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非饱和水气两相渗流数值模拟研究及应用

作　者: 刘昌军
导　师: 朱岳明
学　校: 河海大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 水气两相渗流:降雨入渗 饱和-非饱和渗流 耦合模型IMPES求解方法 有限差分 全隐式联立求解 煤层气运移 参数识别 沁水盆地
分类号: TV223.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 8次
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内容摘要


在研究多孔介质中，非饱和带中流体系统的研究在科学和工程研究领域中占着重要的地位，尤其在地下水动力学中，非饱和带更是具有举足轻重的作用，它是联系地表和地下水系统的纽带。随着非饱和研究的不断深入，非饱和渗流也从简单的单相流开始发展到复杂的两相渗流到多相渗流。特别是在岩土工程和水利工程中研究降雨入渗下饱和非饱和水气两相渗流具有重要意义。 本文借助于油气藏领域研究比较完善的水气两相渗流理论和实验成果，推导了水气两相渗流的一般微分方程。详细介绍了水气两相渗流的数学公式及其求解方法。在以往常用的求解方法是IMPES方法(即隐式求解压力，显示求解饱和度)，该方法收敛速度慢，不适合复杂的数值模拟计算。随着计算机速度的不断发展，该方法越来越显的力不从心。本文采用了一种收敛速度快，计算精度高的用于求解水气两相渗流耦合模型的方法—全隐式联立求解方法(即压力和饱和度全部是隐式求出的)，该方法克服了IMPES求解方法的数值弥散问题，实现了模型求解的无条件稳定。 本文上述理论及充分研究降雨入渗机理的基础上，主要从模型的建立、方法的创新等方面对降雨入渗下饱和—非饱和水气两相渗流作了深入的探讨。详细推导了降雨入渗下的饱和—非饱和水气两相渗流耦合数学模型，并对该模型采用了有限差分和全隐式联立求解方法进行了求解。从算例结果可以看出，采用水气两相渗流研究降雨入渗饱和—非饱和渗流更能反映非饱和土体渗流场的变化和入渗机理。 在上述水气两相渗流的数学模型基础上，结合煤层气产出运移原理，建立了煤层气运移产出的两相渗流数学模型。并将该模型用于沁水盆地实际工程中，利用该井的气、水排采资料及井中动液面的观测曲线，通过对气水产量的历史拟合计算，对影响该井煤层气产出的主要参数进行了校正、识别及其灵敏度分析，在此基础上对TL007井不同工况下气水产量进行了预测，取得了良好的效果。

全文目录


中文摘要  5-6
英文摘要  6-10
第一章 绪论  10-16
  1．1 问题的提出及研究意义  10-13
    1．1．1 问题的意义  10-11
    1．1．2 研究现状及问题  11-13
  1．2 水工结构及岩土工程水气二相流研究进展  13
  1．3 本文主要研究内容及研究方法  13-15
    1．3．1 主要研究内容  13-14
    1．3．2 主要研究方法  14-15
  1．4 本章小结  15-16
第二章 渗流的基本理论  16-28
  2．1 单相流的基本理论  16-22
    2．1．1 多孔介质的概念与性质  16-18
    2．1．2 流体的概念与性质  18-20
    2．1．3 渗流基本定律  20-22
  2．2 水气两相流的基本理论  22-27
    2．2．1 基本概念  22-23
    2．2．2 达西定律  23-25
    2．2．3 水气两相渗流一般微分方程  25-27
  2．3 本章小结  27-28
第三章 水气二两相渗流数学模型及其求解  28-55
  3．1 水气两相渗流数学模型的建立  28-30
    3．1．1 水气两相渗流数学模型的控制方程  28-30
    3．1．2 模型的定解条件  30
  3．2 水气两相流的求解  30-54
    3．2．1 全隐式联立求解的基本原理  31
    3．2．2 差分方程的建立  31-45
    3．2．3 参数及边界条件的处理  45-50
    3．2．4 方程组的求解  50-54
  3．3 本章小结  54-55
第四章 降雨入渗下饱和—非饱和水气二相流耦合模型研究  55-81
  4．1 概述  55
  4．2 降雨入渗机理  55-57
  4．3 不相混的水气两相渗流微分方程  57-59
  4．4 考虑降雨入渗水气两相流耦合数学模型分析  59-64
    4．4．1 模型的定解条件  62-63
    4．4．2 模型的数值求解方法  63-64
  4．5 算例  64-80
    4．5．1 算例1  64-68
    4．5．2 算例2  68-74
    4．5．2 算例3  74-80
  4．6 本章小结  80-81
第五章 水气二相流耦合模型在沁水盆地TL007井的应用实例  81-102
  5．1 沁水盆地的地质概况  81-83
  5．2 煤层气运移产出的地质概念模型  83-85
  5．3 数学模型  85-89
  5．4 灵敏度分析  89-94
  5．5 历史拟合  94-97
  5．6 动态预测  97-101
  5．7 本章小结  101-102
第六章 主要结论和展望  102-105
  6．1 主要结论  102-103
  6．2 展望  103-105
参考文献  105-110
攻读硕士期间发表的学术论文和参与的科研项目  110-111
致谢  111

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水工勘测水工设计 > 地基基础及其加固 > 地基渗透计算与试验
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