懸浮微小顆粒在飽和多孔介質(zhì)中運(yùn)移特性的理論及試驗(yàn)研究.pdf

6、及二者界面處動(dòng)量傳遞方程導(dǎo)出忽略慣性效應(yīng)影響的擾動(dòng)方程，采用Chebyshev譜方法對(duì)Orr-Sommerfeld穩(wěn)定性方程進(jìn)行求解?？紤]了雷諾數(shù)(Re)、滲透率(σ)、孔隙率(ε)、波數(shù)(α)、多孔介質(zhì)填充率ψ的變化時(shí)，特征值及速度擾動(dòng)特點(diǎn)以及各參數(shù)變化時(shí)對(duì)臨界雷諾數(shù)(Re)的影響，進(jìn)而從理論上驗(yàn)證在試驗(yàn)實(shí)施條件下，能夠模擬地下含水層內(nèi)流體的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。
　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)存在多層自由流體層一多孔介質(zhì)層耦合的復(fù)雜通道泊松

7、流流動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。為了與有單層多孔介質(zhì)層結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，采用了兩種方式增加多孔介質(zhì)層或流體層，即恒定雷諾數(shù)Re方式和恒定多孔介質(zhì)填充率ψ方式，重點(diǎn)分析了恒定雷諾數(shù)Re方式下Orr-Sommerfeld特征值圖譜中壁模式特征值的分布規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)有多層裂隙結(jié)構(gòu)下的地下水滲流穩(wěn)定性問題有理論指導(dǎo)意義。研究結(jié)果表明：相較于不滲水的固體壁面，多孔介質(zhì)壁面進(jìn)一步增加了流動(dòng)的不穩(wěn)定性；流體通過中間插入多孔介質(zhì)層結(jié)構(gòu)通道時(shí)的穩(wěn)定性

8、要高于通道兩側(cè)為多孔介質(zhì)壁面時(shí)的情況，同時(shí)也高于通道內(nèi)有多層多孔介質(zhì)層時(shí)的情況;兩種方式下增加多孔介質(zhì)層數(shù)np均會(huì)引起臨界Rec數(shù)的降低，但下降程度不同：在相同多孔介質(zhì)層數(shù)np下，以恒定ψ方式所形成的流體通道比以恒定Re數(shù)方式形成的流體通道內(nèi)流體流動(dòng)的穩(wěn)定性要弱。
　　在上述穩(wěn)定性分析中忽略了多孔介質(zhì)內(nèi)部，以及多孔介質(zhì)與自由流體界面處動(dòng)量方程的慣性項(xiàng)，為了進(jìn)一步研究慣性項(xiàng)對(duì)基礎(chǔ)流解帶來的影響，本文對(duì)該復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的基礎(chǔ)流求解問題進(jìn)行

9、了研究。提出了多孔介質(zhì)層內(nèi)考慮Brinkman粘性耗散項(xiàng)與Forchheimer非線性慣性項(xiàng)的無量綱動(dòng)量方程式，該方程式與邊界條件與以往文獻(xiàn)給出的方程式相比更具一般性；利用邊界層理論，將多孔介質(zhì)層分為不受界面影響的核心區(qū)和邊界影響區(qū)，采用Runge-Kutta-Gill數(shù)值微分方法及估算一階導(dǎo)數(shù)的打靶方法對(duì)含慣性項(xiàng)的基礎(chǔ)流微分方程進(jìn)行了數(shù)值求解，該方法可以去除以往文獻(xiàn)求解的限制條件。
　　通過對(duì)多孔介質(zhì)試驗(yàn)段進(jìn)行多次改進(jìn)，搭建了室

10、內(nèi)模擬回灌試驗(yàn)臺(tái)，研究了不同顆粒粒徑、多孔介質(zhì)粒徑、濃度等物理因素對(duì)顆粒運(yùn)移沉積特性的影響。一方面研究已沉積的微小顆粒隨時(shí)間對(duì)堵塞程度或相對(duì)滲透率的影響；另一方面研究在試驗(yàn)過程中懸浮微小顆粒在多孔介質(zhì)段的累積及瞬時(shí)沉積規(guī)律；最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后多孔介質(zhì)界面處及內(nèi)部各段沉積規(guī)律進(jìn)行了測(cè)試和分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：懸浮顆粒在多孔介質(zhì)段的沉積，并不一定使多孔介質(zhì)各段相對(duì)滲透率kt/k0降低，造成多孔介質(zhì)段的堵塞；相反一定情況下會(huì)出現(xiàn)kt/k0增大的情況，

11、出現(xiàn)波峰，并且出現(xiàn)波峰的時(shí)間隨距離進(jìn)口越近而越早出現(xiàn)，如同波的傳遞現(xiàn)象；提出以波紋管和光管阻力系數(shù)的區(qū)別來近似解釋現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，得出較小進(jìn)口濃度下，懸浮顆粒粒徑越小，kt/k0曲線波峰出現(xiàn)時(shí)間越遲，相對(duì)滲透率增加幅度越大，而較大進(jìn)口濃度條件則抑制kt/k0曲線波峰的生成，直至呈單調(diào)遞減。
　　采用格子玻爾茲曼方法(LBM)，對(duì)二維突擴(kuò)突縮方形孔隙內(nèi)微小顆粒的運(yùn)動(dòng)沉積特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，假設(shè)顆粒碰壁完全吸收，不考慮顆粒的堆積效

12、應(yīng)，忽略顆粒對(duì)流體作用力。在顆粒運(yùn)動(dòng)方程中，由于顆粒粒徑較小，不僅有浮升力、阻力和重力，也考慮了布朗力。首先，模擬強(qiáng)迫對(duì)流條件下，懸浮微小顆粒通過三種孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，不同斯托克斯數(shù)(5狄)情況下，在渦量場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡分布以及各壁面的沉積情況。其次，考慮到回灌水的水溫通常比原始含水層的溫度要低，特別模擬了混合對(duì)流情況下，不同自然對(duì)流強(qiáng)度(R a數(shù))時(shí)顆粒通過單孔隙的運(yùn)動(dòng)沉積特性，研究了Stk數(shù)和瑞利數(shù)Ra在顆粒運(yùn)動(dòng)沉積方面的影響。得出：Re數(shù)

13、一定時(shí)，隨著Stk數(shù)的逐漸增大，顆粒在渦量場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分布是一個(gè)從與渦線逐漸吻合到與渦線逐漸脫離的過程；在強(qiáng)自然對(duì)流時(shí)，會(huì)增加顆粒沉積率，這與許多地?zé)崂玫默F(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)相吻合，尤其當(dāng)Ra較高，Stk較低時(shí)，自然對(duì)流對(duì)沉積率的影響更為明顯；若慣性力和重力成為顆粒運(yùn)功的主要影響因素，則當(dāng)Stk數(shù)很高時(shí)，顆粒的沉積率會(huì)趨于一致。
　　最后，根據(jù)研究中發(fā)現(xiàn)的一些問題和不足，提出了后續(xù)研究和改進(jìn)的方向，以期能更系統(tǒng)地研究含水介質(zhì)中懸浮顆粒的運(yùn)