一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法及系统

本发明属于注浆模拟相关，尤其涉及一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、近年来，隧道建设逐渐向地质条件复杂的西部山区与岩溶地区转移，施工面临着高地温、强岩溶等复杂环境，突水突泥灾害日趋严重，成为隧道安全建设的巨大挑战。在富水地层通过注浆进行堵水，是治理突水突泥灾害的重要技术手段之一。由于西部地区裂隙发育，流体携带物质进入并沉积在裂隙中，形成了充填裂隙。受高地温影响，在对充填裂隙进行注浆时，浆液和充填物的两相流体的流动性和渗透性可能会发生变化，从而影响注浆效果。为此，需要建立一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，为高温堵水注浆工程的浆液选型、浆液配比、注浆参数优化等提供一定程度的指导，以便在充填裂隙施工中取得更好的注浆效果。

3、然而，针对高地温施工环境的注浆模拟方法，目前多集中在裂隙介质，假定裂隙面光滑且无充填物，并未考虑充填物对浆液流动的影响，导致模拟结果的准确性降低，并不能真实描述浆液在充填裂隙中的实际流动状态。此外，目前的研究多集中于对室温环境下注浆模拟，对于高地温环境下的注浆工程，研究还相对较少，然而，温度会改变浆液的粘度，从而影响最终的堵水效果，现有的模拟方法并未充分考虑以上因素。因此，急需一种既考虑温度影响，又考虑充填裂隙介质特性的注浆模拟方法。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法及系统，根据浆液和充填物的力学规律，结合温度方程和时空追踪模型计算浆液温度和浆液传输时间，融合浆液粘度时变模型对高温充填裂隙注浆过程中浆液粘度随时间和温度变化规律的数值模拟，从而实现考虑温度对充填裂隙注浆过程影响的数值模拟。

2、为实现上述目的，本发明的第一个方面提供一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，包括：

3、构建充填裂隙注浆模型，并初始化充填裂隙注浆模型浆液的速度场、压力场和粘度场，以及充填物的速度场、压力场和粘度场；

4、根据上一注浆时间步的浆液和充填物的速度场和压力场，以及浆液和充填物的相分数，迭代计算，迭代至收敛，得到当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速；

5、根据当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速，构建温度方程和时空追踪模型，得到当前注浆时间步的浆液温度和浆液传输时间；

6、构建浆液粘度时变模型，根据当前注浆时间步的浆液温度和浆液传输时间，以及所构建的浆液粘度时变模型，得到当前注浆时间步的浆液粘度；

7、直至达到最终注浆时间步，以完成充填裂隙注浆模拟。

8、本发明的第二个方面提供一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟系统，包括：

9、初始化模块：构建充填裂隙注浆模型，并初始化充填裂隙注浆模型浆液的速度场、压力场和粘度场，以及充填物的速度场、压力场和粘度场；

10、压力与流速模拟模块：根据上一注浆时间步的浆液和充填物的速度场和压力场，以及浆液和充填物的相分数，迭代计算，迭代至收敛，得到当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速；

11、浆液温度模拟模块：根据当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速，构建温度方程和时空追踪模型，得到当前注浆时间步的浆液温度和浆液传输时间；

12、浆液粘度模拟模块：构建浆液粘度时变模型，根据当前注浆时间步的浆液温度和浆液传输时间，以及所构建的浆液粘度时变模型，得到当前注浆时间步的浆液粘度；直至达到最终注浆时间步，以完成充填裂隙注浆模拟。

13、本发明的第三个方面提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法。

14、本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法。

15、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

16、在本发明中，构建充填裂隙注浆模型，利用基本方程计算出两相流体的速度场、压力场，融合温度方程和时空追踪模型计算出浆液的温度场、时间场和粘度场，从而实现考虑温度对充填裂隙注浆过程影响的数值模拟。

17、在本发明中，基于流体体积法，通过对相分数方程求解，得到两相流体的体积分数，通过联立相分数方程和动量方程，得到两相流体的压力场，通过对动量方程的求解，得到两相流体各自的速度场，从而刻画两相流体的扩散形态，更准确地描述两相流体在充填裂隙中的运动基本力学规律。

18、在本发明中，针对高地温施工环境的注浆堵水工程，开展不同温度、不同配比的浆液粘度试验，拟合出高温环境下不同配比的浆液粘度时变模型，利用温度方程和时空追踪模型计算出浆液的温度场和时间场，从而映射出浆液的粘度，实现在高地温施工环境下对浆液和充填物粘度的模拟，模拟结果可为高地温施工环境下充填裂隙堵水注浆工程一定程度的指导。

19、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，根据初始流场，通过相分数方程求解出浆液和充填物两相的相分数；根据浆液和充填物的相分数，通过相分数方程和动量方程，得到注浆压力；考虑浆液和充填物的相互影响，根据浆液速度求出充填物流速，根据充填物流速求出浆液速度；迭代计算直至收敛，得到当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速。

3.如权利要求2所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，构建浆液和充填物的两相流的动量方程，基于初始化的浆液速度，通过所述动量方程求解充填物流速，根据充填物流速求解浆液速度，迭代计算直至收敛，完成浆液和充填物的两相流场模拟。

4.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，测试不同温度下、不同配比的浆液粘度随时间和温度变化的规律，拟合出温度影响下浆液粘度时变模型。

5.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，考虑充填物和被注浆液之间的导热，根据充填裂隙注浆模型初始化的温度场，构建温度方程。

6.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法，其特征在于，假定被注裂隙为均一的、恒定的介质，构建充填裂隙注浆模型。

7.一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟系统，其特征在于，在所述压力与流速模拟模块中，根据初始流场，通过相分数方程求解出浆液和充填物两相的相分数；根据浆液和充填物的相分数，通过相分数方程和动量方程，得到注浆压力；考虑浆液和充填物的相互影响，根据浆液速度求出充填物流速，根据充填物流速求出浆液速度；迭代计算直至收敛，得到当前注浆时间步的浆液速度、注浆压力和充填物流速。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至6任一项所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至6任一项所述的一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法。

技术总结
本发明提出了一种考虑温度效应的充填裂隙注浆模拟方法及系统，基于充填裂隙的特点，假定浆液和充填物是两种密度不同、粘度不同的两种流体且被注裂隙为均一的、恒定的介质，研究浆液和充填物在裂隙中的两相流动，利用基本方程计算出两相流体的速度场、压力场，融合温度方程和时空追踪模型计算出浆液的温度场、时间场和粘度场，从而实现考虑温度对充填裂隙注浆过程影响的数值模拟。

技术研发人员：潘东东,胡安栋,卜泽华,李轶惠,徐为家,卜凡林,许振浩
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17