$Experimental and numerical investigations of fluid flow for natural single rock fractures$

Experimental and numerical investigations of fluid flow for natural single rock fractures pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:ProQuest / UMI

作者:Jinyong Park

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2006-03-20

价格:USD 69.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780542321993

丛书系列:

图书标签:

Fluid flow
Rock fractures
Numerical simulation
Experimental study
Hydraulic fracturing
Geomechanics
Poromechanics
Discrete fracture network
Permeability
Transport phenomena

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具体描述

To quantify the roughness of natural rock fracture surfaces, a two dimensional version of the modified divider method was adopted. The parameter <italic> D</italic><sub>r2d</sub> × <italic>C</italic><sub>x</sub> was found to be suitable to quantify the roughness of natural rock fractures. In addition to the mean aperture, a modified 3D box counting method was used to quantify aperture distributions of the same fractures. The modified 3D box counting method produced fractal dimensions in the range 2.3104 to 2.5661. The following new functional relations were developed for aperture parameters: (a) power-functionally decreasing mean aperture with increasing normal stress, (b) power-functionally decreasing 3D box fractal dimension with increasing normal stress, (c) linearly increasing mean aperture with increasing 3D box fractal dimension, (d) linearly decreasing mean aperture with increasing fracture closure, and (e) linearly decreasing 3D box fractal dimension with increasing fracture closure. Fluid flow through nine natural single rock fractures was measured at different normal stresses. The flow calculated for three out of the nine fractures according to sample scale cubic law using mean apertures overestimated the experimental flow by 2.2&sim;235.0 times within a normal stress range of 0&sim;8 MPa. The elementally applied cubic law (EACL) through a finite element model (FEM) also overestimated the experimental flow by 1.9&sim;111.7 times within the same normal stress range. As the normal stress applied on a natural rock fracture increases, the overestimation increases due to increasing contact areas and increasing tortuous behavior of flow. These findings clearly show the inapplicability of the cubic law to estimate flow through natural rock fractures especially under high normal stresses. New hyperbolic functions were developed to relate mean aperture to the power <italic>n</italic> to applied normal stress at both the sample and finite element scales. The following new functional relations were developed between fluid flow rate and the aperture parameters: (a) power-functionally increasing flow rate per unit head with increasing mean aperture, (b) exponentially decreasing flow rate per unit head with increasing fracture closure, and (c) power-functionally increasing flow rate per unit head with increasing 3D box fractal dimension.

复杂介质中的流体动力学：从微观机制到宏观应用引言流体在多孔介质和裂隙岩体中的流动行为是众多科学和工程领域的核心问题。从地下水资源的可持续利用、石油天然气资源的勘探与开发，到地热能的开发、核废料的安全储存，再到地球内部物质的运移，都离不开对复杂介质中流体动力学过程的深入理解。然而，自然界中的岩石并非光滑均匀的介质，而是充斥着各种尺度和形态的裂隙，这些裂隙的复杂性极大地影响着流体的流动路径、速度分布、传质传热效率，甚至引起非线性效应。因此，对自然单裂隙岩体中流体流动进行细致入微的实验和数值研究，对于准确预测和控制相关工程活动至关重要。本书旨在全面探讨自然单裂隙岩体中流体流动的复杂性。我们将深入剖析裂隙壁面的粗糙度、连通性、闭合度等微观特征如何影响流体的宏观流动行为。通过结合先进的实验技术和精密的数值模拟方法，本书将揭示流体在单裂隙中的流动机制，并进一步探讨这些机制在不同应用场景下的潜在影响。本书的内容涵盖了从基础的流动理论到复杂的非线性现象，为读者提供一个系统而深入的学习框架。第一部分：理论基础与实验方法第一章：多孔介质与裂隙流动的基本概念本章将首先回顾流体力学和多孔介质流动的基本原理。我们将介绍达西定律及其适用范围，并探讨层流和湍流的概念。在此基础上，我们将重点阐述裂隙流动的独特性。与均质多孔介质不同，裂隙流动的阻力主要集中在裂隙表面，流体的流动路径也高度依赖于裂隙网络的几何形状。我们将讨论裂隙的参数化描述，例如裂隙宽度、渗透率、孔隙度以及裂隙壁面的粗糙度等。此外，本章还将介绍描述裂隙岩体渗透率的经典模型，例如立方体定律（cubic law）及其局限性，并引出裂隙非线性的概念。第二章：实验技术的挑战与创新对自然裂隙岩体进行精确的实验研究面临诸多挑战。裂隙内部的流动条件往往难以直接观测，同时裂隙的几何形状复杂多变，难以精确复制。本章将详细介绍用于研究裂隙岩体中流体流动的主流实验技术。我们将重点介绍：成像技术：例如X射线计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）和粒子图像测速（PIV）等。这些技术能够非接触式地获取裂隙内部的三维几何信息和速度场分布，是理解流体流动细节的关键。我们将讨论不同成像技术的原理、优缺点以及在裂隙流体流动研究中的具体应用案例，例如如何利用CT扫描重建裂隙的真实三维形貌，以及如何利用PIV技术可视化裂隙内部的流体速度梯度。渗透率测量：介绍不同尺度的渗透率测量方法，包括实验室样品测试和现场试验。我们将讨论如何通过控制实验条件（如施加的压力梯度、流体粘度）来测量裂隙岩体的渗透率，并分析实验过程中可能出现的误差来源。裂隙壁面表征：讨论用于表征裂隙壁面粗糙度和微观几何特征的技术，例如扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及三维激光扫描等。这些技术为理解流体与裂隙壁面的相互作用提供了微观层面的证据。流体类型与性质：讨论不同类型流体（如水、油、气）在裂隙中的流动特性差异，以及温度、压力等条件对流体性质的影响。第三章：单裂隙几何参数与流动特性本章将深入探讨裂隙的几何参数对流体流动产生的直接影响。我们将聚焦于单裂隙模型，这是研究裂隙岩体流动行为的基本单元。裂隙壁面粗糙度：粗糙度是影响裂隙流动最关键的因素之一。我们将通过量化裂隙壁面的粗糙度参数（如均方根高度、自相关长度等）来分析其对流体流动的影响。粗糙的壁面会引入局部阻碍，导致流体的分离、再附着和涡流的产生，从而偏离理想的层流模型。我们将探讨不同粗糙度模式（如随机粗糙、周期性凸起等）对流量-压力关系的影响。裂隙张开度与闭合：裂隙的张开度直接决定了流体的通过能力。我们将讨论在不同围压和孔隙压力作用下，裂隙的张开度如何变化，以及这种变化如何影响渗透率。裂隙的闭合不仅会减小裂隙通道的尺寸，还可能导致流体通道的部分或完全堵塞，产生“通道化”效应。裂隙的连通性：即使是单裂隙，其内部也可能存在不均匀的张开度和局部狭窄或宽阔的区域，这些都会影响流体的流动路径。我们将探讨如何通过实验数据来表征裂隙内部的连通性，以及连通性不均对整体渗透率的影响。裂隙的长径比与形态：裂隙的形状，例如是长条形还是不规则形状，也会影响流体的流动模式。我们将讨论裂隙的长径比（length-to-aperture ratio）对边界效应的影响，以及长而窄的裂隙可能出现的流体分离现象。第二部分：数值模拟方法与模型发展第四章：数值模拟技术在裂隙流动研究中的应用数值模拟是理解裂隙岩体中流体流动不可或缺的工具。本章将介绍用于模拟裂隙流动的主要数值方法。基于连续介质的方法：有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）：介绍这些方法在求解Navier-Stokes方程（或Darcy方程）在裂隙几何域内的应用。我们将讨论如何将复杂的裂隙几何模型离散化，以及如何处理裂隙壁面边界条件。网格生成技术：讨论如何为复杂的裂隙几何生成高质量的计算网格，以及网格分辨率对模拟结果精度的影响。基于离散方法的方法：格子玻尔兹曼方法（LBM）：介绍LBM在模拟复杂几何和非线性流动方面的优势。LBM方法可以有效地处理复杂的边界条件，并且容易并行化，在模拟具有微观特征的裂隙流动方面表现出色。分子动力学（MD）和介观模拟：对于非常精细的裂隙表面微观结构和气体流动，MD和介观模拟方法能提供更深入的洞察，尽管其计算量巨大。模拟软件与框架：介绍常用的商业和开源模拟软件，以及如何利用这些工具进行裂隙流动的模拟。第五章：细观尺度裂隙模型与模拟在细观尺度上，我们关注裂隙内部的局部几何特征如何影响流体流动。离散裂隙模型（DFM）：介绍DFM如何将裂隙网络离散为一系列相互连通的矩形或多边形通道，并赋予每个通道独立的属性（如宽度、长度）。我们将讨论如何从实验数据（如CT扫描）中提取裂隙网络的几何信息，并用于构建DFM。连续介质与离散裂隙模型的结合：探讨如何将DFM与基于连续介质的数值方法相结合，以处理裂隙岩体与连续基岩区域的耦合流动。裂隙面粗糙度的显式模拟：讨论如何直接在数值模型中显式地构建和模拟裂隙壁面的真实粗糙几何。这需要高分辨率的网格，并可能需要采用LBM等方法来捕捉细微的流动结构。我们将展示粗糙壁面如何导致流体在某些区域加速，而在另一些区域减速，并可能形成微观涡流。第六章：非线性流动现象的数值刻画自然裂隙中的流体流动往往表现出非线性行为，这主要由高流速、裂隙几何的复杂性以及裂隙壁面的粗糙度引起。惯性效应与非达西流动：当流速较高时，流体的惯性力变得不可忽略，从而导致流动偏离达西定律。我们将讨论福齐数（Forchheimer number）等参数如何表征非线性效应，并介绍如何在数值模型中捕捉这些效应。湍流模型在裂隙中的应用：探讨适用于裂隙流动的湍流模型，例如RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）模型和LES（大涡模拟）模型，以及它们在模拟裂隙内的湍流结构方面的适用性。流固耦合效应：在某些情况下，流体的压力和速度变化会引起裂隙壁面的变形，反之亦然。我们将讨论如何进行流固耦合模拟，以捕捉这种相互作用对裂隙稳定性和渗透率的影响。第三部分：实验与模拟的验证与应用第七章：实验数据与数值模型的一致性验证本章是本书的核心之一，强调实验与数值模拟之间的相互印证。数据对比与模型校准：详细介绍如何将实验测量的渗透率、速度场等数据与数值模拟结果进行对比。我们将讨论如何通过调整模型的参数（如裂隙几何参数、边界条件、湍流模型参数等）来使模拟结果与实验数据保持一致。敏感性分析：进行敏感性分析，评估不同模型参数对模拟结果的影响程度，从而确定哪些参数对裂隙流动行为起主导作用。不确定性量化：讨论如何量化模型和数据的不确定性，并评估其对模拟结果可靠性的影响。第八章：单裂隙流动在多孔介质中的宏观等效虽然本书聚焦于单裂隙，但理解单裂隙的流动行为对于理解复杂的裂隙网络至关重要。单裂隙模型的宏观贡献：探讨如何将单裂隙的流动规律推广到多裂隙系统中。我们将讨论如何通过统计方法和等效连续介质模型来模拟具有复杂裂隙网络的岩体。裂隙网络模型：介绍裂隙网络模型（FNM）的概念，以及如何利用单裂隙的流动特性来构建和参数化裂隙网络模型。非线性效应在裂隙网络中的传播：分析单裂隙的非线性流动效应如何在更复杂的裂隙网络中累积和传播，以及这会对宏观渗透率和流动行为产生何种影响。第九章：实际应用案例分析本章将展示本书所研究的裂隙流动理论和方法在实际工程领域的应用。地下水水文学：地下水流动模拟：如何利用裂隙流动的知识来模拟地下水的流动路径、速度以及污染物迁移。裂隙含水层的开发利用：分析裂隙岩体中地下水抽取对水文地质结构的影响，以及如何优化开采策略。石油与天然气工程：储层渗透率评估：如何利用裂隙流动的模型来更准确地评估页岩气、致密砂岩等非常规油气藏的渗透率。压裂液注入与渗流：分析人工裂缝在页岩气开发中的作用，以及压裂液在复杂裂缝网络中的注入和渗流行为。地球科学与环境工程：地热能开发：模拟地热流体在裂隙岩体中的循环，以及如何优化换热效率。核废料地质处置：评估裂隙岩体对放射性核素迁移的阻隔能力，以及裂隙流动对处置库安全性的影响。 CO2地质封存：模拟CO2在地层中的注入和在地质介质中的迁移，以及裂隙对封存效率的影响。结论与展望本书通过实验与数值模拟的结合，深入剖析了自然单裂隙岩体中流体流动的复杂性。我们揭示了裂隙几何特征，特别是壁面粗糙度和非均匀张开度，对流动行为的关键影响。同时，我们探讨了非线性流动现象的产生机制，并介绍了相应的数值模拟方法。通过对实验数据的验证和对实际应用案例的分析，本书为理解和预测复杂介质中的流体动力学过程提供了坚实的理论基础和实践指导。展望未来，对裂隙岩体中流体流动仍有许多值得深入研究的方向。例如，如何更准确地捕捉裂隙壁面微观形貌对流体性质（如表面张力、润湿性）的影响；如何发展更高效、更精细的数值模拟方法来处理大规模、高分辨率的裂隙网络；以及如何将多相流、化学反应等更复杂的物理化学过程纳入裂隙流动模型中。随着技术的不断发展，我们有理由相信，对复杂介质中流体动力学的理解将不断深化，为人类社会的可持续发展提供更强有力的支撑。关键词：裂隙岩体、流体流动、实验模拟、数值模拟、壁面粗糙度、非线性流动、渗透率、地下水、石油工程、地球科学。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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从排版和可读性来看，这本书也体现了出版社的专业水准。大量的插图、流程图和三维渲染图，都采用了高分辨率印刷，色彩还原真实，对于理解复杂的空间结构至关重要。尤其值得称赞的是，公式的推导过程被巧妙地安排在侧边栏或单独的附录中，确保了主体文本流畅的阅读体验，避免了因频繁跳转导致的思路中断。作者在总结部分也显得十分老练，没有给出空泛的展望，而是提出了几个极具挑战性的未来研究方向，并明确指出了当前模型存在的局限性。这透露出一种谦逊和对科学未知领域的尊重，让人在合上书本后，依然能感受到思考的余温。总而言之，这是一部集大成之作，它不仅贡献了扎实的科学知识，更传递了一种严谨、务实且富有远见的科研精神。

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这本书的封面设计极具吸引力，那种深沉的蓝色调与岩石的纹理交织在一起，瞬间就将读者的思绪带入了那个神秘而又充满挑战的地下世界。我拿起它，首先感受到的是一种厚重的学术气息，但翻开扉页后，我发现作者的语言风格异常的引人入胜，绝非那种枯燥乏味的教科书式叙述。开篇的引言部分，作者用一种近乎诗意的笔触，描绘了地下流体运动的复杂性和其对地质工程的深远影响，让人忍不住想一探究竟。特别是对“单孔隙岩石裂缝”这一概念的引入，构建了一个清晰的理论框架，为后续深入的实验和数值分析做了完美的铺垫。我特别欣赏作者在介绍背景时所展现出的那种对学科前沿的敏锐洞察力，他巧妙地将宏观的地球物理现象与微观的流体力学原理结合起来，使得即便是对该领域不甚熟悉的新手，也能迅速抓住核心问题所在。整体而言，初读体验令人振奋，它不仅仅是一本技术专著，更像是一次精心策划的科学探索之旅的序章。

评分☆☆☆☆☆

进入数值模拟的部分，这本书的深度和广度才真正展现出来。作者显然对计算流体力学（CFD）有着炉火纯青的驾驭能力。他们所选择和修改的数值模型，考虑到了传统模型中常被忽略的非线性效应和复杂的边界条件。我注意到他们在处理裂缝几何形状的离散化上花费了大量心血，这直接影响了最终结果的准确性。与一些只关注主流软件应用的书籍不同，这本书深入剖析了算法背后的物理意义，例如，作者是如何优化有限元方法的网格划分策略以适应裂缝尖端的应力集中区域的。这种对计算原理的深入挖掘，使得读者不仅能使用结果，更能理解结果的来龙去脉。当我对比了他们模拟的结果与实验数据时，那种高度的一致性带来的震撼感是巨大的，它证明了理论模型在模拟复杂自然现象时的强大力量，也为未来更复杂的地下水文模型开发提供了坚实的算法参考。

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这本书的实验设计部分，简直是教科书级别的典范，它展现了严谨的科学态度和对细节的极致追求。我被作者如何构建那些高精度模拟环境所深深折服。他们所采用的材料、定制的流体介质，乃至温度和压力的控制系统，都体现了作者在实验物理方面的深厚功底。尤其值得称赞的是，作者没有满足于标准的实验室条件，而是通过一系列精妙的变量控制，模拟了自然界中那些极端且难以复现的工况。数据采集的频率和精度也达到了一个令人惊叹的水平，使得后续的分析有坚实的数据基础。我反复阅读了其中关于裂缝表面粗糙度对渗流影响的章节，那里的图表清晰明了，每一个数据点的波动似乎都在诉说着流体在微观尺度上的“挣扎”。这不仅仅是关于“如何做实验”，更是关于“如何以最少的干扰去窥探自然界的真实面貌”的哲学体现，对于希望从事实验科学研究的人来说，是不可多得的宝贵资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书最令人称道的一点是，它成功地架起了理论、实验和实际应用之间的桥梁，避免了许多学术著作常有的“两张皮”现象。作者在分析讨论部分，并未止步于解释数据和模拟的匹配度，而是着眼于这些发现对实际工程问题，如油气开采中的储层评价、地质废弃物处置场地的安全性评估，乃至地下水资源管理的重要性。他们清晰地阐述了，精确掌握单裂缝流体的行为，如何能大幅提高工程预测的可靠性。这种将基础研究的严谨性，与工程实践的紧迫性紧密结合的叙事方式，让阅读过程充满了目标感。读者在学习了复杂的数学和物理概念之后，总能找到一个明确的“落地”点，明白这些知识的价值所在。这使得这本书不仅是研究人员的工具书，对于工程师而言，也是一本提升决策质量的宝典。

评分☆☆☆☆☆