065三维非线性温度渗流耦合
裂隙岩体温度场—渗流场—应力场耦合问题的近场动力学模拟分析
中文摘要摘要随着国家经济建设的发展，越来越多的岩石工程涉及到多场耦合问题，裂隙岩体温度场-渗流场-应力场的耦合问题已经成为当前岩石工程的研究热点和研究难点。
由于实际岩石工程中裂隙岩体多场耦合作用所处地质环境的复杂性，以及室内试验方法的局限性，数值模拟方法是目前研究裂隙岩体多场耦合作用最有效的手段之一。
近场动力学理论是一种非局部理论，它采用空间积分法描述物质力学行为，在求解不连续问题时能够有效的避免解微分方程而产生的奇异性问题，对于处理材料的不连续问题具有较大的优势，同时由于近场动力学基于非局部理论，能很好的模拟热传导与地下水的渗流问题。
本文根据近场动力学的基本原理，建立了裂隙岩体破裂过程中温度场-渗流场-应力场耦合的数值计算模型，并编制相应的计算程序对该模型进行了验证和分析，论文主要的研究工作如下：①通过在基于键作用的近场动力学理论中引入切向键以模拟材料的剪切变形，从微观机理上完善了基于键作用的近场动力学本构模型，建立了近场动力学微观力学参数与宏观弹性常数之间的关系。
根据近场动力学柯西应力张量，建立了基于非普通状态的近场动力学理论损伤破坏模型，将物质点上的应力转化为键上的应力，并运用最大拉应力强度准则、莫尔-库仑强度准则双剪强度准则来判断键的破坏与否，再将每个物质点上断裂的键的数量与该物质点上包含键的总数的比值作为该物质点的损伤函数。
该模型成功的运用于模拟岩石三维裂纹的起裂、扩展和连接，并且得到了岩石破裂过程的应力应变曲线。
②根据热传导理论，并运用欧拉-拉格朗日方程推导了基于非局部理论的近场动力学热传导方程，建立了近场动力学微导热系数与材料宏观导热系数之间的关系；运用材料的热膨胀特性，将根据近场动力学热传导方程求解出的温度场转换为近场动力学物质点的变形梯度张量，再将变形梯度张量代入非普通状态近场动力学的力状态函数中，从而实现了岩体温度场与应力场的耦合。
③根据达西定律，推导了基于非局部理论的近场动力学渗流基本方程，运用质量守恒原理建立了一维和二维情况下宏观渗透系数与微观近场动力学渗透系数之间的关系。
饱和多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合分析
－
Ｐ ｖ＋ ａ ｄ
ａ ￡
Ｐ １ ３
— …
￡ ａ
Ｔ — 粤挚 — Ｄ Ｄ
Ｄ
一
＝０，
式 中 为与体力及边界条件相关的项 ．
１２ 非等温 孔 隙介质 中单 相流 体 的连续 方程 ．
相对于等温过程孔隙介质 中单相流体的控制方程 ， 在非等温过程情形下 ， 应考虑流体密度 及 固体密度随温度改变的变化． 因而单相流体 的连续方程可写为
不考虑蠕变 ， 非等温过程 中应力 一 应变 的线弹性本构方程为
ｄ － Ｄ ｄ ｄ Ｇ） ｏ ＝ （ ｅ— ｅ 一ｄ ，
式中 ， ＝ ｕ Ｌ 为固体基质的总应变 ； 热应变 为 ｄ； ｍ（ ／ ） Ｔｍ ＝（ ， ， ， ， ， ， ’ 为孔 ｅ＝ ３ ｄ， １ １ １００ ０ ） ；
模型的求解 ， 前人 已做了大量的工作 ， 由于 问题 的复杂性 ， 但 还有许 多工作有待进一步深人 研究． 本文在混合物理论基础上推导 出裂隙岩体等效连续介质 温度场 、 渗流场和应力场三场耦 合的全耦合数学模型及其控制方程 ， 并开发出相应的有限元程序． 由于问题的复杂性 ， 本文在讨 论裂隙岩体 中温度场 、 应力场 、 渗流场的相互耦合作用时作了如下假设 ： １ ）对裂隙岩体进行了等效化处理 ， 将岩体视为饱和多孔介质 ， 仅考虑固液两相作用 ， 不考
关键词 ： 一 一 热 水 应力耦合 ； 饱和孔 隙岩体 ； 数值分析
中图分类号 ：Ｖ ３ ． Ｔ １９ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ％７６ （０ ６ ０ － ４ －８ １０ １２ ２０ ）３０ ６０ ０
引言
天然岩体 中存在大量的孔隙和裂隙 ， 这些缺陷不但 大地改变 了岩体 的力学性质 ， 也严重 影响着岩体的渗透特性及热力学特性． 对岩体而言 ， 其工程特性 决定 于裂隙岩体所处的地质环
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
以下将从模型建立、数值模拟及实例应用等方面对其进行论述。
一、模型建立1.1 温度模型考虑到低温环境下的岩体温度变化，建立了温度耦合方程式，包括岩体内部热平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部温度分布。
1.2 渗流模型在岩体中加入水分后可导致岩体内的渗透性增加，因此需要建立渗流耦合方程式，包括岩体内部水分扩散方程和表面边界条件等，得到岩体内部渗流水压分布。
1.3 应力模型由于冻融环境下温度和水分变化，岩体中的应力状态也会发生变化，考虑到应力涉及到岩体的力学性质，建立了应力耦合方程式，包括岩体内部力学平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部应力分布。
1.4 损伤模型根据岩体断裂的损伤特性，建立了损伤耦合方程式，包括耗能损伤方程和裂纹扩展方程等，得到岩体的损伤特性及破坏状态。
二、数值模拟在建立了岩体的低温冻融条件下的温度-渗流-应力-损伤耦合模型后，进行了数值模拟。
通过数值模拟得到了不同参数情况下的模型响应情况和岩体的损伤状态等，为后面的实例应用提供了重要参考。
三、实例应用本研究将所建立的模型应用于寒区隧道的建设和运营，对隧道的环境适应性、寿命等方面进行了研究。
3.1 隧道建设阶段在隧道建设阶段，岩体的温度、水分等参数的变化会影响到隧道的施工和安全，采用所建立的模型可以对岩体环境进行预测，实现对施工和隧道的安全保障。
3.2 隧道运营阶段在隧道运营阶段，隧道内部的温度、水分等参数的变化也会影响到隧道的运营和安全。
采用所建立的模型，可以对隧道内部的环境进行监测和分析，及时调整运营管理策略，保障隧道的安全和可靠性。
综上所述，低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
FLAC3D渗流说明书(中文版)
FLAC3D流固耦合（手册翻译）1.1简介FLAC3D通过具有渗流性的实体（比如土）来模拟流体的流动。
流动模型的建立可以独立于力学计算而自动完成，或者说可以与力学模型同时建立，这样就可以考虑流体与土体之间的相互作用。
流固耦合的一种类型是“固结”，即:空隙水压力逐渐消散而导致土体的沉降。
这个过程包括两种力学反映：一，空隙水压的改变导致有效应力的变化，这将影响到土体的力学反映（如：有效应力的减小可能导致塑性区的产生）；二，力学实体中某一区域的流动会随着空隙水压的改变而改变。
该程序可以计算完全饱和情况下的流动，也可以模拟具有自由水面的流动。
模拟具有自由水面的流动时，自由水面以上的部分空隙水压等于0，气相将不参与计算。
对于不考虑毛细水压力颗粒较粗的材料可以采用这种模拟方法。
流体计算就有以下特点：1 根据各项同性和各项异性的渗流计算，相应采用两种流体运动定律。
流动中的null材料用来模拟流动范围内的非渗流材料。
2 不同区域可以拥有不同的流动模型（isotropic, anisotropic or null）和模型参数。
3 可以事先指定流体的压力、流量、非渗流区边界条件。
4 流体源可以以电源，也可以以体源的形式插入到材料中，这些源对应于流体的流入或流出，可以随着时间而变化。
5 对于完全饱和流动，可以采用显式和隐式两种算法，但对于非饱和流动则只能采用显示计算。
6 任何力学和温度计算模型都可以与流体模型一起使用，在耦合计算中，可以考虑饱和体的压缩性和热膨胀性。
7.流体与力学计算的耦合通过提供比奥系数来实现。
和不排水温度系数β8．与温度的耦合计算可以通过提供线性热膨胀系数αt（undrained thermal coefficient,可能翻译的不对）来实现。
9.热-流体计算以线性理论为基础，假定材料参数为常数，不考虑对流。
流体与实体的温度保持局部平衡。
非线性行为可以采用FISH语言改变孔隙压力、材料特性来实现。
地下水渗流的固液耦合理论及数值方法
载项中增加载荷项 , 即可完成固液耦合程序 中的流体部分 。
上述公式中 , σij为应力张量 ;p 为孔隙压 力 ;δij 为 Kronecker 函数 ;qi 为渗流速度 ;pij 为 孔隙压 力对 j 坐 标的偏 导数 ;ex , ey , ez , γx , γy , γz 为应变的 6 个分量 ;G 为剪切 模量 ;v
THE SOLID -LIQUID COUPLING THEORY OF THE GROUNDWATER SEEPAGE AND THE NUMERICAL METHOD
Liu Jianjun (Institute of Porous Flow and Fluid M echani cs of Academia Sinica)
Geng Wandong (Institute of Water Conservancy Investigation &Design , Henan Province)
Abstract Combining the seepage mechanics and the elasto -plastic mechani cs , considering the interaction between the groundwater and rock -soil skeletons , the paper establi shes the solid -liquid coupled seepage mathematical model of groundwater f low .Based on the finite element principle, it obtains the computation method and gives the solving method of the coupled model .This possesses important significance for the real simulation of the groundwater seepage conditions. Keywords liquid -solid coupling ;groundwater ;finite element method ;seepage
ANSYS--热力耦合分析单元简介
ANSYS--热力耦合分析单元简介挑选了部分常用的，希望能方便大家的使用，其中自己翻译了一部分，不准确之处还望见谅，大家还可以继续补充哦！：SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
Ansys--热耦合
ansys热力耦合分析单元简介SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
《2024年低渗透非线性渗流规律研究》范文
《低渗透非线性渗流规律研究》篇一一、引言随着能源需求持续增长，低渗透储层因其巨大的开发潜力逐渐成为油气开采的重要领域。
低渗透非线性渗流规律研究是当前石油工程领域的重要课题，对提高采收率、优化开发策略具有重大意义。
本文旨在深入探讨低渗透非线性渗流的基本原理、影响因素及研究方法，以期为相关领域的研究和实践提供理论支持。
二、低渗透非线性渗流基本原理低渗透非线性渗流是指低渗透储层中流体在多孔介质中的流动过程，其流动规律与常规线性渗流存在显著差异。
低渗透储层具有孔隙度小、渗透率低、非均质性强等特点，导致流体在其中的流动表现出明显的非线性特征。
这种非线性渗流规律主要受储层物理性质、流体性质及外部条件等因素的影响。
三、影响低渗透非线性渗流的主要因素1. 储层物理性质：储层的孔隙度、渗透率、孔喉比等物理性质对非线性渗流具有重要影响。
其中，孔隙度和渗透率是决定流体流动能力的主要因素，孔喉比则影响流体的传输效率。
2. 流体性质：流体的粘度、密度、表面张力等性质也会对非线性渗流产生影响。
粘度较大的流体在低渗透储层中流动时，更容易表现出非线性特征。
3. 外部条件：温度、压力等外部条件的变化也会对非线性渗流产生影响。
例如，温度升高可能导致流体粘度降低，从而改变渗流规律。
四、低渗透非线性渗流规律研究方法1. 实验研究：通过室内实验，模拟低渗透储层中的流体流动过程，观察并记录非线性渗流现象，分析影响因素及作用机制。
2. 数值模拟：利用数值模拟软件，建立低渗透储层的地质模型和流体流动模型，通过计算分析非线性渗流规律及影响因素。
3. 理论分析：结合储层物理性质、流体性质及外部条件等因素，建立非线性渗流的数学模型和物理模型，进行理论分析和预测。
五、研究现状及展望目前，低渗透非线性渗流规律研究已取得一定成果，但仍存在诸多挑战和问题。
未来研究方向包括：深入探讨低渗透储层的物理性质和流体性质对非线性渗流的影响机制；优化实验和数值模拟方法，提高研究精度和可靠性；开发适用于低渗透储层的开采技术和策略，提高采收率等。
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1求解步骤
1.1模块挂载
(1)启动SciFEA，选择“工具”—>“模块挂载”菜单弹出如图1-1所
示的对话框，在对话框当中选择“三维非线性温度渗流耦合”。
图1-1 选择项目类型对话框
(2)点击“SciFEA模块挂载”栏中的“三维非线性温度渗流耦合”选项。
如图1-1所示。
(3)点击“确定”按钮完成项目类型的选择。
(4)单击工具条中的按钮弹出如图1-2所示，找到SciFEA下的tempudm 目录，并且选择打开udm.pro文件。
图1-2
(5)点击“打开”按钮之后，弹出如图1-3：
图1-3
(6)最后点击“OK”按钮。
1.2设置材料参数和边界条件
(1)单击工具条中的按钮弹出如图1-4所示材料参数数据输入表格。
图1-4 材料参数输入
（2）单击工具条中的按钮弹数据输入表格。
按照问题描述中的参数依次填入边界条件数据表格。
填写完成后如图1-5所示。
图1-5填写完成扩散边界
2建模、设置材料属性和施加边界条件
(1)启动GID以创建模型。
单击工具条中的按钮弹出如图1-6所示前
处理初始化窗口。
图1-6前处理初始化窗口
2.1建模。
a. 点击菜单【Geometry】-【Create】-【Line】，在命令栏依次输入点坐标，最后得到模型图如1-7所示：
图1-7建成的模型图
b.定义材料特性、施加载荷约束。
点击菜单【Data】-【Conditions】弹出“Conditions”对话框。
①施加载荷。
点击线单元按钮，选中下拉菜单中的“surface-htcn3da”，最后得
到如图1-8所示。
图1-8 施加载荷
②施加载荷。
点击线单元按钮，选中下拉菜单中的“surface-htcn3db”，最后得
到如图1-9所示。
图1-9
③施加载荷。
点击线单元按钮，选中下拉菜单中的“volume-D1htcn3db”，最后得到如图1-10所示。
图1-10
④施加载荷。
点击线单元按钮，选中下拉菜单中的“volume-D1htcn3dc”，最后得到如图1-11所示。
图1-11
⑤施加载荷。
点击线单元按钮，选中下拉菜单中的“volume-aec8”，最后得到
如图1-12所示。
图1-12
需要说明的是，这几步定义材料，施加载荷的操作没有先后顺序要求，但必须保证不能遗漏某个条件的定义。
2.2划分网格和导出数据
(1).划分网格。
点击菜单【Meshing】-【Generate】，要求定义单元尺寸大小，
点击“OK”按钮，此时弹出“Progress in meshing”进度条，网格划分完毕后弹出消息框显示总的单元数和节点数，如图1-13所示。
图1-13 划分网格得到的单元节点信息
点击“OK”按钮后即可得到划分完的网格模型，如图1-14
图1-14网格图
(1)把前处理数据转化为SciFEA所需计算格式。
点击【Files】-【Save】
菜单，保存为GID文件。
点击菜单【Calculate】-【Calculate】，弹出
“process info”消息框，如图1-15所示，点击“ok”按钮，然后退出
Gid，至此前处理工作结束。
图1-15 转化数据消息框
3有限元计算
(1) 单击工具条中的按钮弹出如图1-16所示计算模拟窗口。
图1-16 计算模拟窗口
4结果分析
对计算结果进行分析属于后处理，GID提供了丰富的后处理操作，可以从不同角度，不同方式来输出计算结果。
(1)点击工具菜单中的进入后处理，如图1-17所示。
图1-17 进入后处理结果分析
(2)点击菜单【Files】-【Postprocess】进入后处理程序。
(3)点击菜单【View results】-【Contour fill】-【unoda0】显示的位移云图，如图1-18所示。
图1-18。