文档介绍：浙江大学
博士学位论文
岩土介质渗流以及输运从孔隙尺度到达西尺度的研究
姓名:程冠初
申请学位级别:博士
专业:岩土工程
指导教师:唐晓武
2012-06-02
摘要滚明,颗粒大小对于有效扩散系数影响不显著,而组构以及孔隙比的影响显著。.借助岩土介质是一种遍及于自然界的非均质多孔材料。实体颗粒与孔隙空间的无序分布构成了岩土介质非均质特性的典型要素。与岩土介质相关的渗流以及输运现象是岩土工程学科研究的基础课题之一。目前针对这一课题的主要研究手段是基于唯象的方法论,而唯象研究方法的主要特点是放弃孔隙尺度上的非均质性,单考虑达西尺度上的均质特性。但是从认识事物的本质规律出发,非均质多孔材料在达西尺度上所表现出来的各种特性必定是孔隙尺度上的各种物理过程的本质反映。所以,针对岩土介质渗流以及输运的研究课题,从更为科学的角度出发,应该充分考虑孔隙尺度上的非均质性。这就要求,必须将孔隙的几何结构,以及孔隙空间内发生的物理过程,与达西尺度上的渗流以及输运的均质特性紧密的联系起来。源于上述研究动机,本文以岩土介质为研究对象,借助尺度扩展的数学方法,针对水力梯度驱动下的流体渗流,水力、浓度梯度驱动下的物质输运,以及粘土一水溶液体系的电动现象,展开了从孔隙到达西的尺度扩展的理论和计算工作。针对水力梯度驱动下的流体渗流问题:通过对渗流问题的尺度扩展,给出了渗透率的多尺度计算方法,并数值考察了渗透率的影响因素。结果表明,组构对于各向同性渗透率的影响并不显著,而颗粒大小以及孔隙比的影响却是显著的正相关。借助一个持有特征半径以及相关孔隙比定义的概念性单胞,同时结合反演优化技术,提出一个简单易于操作的岩土介质渗透率的多尺度计算方法,并将该计算方法应用于砂土以及粘土的各向同性煨渗透率的计算。针对水力、浓度梯度驱动下的物质输运问题:通过对扩散型和弥散型传输的尺度扩展,量化了两者界限的理论阀值标准。数值考察了有效扩散系数的影响因素。结果特征底角的概念来考虑组构的影响,给出了岩土介质有效扩散系数的多尺度计算方法,并将之应用于粘土的有效扩散系数的计算。针对粘土一水溶液体系的电动现象问题:,量化了流动电势梯度以及电粘效应的一般计算公式,从而揭示了粘土渗流的胶体科浙江大学博士学位论文摘要
学本质。数值考察了电动直径,表面带电密度各自对于流动电势梯度以及电粘效应的影响,得到了一系列“直观朴素”或者“反直观朴素”的结果,并且借助流动电势梯度和电粘效应的协同分析,在物理上合理的解释了上述“直观朴素”以及“反直观朴素”的结果。借助持有颗粒宽度的一维概念性单胞,同样较好的应用于考虑双电层效应的粘土渗透率的计算。关键词:岩土介质;渗流;输运;电动现象;尺度扩展;双尺度渐进展开浙江大学博士学位论文摘要
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致谢时光荏苒,日月如梭。转眼间,又一次历经毕业。每每毕业,总是与收获喜悦,体会幸福,憧憬未来联系在一起。而此时此景,我能实实在在想到的,却只有两个字一感恩。在我的内心深处,感恩的字眼里承载的内容太多太多,点点滴滴,牢牢地占据我记忆深处的每个角落。深深感谢恩师唐晓武教授对我的谆谆教诲和悉心关怀。在漫长的博士求学路上,他对我的影响是深刻的,并且体现在诸多方面。恩师国际化的视野,精髓的学术,求是的作风,以及阳光的人格,都已深深地烙进了我的心里,并将指引我日后的工作和生活。感谢同门李振泽,罗雪,申文明,王艳,牛辑,以及孙祖峰。与他们的每一次讨论,都让我受益匪浅。感谢室友周雪鑫,徐鸣,张昭时,以及杨世品。浙大玉泉舍芟拢颐堑南处都是美好的回忆。感谢我的女友施波文。这么多年来,她一直伴我左右,经历学业和生活上的酸甜苦辣。她的体贴,支持和包容总是与我的每一次低潮相伴而生。人生道路上有她的相伴,我很幸感谢我的爸爸。他给予我的爱,默默无闻,却寄于无形之中,令我受益终生。一份特别的感恩给予我在天堂里的妈妈。她给予我的爱是世界上最无私最伟大的。她是我赖以存在,学会思考,懂得感恩的唯一理由。她的生命并没有消逝,一直在我的身上福。得以延续。最后感谢各位专家和教授对本文的评阅和指导。程冠初年浙江大学博士学位论文
插图和附表清单图粘性流体力学以及唯象方法的求解域;承粤魈辶ρ蠼庥颍堤宀糠治?帕#空白部分为孔隙空间;ㄏ蠓椒ㄇ蠼庥颉图本文对于岩土介质渗流以及输运课题的理解示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图算例示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图整体结构以及代表性单元体等效渗透率的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯