第44卷 第20期 2017年10月 工程技术 Engineering and Technology 建 筑 技 术 开 发 Building Technology Development
光 滑 单 裂 隙 高 速 非 达 西 流 数 值 模 拟
张 文 娟 ， 张 苏 俊
(扬 州工业职 业技 术 学 院 ，江 苏扬 州 225200)
．， [摘 要 ]为了研究单裂隙中的高速水流运动规律，利用数值模拟建立了不同隙宽下光滑单裂隙中的水流运动 。 针对，临界雷 学警 3 00 ．~ 5 ， 00 ,模拟了低速水流运动，模拟结果表明，运动规律与达西定律相吻合，从而验证了该数值模拟的可靠性；高速下 ， 水力梯度与速度1日J开始偏离线性的达西定律。 [关键词 ]非达西 ；光滑单裂隙 ；数值模拟
[中图分类号 ]Tu 834．3+3 [文献标志码 ]A [文章编号 ]1001—523X (2017)20 — 0086～02
Num erical Sim ulation of H igh-speed Non—Darcy Flow in Sm ooth Single Fissure
Zhang Wen~uan，Zhang Su-jun
【Abstract J n order to study the law of high velocity water flow in single fracture ，numerical simulation was used t0 establish the now of water m aThis paper used numerical simulation method to simulate water flow movement in smooth single fissure of different
w dth，W th the purpose to study the movement law of high—speed water flow in single fissure ． Low．speed water flow movement was simulated for 300—500 critical reynolds number ． The simulation result showed that the movement law complies with Darcv，s law ， which verified the reliability of the numerical simulation；hydraulic gradient and speed started to deviate from the linear Darcy's。law under high
water flow speed．
[Keywords]non．Darcy；smooth single fissure：numerica1 simu!ation
立方定律描述 的是层流状态下的裂隙运动规律，而天然
裂隙中，水流状态不仅是基于达西定律的线性流，此时不能
用立方定律来描述裂隙中的水流运动状态 Ⅲ。本文利用流体
计算分析软件 Fluent建立了数值模型，可以简述为 ：室温下，
自来水 自入口流入，经过裂隙主体的渗流模拟。水流的物理 参数为p=l 000kg／m~,T=IO℃．／z=O．001 Pa．s。
1 数值模型的建立与模拟
本文利用计算流体力学软件 Fluent模拟光滑单裂隙水流
的运动，首先利用 Gambit建立了长 三为0．8m，隙宽 6分别为 2，2．5，3，3．5，4，4．5 ， 5，6，7，7．5，8，9，10，10．5 ， 12，12．5，13。13．5．
14(mm)的二维裂隙模型。 1．1 网格
网格划分是数值模拟的前提，关系到数值模拟结果的正
确性。本文结构模型为规则的四边形，选用 四边形的结构化
网格。
1．2 壁面处理
本文模拟的是高速发展的非达西流，在壁面区域流动情
况比较复杂，在粘性底层，流动状态基本上为层流，湍流应
力在这部分区域不起作用，本文模型简单，采取加强壁面函
数法来提高求解精度，对壁面网格进行了加密 。
1．3 边界条件
本文模拟中主要涉及 以下3类边界条件 。
(1)速度入口边界 ：本文的数值模拟是针对室内试验的
模拟，依据室内试验隙宽的取值，模拟了不 同隙宽下的水流
状态，在不同隙宽下，设置其不同的水力半径。在相同隙宽时 ， 依据相应隙宽下不同压力状态下的室内试验的流量，模拟该
范围内的入 121速度，不同的速度下，设置各 自湍流强度，以
b=8mm为例，参数设置见表 1。
(2)压力出口边界 ：本文模拟的是单裂隙的水流状态，
最终想得到水力梯度与流速间的关系，设置出口压力为0，在
Fluent处理后读出出口压力，即可得到水力梯度。
(3)墙壁边界 ：本文模拟的是光滑单裂隙，将上下边界
设置为壁面 (无滑移面)。
收稿日期 ：2017 6__11 作者简介 ：张文娟 (1989一)，女，江苏江都人，主要研究方向为裂
隙渗流。
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表1 b--8mm速度入口边界参数
入口速度／(m／s) 雷诺数 湍流强度
1 5 6000 0 ． 47466 1．8 7200 0 ． 48560 2 8000 0 ． 49204 2 5 l0000 0 50596
3 12000 0 ． 51762
3．5 14000 0 ． 52769 4 1600o 0 53658
4．5 18000 0 54453
5 20000 0 ． 55175 5．5 22000 0 55837
6 24000 0 56447
表中湍流强度为O．16xRe 。雷诺数充分大，保证单裂隙
间发生高速非达西渗流。
2 数值模拟结果
本文数值模拟了19种裂隙开度的高速非达西流，各种工
况下，压力均沿着速度入 口边界向压力出口边界递减，流速
分布则是中心大，向两壁面递减至0。
首先用达西定律验证 Fluent软件 的适用性，有学者指
出，在纯裂缝介质中临界雷诺数为300～500，参照此范围，以
b=8rnm为例设置其进口速度 (表2)。则该范围内的水流，在
理论上应该是符合达西定律的。
表2 b=8mm低雷诺数下设置的速度
雷诺数 速
光滑单裂隙高速非达西流数值模拟（论文）.pdf
