飽和多孔介質(zhì)頂蓋驅(qū)動方腔流動量傳遞分析

楊多興 薛自求 Simon A Mathias

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2）日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機構(gòu)，日本京都 619-0292

3）英國達拉莫大學(xué)地球科學(xué)系，英國

本文以經(jīng)典的孔隙介質(zhì)頂蓋驅(qū)動方腔流動為研究對象，完善流體動量傳遞機制，發(fā)展高精度數(shù)值模擬技術(shù)，分析流體動量傳遞特征及其主要控制因素。

論文考慮了流體與固體之間的動量傳遞（Forchheimer效應(yīng)）與孔隙壁面粘性剪切效應(yīng)（Brinkman效應(yīng)），改進了飽和多孔介質(zhì)流體動量傳遞機制，首次解決了傳統(tǒng)模型導(dǎo)致流體動量偏高問題?？紫督橘|(zhì)頂蓋驅(qū)動方腔流動問題為非線性不可壓縮粘性流動，不可壓縮粘性流動數(shù)值計算的關(guān)鍵是如何解決壓力與速度的耦合（流動剛性）問題。該論文借助人工壓縮思想，改進了雙時間步隱式預(yù)處理方法，使得不可壓縮粘性流動拋物-橢圓型控制方程具有雙曲型性質(zhì)，解決了流動剛性問題。

傳統(tǒng)的數(shù)值方法（如有限體積法、攝動有限差分法、Lattice Boltzmann方法等）不能保證非線性物理量在時間和空間同時守恒，數(shù)值耗散效應(yīng)大，甚至出現(xiàn)非物理振蕩。該論文基于改進的預(yù)處理技術(shù)，為多孔介質(zhì)流動發(fā)展了帶有源（匯）項的二維、三維高精度時空守恒元與解元（The Space and Time Conservation Element and Solution Element method，CE/SE）方法。改進的CE/SE算法把時間和空間統(tǒng)一起來同等對待，并利用守恒型積分方程通過解元和守恒元使局部和整體都嚴(yán)格滿足守恒律與熵條件，CE/SE算法把流場變量及其對空間偏導(dǎo)數(shù)都作為獨立變量同時求解，確保計算的高精度。

孔隙介質(zhì)頂蓋驅(qū)動方腔流動數(shù)值分析結(jié)果表明，達西數(shù)對多孔介質(zhì)流體動量傳遞和流態(tài)起控制作用，影響方腔中渦流的強度和結(jié)構(gòu)。方腔中關(guān)聯(lián)渦流之間存在強烈的剪切層，削弱了頂蓋驅(qū)動的能量向方腔深部的傳遞。該研究成果可用于解釋深部流體在地震孕育、觸發(fā)和斷裂活動過程中的作用機制，以及石油與天然成藏機理等方面。