孔隙-管道介质耦合模型的物理模拟及数值模拟

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孔隙-管道介质耦合模型水动力场的演化分析是地下水数值模拟的难点。论文通过物理试验和数值模拟的方法,重点分析了孔隙-管道介质耦合模型中的孔隙介质水位和孔隙-管道交换量的时空演化特征,为深入认识孔隙-管道介质耦合模型的水动力场提供了具体方法和指导。物理试验设计了长200cm,宽100cm、高100cm的砂箱模型,选取0.5mm~1.5mm粒径的河砂做为充填介质,在砂箱里铺设管道,利用29个水位计实时监测砂箱水位变化,在改变补给量大小的条件下,分别开展了8次稳定流试验。基于物理试验,使用UGRFLOW建立了孔隙-管道介质耦合稳定流的数值模型,将模型分为7层,每层进行矩形剖分,剖分后的最大单元格是5cm×5cm,最小单元格是2.5cm×5cm。每一层剖分为40行、21列,该层活动单元840个,整个模型的总活动单元数为5880个。新增加管道周边渗透系数,对模型参数进行了识别,最终确定管道糙率为0.04,孔隙介质渗透系数为0.017m/min,管道周边渗透系数为0.0015m/min。此外,还进行了模型参数局部灵敏度分析。最后,使用UGRFLOW程序进行了非稳定流条件下的数值试验,模拟出了孔隙-管道耦合介质的水动力场时空演化过程。在本文的研究中,得到了如下结论。(1)从空间上看,从进水端到出水端,孔隙介质水头和孔隙-管道交换量都呈下降趋势。以管道为对称轴,模型左右两侧的孔隙介质水头和交换量有一定的对称性。从时间上看,相同位置的孔隙介质的水头、管道单元的流速和水深,以及孔隙-管道单元的交换量一直在随着时间增长而下降。(2)管道单元内,最开始的流态为层流,之后会转变成层流紊流共存或全部转化为紊流。(3)模型参数局部灵敏度分析得到了管道出口流量与管道周边渗透系数呈正相关(最灵敏),与孔隙介质渗透系数呈负相关(一般),与管道糙率呈微弱负相关(最不灵敏)的关系。本论文有图69幅,表16个,参考文献100篇。
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