件有所降低;3.当考虑非达西渗流定律时,软粘土的固结速率随着非达西渗流参数的增加而降低。     

低渗透非达西渗流动边界模型理论解的几个命题

建立了低渗透非达西渗流带Stefan条件的动边界模型并且将动边界问题理论解的存在性转化为某一积分变换的不动点问题;然后提出几个重要命题,最后利用不动点定理和极值原理进行证明,这几个命题为证明模型理论解的存在惟一性,并进一步讨论模型数值解奠定了基础.