[发明专利]基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法及系统

说明书

本发明公开一种基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法及系统，用于模拟岩溶地区隧洞排水管道岩溶水结晶堵塞过程。该模型能够突破经验公式参数局限性与传统DBL理论模型仅考虑均质流动体系局限的数值量化方法，尝试建立多场耦合的水动力‑化学反应耦合模型来模拟岩溶隧道排水管道结晶堵塞的过程。本发明所提供的方法包括：构建了考虑管道水动力场、浓度场和化学反应场耦合的排水管岩溶水结晶堵塞模型，同时考虑在温度、离子浓度及流速三因素共同作用下的排水管道结晶堵塞的过程，基于水平集方法刻画移动边界位移，进而开展岩溶隧道排水管道结晶堵塞数值模拟。本发明所提供的模拟技术可为岩溶隧道堵塞早期识别与安全评价提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法及系统，属于水文学及水资源技术领域。

背景技术

近年来，我国在岩溶区修建了大量的隧道工程，岩溶地区水文地质条件复杂，隧道渗水、涌水灾害频繁，隧道施工往往需要配套排水系统。目前业内存在诸多种不同形式的隧道防排水设计，然而，无论是何种形式，隧道开挖均改变了岩溶地下水渗流条件，释压和温度的改变导致隧道中出现大量的地下水渗流结晶堵塞排水管道的现象，侵蚀隧道衬砌及支护结构，造成隧道变形、涌水、塌方等工程事故，严重影响隧道工程排水系统维护和隧道运营安全。

然而在实际生产过程中缺乏数值模拟技术对隧道排水管结晶堵塞动态过程预测和精准控制技术的系统研究。排水管结晶堵塞的关键科学问题是研究排水管内的岩溶体系中的水动力特征和反应性溶质运移过程。由于结晶堵塞过程是岩溶地下水中各离子间的复杂的流体运移与化学反应耦合的过程，是一个极其复杂的非线性反应溶质运移体系，包括岩溶地下水渗流过程中岩石孔隙中的渗流动力场、溶质在低渗透非均质介质中弥散场、岩溶地下水与岩石矿物之间的水-岩相互作用以及可溶盐组分的溶解-沉淀过程产生的反应性的化学动力场的多场耦合过程。

研究结晶堵塞过程中复杂的流体运移与地球化学反应耦合过程，进而构建三维岩溶隧道排水系统和反应性溶质运移正是精准刻画结晶堵塞过程中溶解-沉淀的关键技术手段，同时也是实现结晶堵塞精确量化的基础。

发明内容

针对上述现有技术的缺乏，本发明的目的在于提供一种基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法及系统，首先构建了适用于岩溶地区隧道排水管的反应性溶质运移模型，同时考虑在温度、流速及浓度共同作用下的CaCO₃溶解-沉淀过程，然后将其应用于模拟排水管结晶堵塞过程中复杂的渗流-弥散-化学反应多场耦合的非线性反应体系，该发明不仅需要考虑独立过程的复杂性，还要解决各过程之间的耦合关系，进而基于动网格实现排水管结晶堵塞过程的精准模拟与动态调控。

本发明具体采用如下技术方案：基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤SS1：确定各物理场的模型参数，所述模型参数包括：湍流k-ε模型的流体密度、流速、流体粘度、湍流动能、湍流耗散率，化学反应模型的对流传质系数、表面反应速率常数、活化能、饱和浓度，所述动网格方程的法相网格速度、流体速度、移动边界平滑调整参数、曲面梯度算子；

步骤SS2：根据所述步骤SS1收集的模型参数，基于质量和能量守恒原理、湍流方程以建立排水管内的反应性溶质运移方程；

步骤SS3：确定反应性溶质运移模型的初始条件、边界条件、水力参数、源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；

步骤SS4：求解反应性溶质运移模型，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布及溶质浓度的分布；

步骤SS5：在步骤SS4获得的反应性溶质运移模型结果的基础上，根据动网格方程，建立基于动网格的岩溶隧道排水管结晶堵塞数值模型；

步骤SS6：确定所述步骤SS5中的排水管结晶堵塞数值模型的初始条件、边界条件、模型参数及源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；