裂隙岩体渗流-传热耦合的有限元模拟研究

摘要

随着传统化石能源的日渐枯竭，核能也在越来越多的场合被采用。核能源的利用不可避免的会带来核废料的产生，目前处理核废料的唯一办法便是专门建设深埋处置库将其存放。本文以核废物的处置为工程背景，通过有限元模拟，计算分析了单裂隙岩体模型和规则多裂隙岩体模型中渗流场和温度场之间的作用关系，并分析了裂隙张开度、裂隙水渗流速度、岩石热传导系数、热源温度等因素对裂隙岩体温度场的分布的影响。主要的成果如下:
　　(1)通过建立单裂隙岩体模型，推导了裂隙水和与裂隙接触岩体的温度控制方程，在此基础上得到了理想情况下的解析解，并将其与COMSOL所得的有限元计算结果相比对。结果表明，基于有限元变分方法的数值模拟结果能够和解析解很好的吻合，而解析解求解过程中对于一些次要条件的忽略会导致误差的产生。
　　(2)在规则多裂隙岩体模型中，得到了流体渗流——传热的控制方程，并对方程进行离散化处理，进行有限元计算。将计算结果与课题组此前的实验结果以及有限差分软件FLAC的模拟结果进行比对，发现对温度场的数值模拟结果要略高于实际的实验结果，这是由于绝热边界条件在现实中难以实现，热量不可避免的耗散降低了实际模型的温度值。COMSOL有限元软件虽然在计算过程中会花费更长的时间，但其对不规则区域网格划分的适应性以及对于多物理场耦合分析的功能等特点要好于有限差分法。
　　(3)影响温度场分布的最重要两个因素是裂隙的张开度和裂隙中渗流的速度。裂隙越宽，裂隙渗流越快，会使得更多的水进入裂隙与岩石进行对流换热，从而降低了岩石温度以及水流的升温幅度。同样，热源温度的不同可以给整个裂隙岩体温度场的数值带来改变，而且地下水的流出温度受热源温度影响很大。而岩石的热传导系数增加，会使得裂隙岩体中更多的热量通过热传导的方式来进行，而且岩石和水流的温度梯度也会变大。但是其影响幅度要小于裂隙张开度和渗流速度。
　　(4)离热源近的裂隙控制着温度分布，它会阻隔热量的向远处传递。远端的裂隙以及两条裂隙之间的裂隙都会对整个裂隙岩体温度场的分布产生影响。远处的裂隙一方面会影响与之相邻的近端岩体温度分布，另一方面更主要地控制着更远处岩体以及边界上的温度情况。而两条裂隙之间的裂隙提供了地下水流动的通道，使得单条裂隙对温度分布的影响范围随着裂隙之间的连通而大大增加。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容与研究方法

2 裂隙岩体渗流——传热的基本理论

2．1 裂隙岩体的基本特征

2．1．1 岩体的裂隙性

2．1．2 裂隙岩体的概念模型

2．2 裂隙岩体的传热理论

2．3 裂隙岩体中水流的流动规律

2．4 本章小结

3 单裂隙岩体渗流——传热耦合分析

3．1 单裂隙渗流——传热的理论模型

3．1．1 模型的基本假定

3．1．2 模型的建立

3．1．3 单裂隙地下水流动传热的控制方程

3．2 单裂隙渗流——传热模型的数值模拟

3．2．1 COMSOL Multiphysics软件概述

3．2．2 单裂隙渗流——传热几何模型

3．2．3 计算工况以及计算参数的选取

3．2．4 边界条件及网格的划分

3．2．5 数值模拟及结果分析

3．3 单裂隙渗流——传热模型的参数影响分析

3．3．1 裂隙张开度对温度场分布的影响

3．3．2 水流速度对温度场分布的影响

3．3．3 岩石的热传导系数对温度场分布的影响

3．4 计算结果对比

3．5 本章小结

4 规则多裂隙岩体模型的渗流——传热耦合分析

4．1 二维裂隙渗流——传热的控制方程

4．2 规则多裂隙岩体模型渗流——传热的数值模拟

4．2．1 规则多裂隙岩体渗流——传热几何模型

4．2．2 计算工况以及计算参数的选取

4．2．3 边界条件及网格的划分

4．2．4 数值模拟及结果分析

4．3 规则多裂隙岩体渗流——传热模型的参数影响分析

4．3．1 垂直裂隙张开度对温度场分布的影响

4．3．2 垂直裂隙中水流速度对温度场分布的影响

4．3．3 左侧热源温度对温度场分布的影响

4．3．4 水平裂隙张开度对温度场分布的影响

4．4 计算结果对比

4．5 本章小结

5 结论及展望

5．1 研究结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集