多孔介质中水-气二相流固耦合模型：理论与应用验证

本文主要探讨了多孔介质中水-气二相流与固体结构的耦合模型，由孙冬梅教授作为主要研究者进行的研究工作。这项研究基于松弛耦合原理，将流体力学软件TOUGH2/EOS3用于模拟水-气二相渗流过程，这是一个关键的数值模拟工具，用于处理复杂的两相流现象，如水和气体在多孔介质中的交互行为。同时，FLAC3D被用来模拟水-气二相渗流对土壤或岩石结构产生的力学响应，包括土体的变形和应力分布。 研究的核心是揭示了水饱和度、密度与孔隙水压力和气压力与有效应力之间的耦合关系，以及体积应变与孔隙率、孔隙率与固有渗透率、以及孔隙率与毛细压力之间的动态联系。这些耦合关系式对于理解和预测复杂多相流在固体介质中的行为至关重要。为了实现这种耦合，孙冬梅教授开发了一套C++程序，将TOUGH2和FLAC3D集成起来，确保在流固耦合过程中数据的传递和模型的同步运行。 模型的有效性得到了现场压气试验的验证。通过对比模拟得到的地面高程变化量和空气损失速率与实际测量数据，模型的准确性得到了证实。这一研究对于理解饱和-非饱和条件下的地下水管理和地质灾害预防具有重要意义，特别是在处理如天然气开采、地下储气库、土壤侵蚀等领域的问题时，能够提供更为精确的预测和决策支持。 本文不仅提出了一个创新的水-气二相流-固耦合模型，还展示了如何将理论与实践相结合，通过数值模拟技术解决实际工程问题。这项工作不仅对学术界有深远影响，也为工程技术人员提供了实用的工具，推动了多孔介质中复杂流体力学现象的深入研究。