借助数值模拟分析多孔结构

2016年 5月 31日

储层、水坝、及其他户外结构都必须达到坚固、可靠的要求。压力变化可能会导致这些结构中的多孔材料被损坏,进一步引起流体流动及结构的逐渐垮塌和下沉。借助 COMSOL Multiphysics的多物理场仿真功能和多孔弹性接口,我们可以对多孔材料进行精确分析,以评估和避免这类结构中发生的变形。

研究多孔弹性以建立牢固地基

当您在森林中徒步旅行时,会遇到各种多孔介质:如地基土、岩石,甚至是您自己的生物组织。多孔介质由固体材料构成,被称为多孔基体,其内部包含有孔隙互通的网络结构并填充满流体。我们可以想象一下厨房中吸满了水的海绵,这就是多孔介质的一个例子。

加利福尼亚一湖泊水面上的多孔岩层。
位于加利福尼亚州的莫诺湖(Mono Lake)水面上的多孔岩层。

当多孔基体由固体弹性材料组成,且其内部流体为黏性流体时,这种材料就称为多孔弹性材料。多孔弹性研究已应用于岩土力学中的储层、水坝、及能量桩等结构。比萨斜塔(Tower of Pisa)建造于黏质多孔土壤上,因此成为了一个著名的负面案例。

研究多孔弹性有助于我们预测固体结构中发生的损坏。例如,储层中的流体被泵出时,减小的压力引起了流体运动,进而产生了地应力。该应力使得位于构造上的覆盖层逐渐产生变形,进而导致其中数层结构发生塌陷或下沉。这种渐进变形会随着时间推移愈发严重,最终导致结构完全开裂。

正如我们在这里强调的,多物理场仿真可以让我们深入研究多孔材料在真实条件下的表现,有助于我们解决和预防岩土结构中潜在的变形现象。

利用 COMSOL Multiphysics 分析多孔结构

多孔材料的分析是真正的多物理场问题,需要对流体流动、结构力学及常见传热进行耦合。我们可以借助 Biot 理论来探索多孔弹性涉及的物理场,Biot 理论由以下两种主要物理定律组成:

  • 线性弹性方程描述了多孔基体
  • Darcy 定律描述了穿过基体的流体流动

“地下水流模块”中的多孔弹性耦合涵盖了 Darcy 定律和固体力学的数值耦合。有助于评估流体流动和孔隙压力变化导致多孔介质变形的机理。让我们看看在 COMSOL Multiphysics 中的两个多孔弹性研究实例。

储层中的变形

我们经常需要将储层内的流体泵出,以获取其内部的有用流体,例如石油或水。泵出流体时会导致孔隙压力降低,进而造成周围沉积物下沉。这一过程引发了储层内的竖直固结和横向拉伸。

Biot 固结教学模型中,我们分析了一个储层区域中的流体和固体行为,该储层的结构是在不可渗透的基岩层上有三层沉积层。在我们的模型中,上面两层的厚度相同;底层最深,位于中心线处;基岩层为断层,并形成一个“台阶”。

油贮槽池的图示。
储油层的几何。

利用多孔弹性 接口,我们可以对油藏中的液体流动和固体变形进行双向耦合分析。仿真开始于流体从中心线被泵出,从左侧流向右侧。泵出过程导致油藏中的流体从台阶处被不断抽出。通过仿真结果,我们可以观察到两年、五年、十年之后的各层中的变化及变形。

绘图展示了储层两年后的变形情况。
绘图展示了储层五年后的变形情况。
绘图展示了储层十年后的变形情况。

储层两年(左图)、五年(中图)、十年(右图)后产生的变形。

上图显示了储层中的层状结构通过横向移动来补偿流体泵出过程中的压力变化,这一过程最终导致了构造逐渐变形。

能量桩的性能

传热是在研究多孔材料中的流体流动和结构力学时需要考虑的另一种常见物理现场。能量桩是位于建筑物地基内的换热器,用于高效加热和冷却。能量桩的应用正是多孔基体问题的示例。

图像显示了能量桩的几何。多孔结构的常见应用。
基本能量桩的几何。图像作者为 E. Holzbecher,摘自他在 COMSOL 年会上的投稿论文

在设置能量桩时,地下水可以流经建筑物地基的多孔基体并改变装置周围的温度分布。流体流动也会引起孔隙压力的变化,进而影响下层材料的稳定性。研究团队利用 COMSOL Multiphysics 中的数值模拟功能来探索热效应如何加剧能量桩和周围地面的变形。

多孔结构能量桩的温度分布绘图。
多孔结构能量桩的竖直固结绘图。

多孔结构能量桩模型的温度分布(左图)和竖直固结(右图)。图像作者为 E. Holzbecher,摘自他在 COMSOL 年会上的投稿论文

研究结果表明热应力和热膨胀对能量桩及建筑物结构变形的影响较大,而地下水的流体压缩性能和热学性能对其影响较小,可忽略不计。

我们可以便捷地在 COMSOL Multiphysics 中进行耦合数值研究,这有助于我们全面分析多孔结构并评估多孔材料在真实条件下的表现。进而提升了结构的安全性,同时优化了岩土工程的设计。

学习更多利用仿真分析多孔弹性的知识


评论 (2)

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BO ZHANG
2019-04-19

您好,该模型的MPH文件可否分享一下呢?

wei bao
2019-04-25

这篇博客的模型基于COMSOL年会上的用户论文,您可以联系作者索取模型文件

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