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上覆厚风积沙煤层开采时,覆岩破坏会形成贯通裂隙,水、沙在裂隙中流动失稳常常引发突水溃沙事故。因此,裂隙中水沙两相流研究成为防治突水溃沙灾害的基础课题。本文针对水沙两相流体在裂隙中的渗流行为,设计了裂隙水沙渗透试验系统,测试了以水沙混合物为渗透介质在裂隙中的渗透性参量,分析了两相流体中沙的体积浓度和颗粒粒径对渗透性参量的影响。基于Euler-Lagrange方法建立了水相和沙粒相的控制方程,并利用ANSYS Fluent软件模拟了裂隙中水沙流动,得到了流场物理量的时空演化规律。讨论了两相流体中沙的体积浓度、颗粒粒径以及质量密度对裂隙水沙两相流场的影响。论文取得如下主要成果: (1)为测试水沙两相流体在裂隙中的流动行为,设计了一种用于研究平行单裂隙水沙渗流规律的渗透仪,将这种渗透仪与搅拌系统、水沙输运系统及控制台组合,成功研制了一套裂隙水沙渗透试验系统。 (2)利用稳态渗透法进行了裂隙水沙渗透试验,得到了沙体积浓度和沙粒径对渗透性参量(等效流度和非Darcy流β因子)的影响规律。结果表明,在沙粒径分别为0.02~0.06 mm、0.06~0.010mm和0.10~0.14mm时,等效流度和非Darcy流β因子随沙体积浓度的变化趋势不同;当沙体积分数分别为1.02%、2.07%、3.04%和4.06%时,等效流度和非Darcy流β因子随沙粒径的变化趋势也不同。 (3)基于Euler-Lagrange方法,建立了裂隙水沙两相流动的力学模型,建模中水相采用Stress-Omega Reynolds应力模型模拟,沙相采用颗粒轨道模型模拟。 (4)利用ANSYS Fluent软件模拟了光滑裂隙和粗糙裂隙中水沙两相流动,得到了压力、流速、湍动能、沙相体积分数时空演化规律。数值模拟结果表明,光滑裂隙流场物理量基本不随时间变化,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;光滑裂隙中水沙流动受重力影响,表现出流场物理量空间分布的不对称性;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。 (5)通过数值模拟,得到了沙体积浓度、沙粒径和沙质量密度对压力梯度、流体时均速度分布和湍动能分布的影响规律。