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《渗流_水平井流耦合数学模型和数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第20卷第6期水科学进展Vol20,No62009年11月ADVANCESINWATERSCIENCENov.,2009渗流水平井流耦合数学模型和数值模拟12222董贵明,束龙仓,王茂枚,鲁程鹏,刘丽红(1中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116;2河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098)摘要:在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算
2、表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。关键词:渗流水平井流耦合模型;数值模拟;流态;水头损失;摩擦系数中图分类号:P6412文献标识码:A文章编号:10016791(2009)06083008[1]水平井是指井的透水(气)段滤管呈水平放置的抽(注)流体的集水建筑物,主要应用在世界各地的油藏[23]和天然气开采中。近年来,美国和其
3、他一些发达国家已开始将水平井技术应用到地下水资源开采、地下水[45]污染治理及斜坡排水治理工程等方面,尤其在地下水污染治理工作中(地下水污染物的原位抽吸系统)水平[6]井技术应用十分广泛。水平井水力特征的研究开始于20世纪50年代,研究者利用空间无限点源渗流基本方程,得到有限长度水平井的解析公式,公式未考虑水平井中的流动对地下水渗流场的反作用及水平井中的流态,更未进行渗流与水[67][89]平井流的耦合求解。陈崇希等提出使用等效渗透系数方法进行渗流管流的耦合计算方法,是目前进行[1015]渗流管流计算的主要方法,在国内外得到了较广泛的应用。等效渗透系
4、数法是通过达西魏斯巴赫方程将渗流和水平井流使用统一的孔隙介质渗流方程进行描述并求数值解的一种方法。达西魏斯巴赫方程适用于侧[16]壁无流入(流出)的明渠水流或管流,在水平井内流体流动过程中,不断有流体流入(流出),这必将引起摩擦系数的变化,摩擦系数的计算也就不能完全依赖于达西魏斯巴赫方程,应考虑流体流入(流出)时产生的混合水头损失对摩擦系数的影响,陈崇希等在计算中并未考虑这种影响。最近几年,石油开采工程研究者已经注意到了水平井内流体运动的水头损失除了常规的沿程损失和加速损失之外,还有流入水平井的流体与水平井内的流体在混合的时候产生的混合水头损失,并进行了试
5、验和数值模[1719]拟研究。由于混合水头损失的存在,研究者认为应该对常规管流的摩擦系数进行修正,主要采用修正系[2021]数和修正公式两种方法,修正系数主要分为小于1的修正系数和大于1的修正系数;修正公式方法是在一定试验条件下得出的经验公式。摩擦系数进行修正后,就可以不考虑混合水头损失的影响了。对摩擦系数进行修正的数值模拟研究大都是针对单个水平井,很少有对渗流和管流进行耦合研究,并且缺乏对不同修正方法的对比分析。针对渗流水平井流模拟时存在混合水头损失问题,本文在有侧向流入(流出)的水平井流运动模型的基础上,建立了渗流水平井流耦合数学模型,并且在水平井内
6、是层流、光滑紊流、粗糙紊流和层流光滑紊流流态收稿日期:20080904基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2006CB403204)作者简介:董贵明(1979-),男,黑龙江佳木斯人,博士,主要从事地下水资源评价与管理、地下水与生态环境研究。Email:guiming14432@126com第6期董贵明,等:渗流水平井流耦合数学模型和数值模拟831时,通过编制的程序进行了稳定流时的渗流水平井流耦合数值计算研究,对常用的摩擦系数修正方法进行了对比分析。1渗流水平井流耦合数学模型在建立渗流水平井流耦合数学模型之前,首先推导有侧
7、向流入(流出)水平井流数学模型,在推导过程中假设:流体为不可压缩常密度牛顿流体;水平井中流体的流动为一维承压流动;管径不变。图1是长度为x的侧向有流体流入的水平井模型简图。图1中,U1、U2为水平井两个断面的平均流速;P1、P2为水平井两个断面的压强;为壁面剪切应力;q为单位长度水平井上流体流入量;根据质量守恒原理,可得到x长度水平井的连续性方程A(U2-U1)=xq(1)式中为流体密度。令x0,则式(1)变成水平井流连续性微分方程UAx=q(2)图1有侧向流入的水平井流模型简图Fig1Schematicofhorizontalwe
8、llmodelwiths
