饱和岩体热流固耦合模型研究

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渗流场、温度场和变形场是岩体物理地质力学环境的重要组成部分,这三个场之间存在高度非线性的复杂耦合作用,即热流固Thermo-Hydro-Mechanical(THM)耦合作用。有关这三场的耦合作用研究在地热资源开发、石油工程、采矿工程、地下核废料存储安全、冻土等很多领域有着非常重要的应用价值。由于研究对象的不同,热流固耦合模型的形式存在差异,建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难,而且全耦合模型解耦方法目前正在探索之中。因此,本文以饱和岩体为研究对象,运用混合分析法,建立了基于饱和小变形情形下的热流固三场耦合模型,并通过数学方法和耦合软件计算对模型进行验证。本文在回顾国内外学者对多场耦合模型理论研究的进展状况的基础上,从基本理论、作用模式、研究进展三方面比较全面地阐述了三场耦合理论的研究成果。指出了热流固三场耦合研究中的不足之处,在此基础上提出了本文的研究重点及主要研究内容;其次,本文基于线性热弹性理论,建立了饱和多孔介质热流固三场耦合数学模型,包括地下水渗流场控制方程、岩体变形场控制方程和温度场控制方程,模型中重点考虑了介质密度随温度和压力变化、源项(包括温度梯度和粘性耗散对多场中水力-力学的影响)等因素;第三,本文通过一维有限Fourier求解、取耦合场中的两场进行算例验证和全耦合场算例验证等三种方式对提出的数学模型进行数值模拟分析及验证,结果证明了模型的合理可行性;然后通过变化参考项对模型进行敏感性分析,说明了模型的适用性。最后,本文运用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics,分别对渗流场-应力场-温度场中的两场和全三场非线性耦合模型进行模拟:分析了两场耦合情况下的渗透固结问题和三场耦合情况下的冷水井采油问题及冻土问题,进一步对岩体三场耦合作用规律进行了研究。
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