可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究.pdfVIP

第 2 1 卷　第 5 期　　　　　　　　　　地　　下　　空　　间　　　　　　　　　　　　V o l. 2 1　N o. 5 200 1 年 12 月　　　　　　　　　　　U N D ER GROU N D SPA CE　　　　　　　　　　　　　D ec. 200 1 ( ) 　　文章编号: 100 1811 200 1 X 可压缩流体渗流的流固耦合问题 数值模拟研究 薛　强, 　梁　冰, 　李宏艳 (辽宁工程技术大学力学与工程科学系, 辽宁阜新　123000) 　　摘　要: 可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互 耦合作用的结果, 研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工 程应用有着重要意义。本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下, 基于 流固耦合力学理论, 建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型, 采用了编制F SC SP 程序的对数学模型进行数值求解。通过数值计算, 比较了考虑耦合效应与非耦合 效应之间的存在较大差异, 这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的 理论意义和指导意义。 关键词: 可压缩流体; 流固耦合; 渗流问题; 数值模拟 中图分类号: TU 452, TB 12　　　　　文献标识码:A 引　言 目前, 水文地质工程、环境工程、石油工程以及采矿工程等众多领域常常涉及到可压缩流 体渗流问题[ 13 ] 。可压缩流体在多孔介质中的渗流是流体流动和固体变形相互作用的结果。当 多孔介质变形时, 其内部孔隙空间也随之改变, 引起储存在其中的流体的体积发生改变, 而孔 隙流体压力作为一种内部载荷直接参与孔隙的改变和多孔介质的变形, 因此地下水在岩土中 的渗流问题一方面是岩土的变形会引起流体渗透性能的改变, 从而使流体内的孔隙压力改变; 另一方面, 流体的孔隙压力改变不仅直接改变岩土的应力状态, 而且直接引起岩土的物理力学 性质的改变, 两者是相互影响相互作用的。而在以往的数值模拟过程中均采用了纯渗流力学理 论进行研究, 不考虑流体可压缩性和固体骨架变形耦合作用及其影响。近几年来, 随着流固耦 合理论和数值计算技术的发展, 人们对可压缩流体渗流过程中的力学机制有了更深入的了解 和认识: 进行流固耦合分析是很有必要的。本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前 提下, 建立了可压缩流体渗流问题的流固耦合数学模型, 这对进一步准确地模拟多孔介质中流 体的流动有着重要的意义。 收稿 日期: 200 10530 ( ) 　作者简介: 薛强 1976 , 男, 博士, 主要从事地下水污染及渗流方面的研究。 200 1 年第 5 期　　　　　　　薛强等: 可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究 387 1　基本理论 流体在多孔介质中渗流问题属于流固耦合问题, 不仅流体质点要在多孔介质中发生渗流, 而且岩土由于载荷作用要发生变形, 岩土质点要发生位移而产生运动。由于以往渗流运动方程 中没有考虑流固耦合效应, 因此必须建立流固耦合渗流运动方程来描述地下水中的渗流问题, 该方程包括应力场方程和渗流场方程。 建立方程前首先引入几个假设: ( 1) 岩土是各向同性的线弹性地质材料以及变形的多孔介质。 ′ (2) 固体骨架的变形遵从 T erzagh i 有效应力规律: ij = ij + p ij ( 1) ′ 式中 ij 为总应力张量, ij 为有效应力张量, p 为孔隙水压力, ij 为 K ron eck er 符号。