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多相耦合管涌机理的研究及有限元模拟

作　者: 马攀
导　师: 胡亚元
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 管涌三相耦合渗流侵蚀自由面有限元
分类号: TV223.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于我国人多水少、水资源时空分布不均、洪涝灾害频繁等诸多因素促使了水利水电工程的大量修建,遍布全国的水利工程使其安全稳定性显得至关重要。管涌是诱发水利险情的一个重要因素,但是由于管涌的随机性和复杂性,对其机理的研究仍存在较大的争议,至今尚无公认的最合适的研究方法和理论,因此研究其发生发展过程及稳定状态具备重要的理论与现实价值。本文基于前人的成果对管涌的发生及发展过程和稳定状态进行理论、试验及数值研究、给出修正的管涌控制方程,并进行了有限元模拟,主要内容包括以下几个方面：(1)搜集国内外相关研究资料,包括理论研究、试验研究和数值模拟,在此基础上对管涌的研究现状进行综述。(2)根据前人研究及管涌特点,假设土体由水相、土骨架相、可动细颗粒相三相组成,基于多孔介质流体动力学建立三相质量守恒微分方程,引入渗流侵蚀本构方程,结合Darcy定律建立未修正的管涌控制方程。根据室内管涌试验总结管涌发生条件、发展及稳定特点,提出起始水力梯度和稳定孔隙率的概念,建立稳定孔隙率和水力梯度之间的关系,并基于此修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立修正的管涌控制方程。(3)将管涌控制方程求解域中的空间域通过Galerkin有限元法进行离散,时间域通过有限差分法进行离散,编制有限元程序,模拟计算油井出砂和其他轴对称管涌问题。(4)坝体管涌为带自由面的渗透侵蚀问题,结合单元传导矩阵调整法和二维管涌控制方程数值模拟有自由面的坝体坝身渗透侵蚀问题,再现坝体管涌的发生发展过程和稳定状态。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 管涌研究现状  11-19
    1.2.1 理论研究  11-16
    1.2.2 管涌的室内试验研究现状  16-18
    1.2.3 管涌数值模拟研究的现状及进展  18-19
  1.3 本文主要研究内容  19-20
第2章三相耦合渗流侵蚀管涌模型  20-38
  2.1 引言  20-21
  2.2 管涌过程中的多场多相耦合机理  21-22
  2.3 模型假设  22-23
  2.4 多场多相祸合的管涌数学模型  23-36
    2.4.1 基本变量及其物理意义  23-25
    2.4.2 质量守恒方程  25-27
    2.4.3 渗流侵蚀本构方程  27
    2.4.4 非均匀介质Darcy定律  27-28
    2.4.5 未修正的管涌控制方程  28-29
    2.4.6 管涌试验及管涌特点  29-35
    2.4.7 修正的管涌控制方程  35-36
  2.5 本章小结  36-38
第3章轴对称管涌有限元分析  38-61
  3.1 引言  38-39
  3.2 有限元方法  39-44
    3.2.1 有限元解题思路  39-40
    3.2.2 单元插值基函数  40-43
    3.2.3 Galerkin加权余量法  43-44
  3.3 Newton-Raphson法  44-45
  3.4 数值求解  45
  3.5 程序设计  45-46
  3.6 轴对称数值计算  46-52
  3.7 数值计算及结果分析  52-59
  3.8 本章小结  59-61
第4章堤坝管涌研究及数值分析  61-98
  4.1 引言  61-62
  4.2 带自由面的二维管涌控制方程  62-67
  4.3 孔隙水压力初始值  67-68
  4.4 渗流控制方程  68-69
  4.5 堤坝自由面求定解条件  69-73
  4.6 程序设计  73
  4.7 计算结果分析  73-90
  4.8 参数分析  90-96
  4.9 本章小结  96-98
第5章结论及展望  98-101
  5.1 主要结论  98-99
  5.2 展望  99-101
参考文献  101-105
作者简历及在学期间所取得的科研成果  105
  作者简历  105
  硕士期间完成的主要学术论文  105

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