管道-裂隙-孔隙介质系统中运动学效应、摩擦力和几何特征影响下的渗流机理

Research on the hydrodynamics of flow in a conduit-fracture-porous media system is one of the hot topics in many disciplines, such as hydrogeology, environmental geology, environmental sciences and engineering, petroleum engineering. Up to date, the models describing the conduit flow and the fracture flow in an aquifer generally copy the theories from fluid mechanics fields directly by assuming that the walls of the conduit and fractures are impermeable. However, recent studies have demonstrated that such models could result in great errors, primarily because the walls of the conduit and fractures are usually permeable. To better understand the hydrodynamics of a conduit-fracture-porous media system, we will establish two Combined Discrete-Continuum Approach (CDC) models using laws of mass conservation, energy conservation and momentum conservation, based on the theories of fluid mechanics and well hydraulics. CDC models consider the kinematic effect, the frictional effect, and the geometric effect of the conduit and the fracture. Two CDC models, including Darcy-Weisbach and Navier-Stokes models, will be coupled into the MODFLOW package for numerical simulations. Based on the new CDC models developed in this project, we will combine theoretical analysis, laboratory experiments, and numerical modeling to interpret the influence of different effects on the hydrodynamics of a conduit-fracture-porous media system to advance present knowledge in such systems.

管道-裂隙-孔隙介质系统中的渗流机理一直是水文地质、环境地质、环境科学、石油工程等领域的研究热点之一。目前，在研究管流和裂隙流问题时，通常平移传统流体力学的理论（假设管壁和裂隙面不透水）。然而，最新研究表明这种处理方法可能导致很大误差，其主要原因是含水层中的管道壁和裂隙面均有可能透水。为此，本项目基于流体力学与井流水力学的理论，综合考虑运动学效应、摩擦力及管道和裂隙空间几何特征的影响，采用质量守恒、能量守恒和动量守恒原理，重构两种离散-连续组合（CDC）模型：Darcy-Weisbach模型与Navier-Stokes模型，并将其耦合到MODFLOW平台上实现数值计算。基于重构后的CDC模型，采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的手段，揭示在考虑运动学效应、摩擦力和空间几何特征影响下的地下水渗流机理，为弥补传统渗流理论的不足提供新的理论依据。

在水文地质工程地质、地下水环境、石油地质等领域中，管道-孔隙、裂隙-孔隙或管道-裂隙-孔隙系统十分常见。由于管道或者裂隙的存在，导致地下水流动系统十分复杂，给水资源量、地下水环境问题、地质环境问题、地下生态环境演化问题等的评价带来困难。管道-裂隙-孔隙系统中地下水动力学过程是诸多领域的研究热点，其中孔隙水动力学已趋于成熟，然而，关于管道流和裂隙流的研究多借鉴或平移流体力学中管道流的理论，其中假设管壁和裂隙面是不透水的，且水头损失只考虑了管壁摩擦因素，导致误差较大而不能满足生产或者科研需求，为此，本项目基于流体力学与井流水力学的理论，提出了考虑运动学效应、摩擦力及管道和裂隙空间几何特征等因素的水头损失理论，采用质量守恒、能量守恒和动量守恒原理，重构复杂系统中的地下水动力学模型，并通过室内实验验证了理论的可靠性，最终将其耦合到MODFLOW平台上实现数值计算。结果表明当管道中流速较大且井壁交换量较大时，运动学效应和空间几何特征造成的水头损失比摩檫力大，不能忽略。溶蚀规律对岩溶管道中钙离子浓度和管道半径变化起着控制性作用，当管道中浓度达到转化浓度时，钙离子和半径随时间变化曲线开始变缓。同时，转化浓度对管道水头损失也有影响，溶蚀初期，管道两端流入流量差别较大，呈明显的混合边界特征，受水头损失影响较大，随着溶蚀进行，管道两端流入流量差异变小。在处理管道-裂隙-孔隙系统中的动力学问题时，本研究的相关成果为弥补传统渗流理论的不足提供新的理论依据。