1、2014年畢業論文（設計） 單裂隙中紊流條件下溶質運移特征試驗研究 分類號： TV138 2014屆學士學位論文(lnwn)題目(tm)：單裂隙中紊流條件下溶質運移特征(tzhng)試驗研究院 系： 地球科學與工程學院 專 業： 地質工程 方 向： 地下水動力學 姓 名： 李 振 國 學 號： 2010103225 指導老師姓名： 馮 松 寶 指導老師職稱： 講 師 2014 年 5 月 19日 CLC: TV138 The2014Bachelors Degree ThesisTitle: In a single fracture under the condition of turbulen

2、t flow onsolute transport characteristics testDepartment : School of earth Sciences and Engineering Major : Geological Engineering Authors Field : Groundwater Dynamics Writers name : Li Zhenguo Student ID : 2010103225 Instructors name : Feng Songbao Instructors title : Lecturer MAY19 2014摘 要隨著地下水污染的

3、日趨嚴重，污染物在隙介質中的運移研究引成為了中外學者(xuzh)關注的焦點。這一研究不僅對深部地下工程具有重大意義，對水污染的防治也具有特殊意義。單個裂隙在裂隙網絡中占有重要地位，所以對于單個裂隙中水流與溶質運移特征研究具有重要意義。通過對基巖裂隙(li x)地下水流和溶質在裂隙中運移規律的研究(ynji)，對水流與溶質在單裂隙中運移的總結。在室內進行模擬實驗的基礎上，分析水流在單裂隙內（寬度4mm9mm）平均流速、雷諾數以及水力坡度在水流形態為紊流條件下之間的關系。再此基礎上，進一步進行示蹤劑跟蹤試驗，研究單個裂隙內溶質運移特征，通過對流彌散模型方程與單裂隙組成的裂隙網絡模型進行了模擬，此結

4、構對以后研究污染物在地下水中的運移情況具有重要的理論和實踐意義。通過上述實驗、分析、研究得出以下結論：（1）通過試驗得出：水流運動方程是非線性方程，Darcy定律不再適用于單裂隙條件；在流量以及其他條件固定時裂隙寬度對雷諾數的影響很大。（2）水流形態為紊流條件時，非費克運移行為在溶質運移時會出現，此時，單裂隙中溶質運移行為用常規的對流彌散方程解釋遇到困難；（3）建立裂隙網絡內溶質運移模型，分析實驗結果表明所建的裂隙網絡模型的對污染物運移有重大意義，而且通過建立較高精度的實驗模型準確地反映了單個裂隙中溶質運移的基本規律。關鍵詞：單裂隙； 裂隙介質； 紊流； 溶質運移； 對流彌散 ABSTRACT

5、 In recent years, study of water flow and solute transport in the fractured media caused widespread concern of scholars at home and abroad. This research is of important meaning to know the deep underground engineering and water pollution prevention. A single fracture is the basic unit of fracture n

6、etwork, so the development of water flow and solute transport in a single fracture characteristics research of great significance. In this paper, through the study of bedrock fissure groundwater flow and solute transport in the fracture problem, summarizes the flow and solute transport in single fra

7、cture research present situation, through the simulation test in the room, analysis of the flow in a single fracture (width 4mm9mm) average flow velocity, Reynolds number and the hydraulic gradient in the flow pattern for the relationship between turbulent flow conditions. Then the test basis, throu

8、gh the tracer test, studied the solute transport in a single fracture characteristics, and the fracture network model composed of convection dispersion equation with single fracture by solute transport in single fracture is simulated, and the result has important theoretical and practical significan

9、ce.Through experimental analysis, statistical research and verify the model, draw the following conclusions:(1) According to the experimental conditions, the flow equations are nonlinear, Darcys law no longer applies to single fracture conditions. Influence of crack width on the Reynolds number in t

10、raffic and other conditions fixed;(2) The flow patterns for the turbulent flow conditions, non Fickian transport behavior will appear in the solute transport, at this moment, the conventional convection dispersion equation to explain the difficulties encountered by the solute transport in a single f

11、racture behavior;(3) Establishing the fracture network consists of a single crack in the solute transport model, after analysis of the results, show that the precision is higher fracture network model building, basic laws of solute transport in single fracture can be accurately reflect.Keywords：A si

12、ngle fracture； Fissure medium；Turbulent flow；Solute transport； Convection dispersion目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc18893 緒論 PAGEREF _Toc18893 1 HYPERLINK l _Toc6914 選題(xun t)依據以及研究意義 PAGEREF _Toc6914 1 HYPERLINK l _Toc17836 國內外研究(ynji)現狀 PAGEREF _Toc17836 2 HYPERLINK l _Toc20864 本文研究內容及技術路線 PAG

13、EREF _Toc20864 2 HYPERLINK l _Toc5756 1基本概念與方程 PAGEREF _Toc5756 4 HYPERLINK l _Toc10828 1.1 裂隙介質與單裂隙 PAGEREF _Toc10828 4 HYPERLINK l _Toc12802 1.1.1 裂隙介質 PAGEREF _Toc12802 4 HYPERLINK l _Toc20261 1.1.2單裂隙 PAGEREF _Toc20261 4 HYPERLINK l _Toc8668 1.2 單裂隙的水力性質 PAGEREF _Toc8668 4 HYPERLINK l _Toc5762 1

14、.3 紊流及其特性 PAGEREF _Toc5762 4 HYPERLINK l _Toc28826 1.4 對流一彌散方程 PAGEREF _Toc28826 5 HYPERLINK l _Toc32485 1.5 穿透曲線 PAGEREF _Toc32485 5 HYPERLINK l _Toc28729 2單裂隙中紊流條件下溶質運移實驗設計 PAGEREF _Toc28729 6 HYPERLINK l _Toc12752 2.1 實驗裝置簡介 PAGEREF _Toc12752 6 HYPERLINK l _Toc11719 2.2 實驗材料 PAGEREF _Toc11719 6 H

15、YPERLINK l _Toc13152 2.3 實驗原理和實驗步驟 PAGEREF _Toc13152 7 HYPERLINK l _Toc17160 3單個裂隙中的水流性質 PAGEREF _Toc17160 9 HYPERLINK l _Toc19427 3.1 建立的裂隙模型與所得的立方定律 PAGEREF _Toc19427 9 HYPERLINK l _Toc32331 3.2 實驗結果分析 PAGEREF _Toc32331 10 HYPERLINK l _Toc25306 3.3 非線性流動狀態方程 PAGEREF _Toc25306 11 HYPERLINK l _Toc22

16、989 3.4 小結 PAGEREF _Toc22989 11 HYPERLINK l _Toc32580 4溶質運移特征在單裂隙中紊流條件下研究 PAGEREF _Toc32580 12 HYPERLINK l _Toc18273 4.1 溶質運移與流速和裂隙寬度模擬實驗 PAGEREF _Toc18273 12 HYPERLINK l _Toc32560 4.2 分析 PAGEREF _Toc32560 14 HYPERLINK l _Toc14907 4.3 小結 PAGEREF _Toc14907 15 HYPERLINK l _Toc26852 5結論 PAGEREF _Toc268

17、52 16 HYPERLINK l _Toc26625 5.1 結論 PAGEREF _Toc26625 16 HYPERLINK l _Toc17308 參考文獻 PAGEREF _Toc17308 17 HYPERLINK l _Toc32248 致 謝 PAGEREF _Toc32248 18 2014年畢業論文（設計） 單裂隙中紊流條件下溶質運移特征試驗研究 單裂隙(li x)中紊流條件下溶質運移特征試驗研究(地球科學與工程學院10級地質(dzh)工程班) 指導老師：馮松寶緒論(xln)選題依據以及研究意義 “水是生命之源”這句話表明了水在我們自然界中具有重要的作用。但是，隨著社會的發

18、展，人類活動對地下水的影響、污染不斷加重，因此對地下水污染問題，尤其是污染物隨著地下水流運移的問題已成為學術界和社會關注的熱點。對地下水流中污染物的運移規律和機理的研究是重中之重，尤其是對裂隙介質中溶質運移方面研究成果眾多1-3。但是，地下水環境的復雜、，非直觀性給無論理論上還是實驗上的研究帶來巨大困難。孔隙和裂隙中的污染物運移是地下水流污染物研究的主要方向，最早研究的溶質在均質裂隙介質中運移所遵循的規律依據是費克定律(Fick)，并且由實驗結果人們得出對流-彌散方程(ADE)，隨著科學手段、研究方法的進步，人們研究發現物質運移不僅在裂隙介質中不再遵循費克定律(Fick)的現象，在孔隙介質中一

19、樣會發生。因此人們開始提出了“非費克(Non-Fickian)”運移4，對費克定律(Fick)存在質疑，提出了溶質運移可能是時間和距離的函數的假設，屆時溶質運移不能單用速度和溶質運移質量來進行量化。在此同時人們在對以前費克定律(Fick)研究的基礎上，也對非費克(Non-Fickian)運移進行研究5-6。 單個裂隙內溶質運移情況決定著溶質在裂隙網中的運移的趨勢，因此要研究溶質運移特征必須建立在單個裂隙的基礎上。進行實驗時研究溶質在單裂隙中的運移尤為關鍵。對單個裂隙內溶質運移研究的要素可歸納為四個：裂隙，其中包括裂隙寬度、粗糙度等；水流，包括水流的速度、流量、紊流或層流；溶質運移，此因素建立在

20、前兩要素的基礎上；水流和溶質運移與介質之間的關系。在研究裂隙時，應該著重研究裂隙的透水性，包括裂隙的寬度、裂隙面的粗糙度及其空間分布規律。在研究水流時，水的流速和流量是研究的重點。因為裂隙中水的流動直接關系著溶質的運移，所以在研究溶質在裂隙中的運移規律時，應該先研究水在裂隙中的運移、裂隙的性質和其中水的運行控制著溶質在裂隙中的對流、彌散。本文(bnwn)基于對溶質(rngzh)（污染物）在裂隙介質中運移規律的實驗和模擬研究，采用(ciyng)示蹤劑跟蹤實術對水流與溶質在單裂隙中運動特性進行了研究，在與傳統的對流-彌散方程求解結果進行比較的同時，建立紊流條件下單裂隙內的溶質運移特征模型。對于治理

21、和防治地下水環境中的污染物具有重大的實際指導意義，對人們安全使用地下水以及對地下水進行安全評估具有知道意義。國內外研究現狀 在日漸嚴重的水污染中，地下水中的污染物在含水介質中的運移是水污染的關鍵。目前，無論是對溶質在含水介質中的的運移問題的研究手段還是數學模型都已相當成熟。但是對裂隙介質的研究介紹尚處于探索不成熟階段。在對水流與溶質在裂隙中的運移的問題研究時，要重點研究裂隙中水流與溶質的運移規律與模擬方法，以此掌握裂隙和裂隙中的地下水，為減輕水污染提供理論指導。這一課題日前成為關注焦點的原因是由于野外環境的復雜性，決定了地下水及水中的溶質在裂隙介質中的運移規律的復雜性。其中裂隙介質中的污染物運

22、移規律的研究備受關注，尤其是裂隙介質中的Non-fickian運移的問題多次被學者提出。溶質在裂隙介質中運移的研究首先是針對惰性溶質，Taylor在1953年首先發表了單個管道中層流條件下惰性溶質的瞬時擴散模型。1956年Aris7改進了 Taylor的模型，使其對不同結構的裂隙都能適應。基巖裂隙中針對于溶質運移機理的研究相對較少，盡管有相關的工作者進行了大量的實驗，但目前溶質運移的研究仍處于初級階段。所以我們將以實驗為基礎，建立相應的數學模型，對溶質運移機理、在裂隙中運移及其運移過程中受水流的影響做深入的研究。本文研究內容及技術路線 本文在總結前人經驗、技術的基礎上，采用實驗室的單裂隙模型，

23、進行示蹤實驗，并控制不同流速，從而得出水力坡度、水流速度以及示蹤劑在不同裂隙寬度和水流速度下隨時間和空間分布信息，然后得出其變化規律。主演研究內容如下：單裂隙(li x)中水流(shuli)的運動變化在單個裂隙(li x)中的特征通過對單個裂隙中Darcy定律的使用范圍在水流為紊流條件下的研究，來建立溶質運移的單裂隙方程；通過對實驗結果分析裂隙內裂隙寬度、水流速度對水流大小的影響。（2）單個裂隙中溶質隨水流運動的運移的特征在紊流條件下，研究溶質運移特征的穿透曲線，然后通過分析實驗數據建立的對流彌散與實際的偏差，來驗證單裂隙內的溶質在紊流條件下運移特征，建立溶質運移模型。（3）建立單裂隙中紊流條

24、件下溶質運移數學模型。 技術路線： 如圖1所示： 圖1技術路線圖1. 基本概念與方程(fngchng)1.1 裂隙(li x)介質與單裂隙1.1.1 裂隙(li x)介質 地質歷史時期內，經歷過多次而反復的地質作用形成了裂隙巖體，巖體經過地質作用的破壞，內部產生了大量裂隙，并且隨著地質作用的加大，裂隙的結構也變的比較復雜，因此地質運動影響較大的裂隙巖體被工程研究和科學定義上稱為裂隙巖體8。裂隙巖體的成因決定著巖體內部的裂隙寬度、大小等特征，正常形成的巖體內部裂隙不發育，而且透水性不強，研究其中水流運動沒有較大的意義。但是，在對污染物隨裂隙巖體中的水流運動時不可忽略天然裂隙的滲透性。1.1.2單

25、裂隙 地質作用中形成的巖體總體可歸納為三種類型：原生裂隙：即指巖石在呈巖過程中產生的裂隙；構造裂隙：在形成構造的營力作用下產生的裂隙；外營力作用下風化裂隙和卸荷裂隙9形成了次生裂隙。1.2 單裂隙的水力性質前蘇聯學者Jiomoe在1951年開始研究水流在單個裂隙中的運動，在大量實驗的基礎上得到了單裂隙水流運動的立方定律。Gnerti通過實驗分析得出裂隙面導水部分所占比例較小，尤其是在荷載作用下，倒溝槽現象更加顯著。從而對立方定律進行了修正。之后，廣義的立方定律被周創兵和熊文林10等提出提出。由于地質作用形成的巖體滲透系數可以忽略，水僅在裂隙內流動。因此可以把水流運動在裂隙內的運動可分為兩個方面

26、研究，即對層流和紊流進行研究，通過前人的研究，我們發現這兩種運動規律是不同的。Darcy定律是層流時的現象，水頭的損失與水流速度的大小可以總結為線性的，；紊流條件下的水力坡度與流速的關系可以用PForchhcimer公式表示11。Darcy定律(dngl)的公式形式為VKJ式中：V為水流(shuli)平均速度；L為水力坡度：K為滲透系數。1.3 紊流及其特性(txng) 關于紊流的定義，早在1883年雷諾通過實驗就給出了最初定義，他把紊流定義為：紊流中流體質點運動沒有規律可循，并且紊流與層流是互相滲透的。即紊流是水流作復雜無規律的運動。1937年泰勒、1939年Dryden也對紊流進行研究，他

27、們都得出紊流是一種不規則的隨機運動現象，紊流與水流在時間和空間上的分布有關。Hinze也在1975年對紊流運動進行研究，結果不難想象，他得出紊流的結果也是時間和空間的系數。 因此，我們可以得出紊流是一種“不規則”的水流運移特征。而且研究紊流狀態時必須在時間和空間上重點把握。單從時間或者空間的單一方面研究紊流都是不正確的。 1.4 對流一彌散方程 為方便，我們可以去任意流動液體作為坐標0點，同時以把這一點作為一個很小的，有型的六面體進行研究，這一點沿x、y、z軸的分量為x、y和z，選把x軸定義為與0點的平均方向一致，首先來分析這一單元體內的質量守恒12。在很小的t時間該質點內溶質質量隨水流和時間

28、變化為由質量守恒定律結合試驗數據對公式進行數學梳理得出對流彌散程或水動力彌散方程公式右邊后三項為水流運動條件下的溶質隨水流的運移(yn y)項，右端前三項為溶質運移隨水動力彌散項。1.5 穿透(chun tu)曲線 穿透曲線實驗是建立單裂隙水流與溶質運移模型的基礎，對穿透曲線結果的解釋通常用建立組合模型的方法來實現，包含穿透曲線的分布特征(如拖尾、峰值等)。如果曲線擬合僅靠數學手段(shudun)則會導致建立的模型失去物理意義；反之，通過分析物理過程并運用到模型建立中則可以使模型具有實際意義。2. 單裂隙中紊流條件下溶質運移實驗設計工業化的快速發展，地下深層裂隙水受到日趨嚴重的污染。因此裂隙中

29、溶質運移規律受到各國學者的關注。溶質運移機理的理論基礎應該著重對單個裂隙進行研究。溶質運移機理和溶質運移參數的確定應建立在單裂隙中。2.1 實驗裝置簡介 國內外諸多學者進行的溶質運移的實驗，所用的設備試件尺寸都是小規模的，很難測出裂隙中溶質濃度的分布情況。并且實驗裝置內的裂隙寬度是不可更變的，如果想研究多個裂隙內溶質運移，就需要各種實驗裝置分別進行研究。分析了已有實驗裝置的缺陷，本文設計了一種可以對裂隙寬度進行變更的實驗裝置，以便研究各種裂隙寬度線的溶質運移特征的新型實驗裝置。 本裝置是為了分析不同流速與裂隙寬度條件下裂隙中的水力特征，通過從固定的點進行取樣，檢測溶質濃度變化曲線，結合測得的水

30、力條件，得出裂隙中水流狀態，從而研究分析裂隙中的對流擴散機理。然后在實驗的基礎上研究裂隙中溶質運移的規律，計算溶質運移的水動力彌散參數，通過精確分析建立的對流一彌散模型，來檢驗對流彌散方程的適用條件。2.2 實驗(shyn)材料實驗用水：實驗用自來水作為水源，其電導率固定，不需考慮(kol)其對實驗的影響。示蹤劑：選擇合適的示蹤劑是實驗的關鍵。對于示蹤劑的選擇具有(jyu)以下特征。示蹤劑在水中要有易溶解的性質；能夠被準確測定；示蹤劑的濃度應易被檢測到；示蹤劑不與水發生化學反應、在水中不具有揮發性、示蹤劑性質也要穩定，不能在水中發生沉淀現象；通過查閱資料作者了解到液相示蹤劑大致可以分為四類：同

31、位素示蹤劑： 陰、陽離子示蹤劑；染料示蹤劑：醇類示蹤劑； 結合本課題研究情況，本實驗選擇陰、陽離子示蹤劑，選取氯化鈉作為示蹤劑，通過測定氯化鈉的電導率來確定示蹤劑在裂隙內的濃度。主要實驗器材見表2.1。表2.1實驗器材名稱型號備注玻璃轉子流量計LZJ-6常州熱工儀表廠電子天平FA2004N上海精密科學儀器有限公司溫度計精確度為0.1電導率儀DDS-307上海精密科學儀器有限公司注射器5ml、2ml、1ml醫用一次性秒表精確度為0.1秒2.3 實驗原理和實驗步驟實驗的基本原理如下：實驗中，通過調節實驗裝置兩端的進出水來測定裂隙內的水流流量，再在測出裝置兩端的水頭差和記錄裂隙寬度來研究裂隙內的流速

32、大小，并通過記錄的實驗數據得出該裝置中的滲透系數，驗證Darcy定律的使用條件。通過在固定點進行取樣，確定溶質運移的隨時間變化和在空間的分布。然后根據前人總結的水動力彌散方程，建立數學模型得出溶質運移彌散參數。依據(yj)實驗原理，我們給出如下單裂隙中溶質運移的實驗步驟：組裝實驗(shyn)裝置；檢查試驗裝置是否(sh fu)漏水；選擇濃度穩定的示蹤劑，并放在合適的條件下保存；調節實驗裝置兩端的進出水孔，調節裂隙中的水位使其流速穩定，并在記錄本上記錄此時的流量、裝置兩端的水位、水頭差；當實驗裝置兩端的水流、水位不再變化時，我們可以在實驗的進水端加入所選的示蹤劑，同時對實驗進行記錄，確定一個時間

33、段，每到一個時間點從裝置的裂隙中取出一定的試樣，記錄此試樣的編號、進水時注入的示蹤劑濃度以及此時的室內溫。并且在樣品被取出時及時測出電導率；實驗結束后對實驗裝置進行清洗，從而不影響下次實驗。改變裝置內部的裂隙寬度，并檢查實驗裝置是否漏水，排除實驗裝置對實驗的影響。 按照實驗步驟進行實驗相應完成了一次溶質在裂隙內的運移實驗。試驗后通過調節實驗裝置，對實驗裝置中的裂隙寬度進行控制，重復操作實驗步驟即可研究不同水流速度和不同裂隙寬度下的溶質運移實驗規律。3. 單個裂隙(li x)中的水流性質 由于巖體中存在裂隙，導致巖體中的滲流性質與一般多孔介質(jizh)是不同的，其具有復雜性和特殊性。如均勻性、

34、各向異性以及其他與應力有關的性質。 裂隙形成(xngchng)的網絡是是由單個裂隙在相互串連貫通下形成的，地質作用形成的裂隙巖體的滲透性和水流在裂隙中的滲透方向不僅被裂隙網絡的發育的大小、寬度所影響，裂隙網中的單個裂隙的幾何特征也是其重要的制約因素，例如單個裂隙的寬度，裂隙所發育的方向，裂隙表面的粗糙程度和裂隙內部被填充的物質。因此，對單個裂隙內的水力性質進行研究效果的好壞直接影響到我們所要研究的裂隙網中溶質運移的規律。所以我們應該重點把握單個裂隙的水力性質。3.1 建立的裂隙模型與所得的立方定律 法國工程師HDarcy在1856年在研究Dijon城的自來水廠給城市供水系統時，為了解決供水系統

35、的問題，他進行用直立均質的砂柱對供水問題進行模擬實驗。最終在對模擬實驗研究和分析的基礎上他得到Darcy線性滲流定律13。同時他確定如果想把此定律應用到裂隙水流中，其前提條件必須是為層流的水流，其形式為： 式中：K為裂隙(li x)面的滲透系數：b為裂隙寬度：g為重力加速度；為水流(shuli)運動粘滯系數：J為沿裂隙面方向的水力坡度。 之后，為了(wi le)明確Darcy定律的使用的前提條件，以及驗證立方定律的是否正確，中外學者都進行了大量的單裂隙水流模擬性實驗，一致得出立方定律只有在水流為層流的情況下才是正確的。Romm13為了確定立方定律使用時的裂隙寬度的臨界值，也進行了大量的模擬實驗

36、，他通過對0100m的微裂隙和0.2543m極微裂隙進行研究，最后得出提出了立方定律使用時裂隙寬度臨界值為0.2m，裂隙寬度只有在次條件下才能成立。 但是，在我們所研究的范圍內，即使我們忽略裂隙表面的粗糙程度和裂隙中被填充物所充填，我們發現立方定律使用時也是有一定的前提的。因為，在我們所研究的地下水中，水力聯系是錯綜復雜的，特別是在水力聯系條件比較暢通的情況下，水流中的混亂情況比較嚴重，基于這種現實因素，我們將不能使用Darcy定律，同時立方定律也將不再適用與我們所確定的研究條件。在這種情況下，有必要研究骨折在湍流條件下的水力特性。 在國內，地下水在基巖裂隙中的運移規律也被學者們所重視。田開銘

37、等14、速寶玉等15通過大量的實驗，研究裂隙介質中的水力學運移特征，并且在實驗的基礎上進行了詳細的探討。孫峰根等16、羅紹河等17、錢家忠18等也在實驗室對裂隙水在基巖中的運移情況進行了模擬實驗，最終確定了在我們所給定的實驗條件下，裂隙中的水流特征會發生nonDarcy現象。3.2 實驗結果分析 根據(gnj)我們(w men)實驗(shyn)中所要達到的目的，我們既要調整裂隙寬度進行不同裂隙寬度下的溶質運移實驗，也要收集以前的大量相關方面的實驗數據，此時我們才能更準確的把握好地下水在地下基巖裂隙中的運移規律。基于對水流流速與水力坡度的研究，我們得出單個裂隙內的水流流動狀態，如下表3.1，表示

38、在不同水力梯度的情況下對應的不同水流速度。表3.1水力坡度一流速對應表水力坡度0.00260.00200.00100.00050.00160.00260.0006流速cm/s1.2230.9350.61610.38950.79211.1630.4561水力坡度0.00200.00300.00460.00110.00310.00550.0084流速cm/s0.9021.3531.8120.67851.36752.03632.696在水流狀態為層流假設的基礎上，我們再根據前文研究的達西定律的形式v = KJ，擬合實驗中所得到的表中的數據，得出單裂隙下滲透系數的方程為由所成的圖中我們可以得出相關系數

39、擬合值為0.79103，其擬合曲線見圖3.1。圖3.1按Darcy定律擬合所得的水力坡度一流速圖由圖3.1得出結論，在我們所確定的實驗室條件下，達西定律在此并不適應，而此時的水流特征為非線性。所以，我們不能將達西定律應用到當水流狀態為紊流的情況下。由于達西定律在只適用于平面一維、流體為單相層流、而且流體為不可壓縮的情況，通過對實驗中得到的數據總結，并且查閱最新的相關資料，我們總結出在實驗室所確定的實驗條件下，我們需要建立非線性流動方程，用來分析單裂隙中的水力特征。3.3 非線性流動狀態方程 現實中流動的液體是不可壓縮的，而且流體呈線性流動，并在源源不斷，流體是在三維空間中作不規則運動的，流體運

40、移的基本微分方程為上式成立的前提條件必須是Darcy定律能在次實驗中使用，前文通過對實驗數據的建模，查閱相關的文獻資料，我們證實在此實驗裝置所確定的水流動態局限的情況下，我們將不能使用現有的Darcy定律，而且我們實驗中的水流速度v與水力坡度(pd)之間的聯系不再是線性的，因此，我們總結出新的流體運動的非線性基本微分方程上式即為水流在穩定(wndng)狀態下的非線性流動方程。3.4 小結(xioji) 通過我們的實驗，對水流、水力坡度之間的關系進行數據分析，研究了在不同水流速度下水力坡度的變化特征，以及流速與裂隙寬度之間的關系，分析了大哥裂隙中水流流動的變化以及裂隙特征對流速變化的影響，并提出

41、了液體在做非線性流動時的方程，其方程為流體運移連續性方程，得到結論如下：在實驗室所確定的實驗條件下，當液體流動遵循不規則的紊流條件，達西定律將不能使用，液體流動只能遵循我們所總結出的非線性流動方程；根據我們所得出的非線性流動方程，并且通過方程式的數學梳理，我們得到了特殊的非達西運動的液體在流動時的方程，該方程和我們實驗室所測數據吻合度較好，表明在實驗室條件下非達西運動的公式比較適合。4. 溶質運移特征在單裂隙中紊流條件下研究 通過在前文的討論，我們分析了單裂隙中水流的形態，我們對單裂隙中水流運動的特征已有所了解。本章我們將通過調整實驗裝置進行不同裂隙寬度、水流速度的實驗，以獲得突破曲線，并且在

42、分析實驗模型中所擬合的溶質運移曲線與我們慣用的對流彌散方程之間的誤差，確定常用的對流彌散方程是否適合我們實驗室條件下。然后我們再用多個單裂隙組成裂隙網絡，進行實驗室條件下的裂隙網水力條件實驗，從而確定在實驗室的水力條件下單裂隙內的溶質運移模型在水流為紊流狀態下的實際現象。4.1 溶質(rngzh)運移與流速和裂隙寬度模擬實驗 為了達到研究單裂隙中溶質運移的研究目的，按照我們前文中設計的實驗步驟，我們通過調整裝置內的水流(shuli)流量和裂隙寬度下進行了7組示蹤劑實驗，通過實驗測定示蹤劑在樣品中的電導率得出了所選示蹤劑NaCl的濃度值，具體數據見表4.1，并得出圖4.1的穿透曲線。表4.1不同

43、隙寬與水力條件(tiojin)下的穿透曲線濃度表隙寬：9mm；流速：0.6161cm/s；雷諾數：30.1931隙寬：7mm；流速：0.7924cm/s；雷諾數：30.3427隙寬：6mm；流速：0.9020cm/s；雷諾數：20.7010隙寬：4mm；流速：0.6785cm/s；雷諾數：14.9660時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l700.0001550.0001500.0001700.0001830.0001650.000160.850.000180.50.0002960.0004750.00271.70.0077910.00371090.0

44、032850.004482.550.0137101.50.01171220.0076950.008993.40.00961120.01781350.00681050.0078104.250.0051122.50.01671480.00531150.0051115.10.00411330.01021610.00221250.0037125.950.0028143.50.00871740.00171350.0025136.80.00191540.00211870.00161450.0015147.650.0013164.50.00132000.00071550.0013158.50.0017175

45、0.00142130.00061650.0009169.350.0010185.50.00172260.00051750.0011180.20.00051960.00072390.00031850.0008191.050.0008206.50.00032520.00051950.0002201.90.00062170.00022650.00012050.0005212.750.0003227.50.00052780.00022150.0004223.60.00052380.00012910.00032250.0001234.450.0002248.50.00033040.00012350.00

46、03245.30.00012590.00013170.00012450.0001256.150.0001269.50.0001隙寬：4mm；流速：1.3675cm/s；雷諾數：30.1601隙寬：4mm；流速：2.0360cm/s；雷諾數：44.9124隙寬：4mm；流速：2.6962cm/s；雷諾數：59.471時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l250.0001100.0001100.000135.50.000119.050.000218.70.0009460.002628.10.005827.40.024856.50.019937.150.021236.10.01

47、41670.014646.20.010244.80.007277.50.006855.250.006153.50.0044880.004764.30.004162.20.002398.50.003573.350.002270.90.00221090.002482.40.001679.60.0021119.50.00291.450.00188.30.00151300.0016100.50.0017970.0014140.50.0024109.550.0007105.70.00171510.0012118.60.0006114.40.0009161.50.0005127.650.0004123.1

48、0.00071720.0007136.70.0001131.80.0005182.50.0002145.750.0005140.50.00031930.0001154.80.0001149.20.0007203.50.0003163.850.0003157.90.00032140.0001172.90.0002166.60.0001224.50.0001181.950.0001175.30.0002 V=0.6161cm/s,B=9mm V=0.7921cm/s,B=7mm V=0.9020cm/s,B=6mm V=1.3675cm/s,B=4mm V=0.6785cm/s,B=4mm V=2

49、.0360m/s,B=4mm V=2.6962cm/s,B=4mm 圖4.1不同隙寬與水力條件下的穿透(chun tu)曲線從圖4.1中可以(ky)看出，在本文(bnwn)實驗中所確定的不同水力條件下，我們總結出實驗中獲得穿透曲線示蹤實驗有以下特點：實驗中得到的穿透曲線在不同水力條件下均為不對稱的，曲線都是單峰現象，近似數學中的偏正曲線；裂隙寬度增加，曲線的峰值相應減小，流速增大時，曲線的峰值也相應增大；偏正曲線的峰值隨著流速的增加提前達到峰值點；偏正曲線在實驗中均有趨于平緩現象（非費克運移），而且在實驗中較明顯；水流速度的大小決定著偏正曲線的寬度。4.2 分析 從圖4.1可以看出，這對對流的

50、實驗研究通常的溶質的擴散模型通過曲線擬合效果并不理想，特別是當流速較高，測量數據和計算數據偏差很大。從曲線的形狀可以看出，溶質的擴散在軸不對稱，延遲轉發擴散的力量。因為這個實驗在裂縫平滑有機玻璃板，這一現象的原因可能是由于溶質吸附解析的滯后。 在溶質吸附解析和化學反應條件下，低流量條件造成的拖尾現象，而高速水流條件下尾現象的產生是由于液體的紊流狀態的返混現象。在這個實驗中，水的流動形式的非線性流、紊流狀態，因此，突破曲線不對稱和拖尾現象出現在流動的過程中應該解決的原因一定程度的返混。4.3 小結(xioji) 本章討論(toln)了非線性流條件下的溶質運移規律(gul)在單裂隙下的特征。通過觀

51、察示蹤實驗獲得信息由突破曲線形狀，分析了不同因素對溶質運移的影響。 由于試驗中裂隙的壁是光滑的有機玻璃，可以排除吸附、解析因素。首先使用傳統的一維溶質運移的對流彌散方程模型建立了單裂縫，通過分析模擬的結果(特別是高速度)和測量曲線有很大偏差，不能表達出裂縫在空間的混合特征，從而無法解釋穿透曲線出現的非費克的現象，所以只適用于定性描述。同時證實傳統的對流彌散方程不適用于溶質運移模擬紊流條件的模式。5. 結論(jiln)5.1 結論(jiln) 溶質在裂隙中的運移規律與裂隙中的水流運動(yndng)密切相關，要想研究溶質在單裂隙中的運移情況，手相要研究裂隙中的水流運動的規律。本文通過示蹤劑實驗研究分析了水流與溶質在單個裂隙中的運移規律，重點研究了單個裂隙中水流場與溶質化學場的耦合性。通過對實驗的總結，得出以下結論：當水流條件為紊流時，Darcy定律將不再使用，應使用非線性水流方程。通過實驗研究發現，在裂隙較寬的條件下，雷諾數和前人研究的有所差別。原因是雷諾數受裂隙性質影響較大。常規的對流彌散方程僅適用于模擬水流為層流的條件下，當模擬水流為紊流時，其在擬合非線性流時偏差較大不能解釋曲線中出現的非費克運移情況。水流形態影響了穿透曲線的偏正態和非費克運