单裂隙中紊流条件下溶质运移特征试验研究(共24页)

1、2014年毕业论文（设计） 单裂隙中紊流条件下溶质运移特征试验研究 分类号： TV138 2014届学士学位论文(lnwn)题目(tm)：单裂隙中紊流条件下溶质运移特征(tzhng)试验研究院 系： 地球科学与工程学院 专 业： 地质工程 方 向： 地下水动力学 姓 名： 李 振 国 学 号： 2010103225 指导老师姓名： 冯 松 宝 指导老师职称： 讲 师 2014 年 5 月 19日 CLC: TV138 The2014Bachelors Degree ThesisTitle: In a single fracture under the condition of turbulen

2、t flow onsolute transport characteristics testDepartment : School of earth Sciences and Engineering Major : Geological Engineering Authors Field : Groundwater Dynamics Writers name : Li Zhenguo Student ID : 2010103225 Instructors name : Feng Songbao Instructors title : Lecturer MAY19 2014摘 要随着地下水污染的

3、日趋严重，污染物在隙介质中的运移研究引成为了中外学者(xuzh)关注的焦点。这一研究不仅对深部地下工程具有重大意义，对水污染的防治也具有特殊意义。单个裂隙在裂隙网络中占有重要地位，所以对于单个裂隙中水流与溶质运移特征研究具有重要意义。通过对基岩裂隙(li x)地下水流和溶质在裂隙中运移规律的研究(ynji)，对水流与溶质在单裂隙中运移的总结。在室内进行模拟实验的基础上，分析水流在单裂隙内（宽度4mm9mm）平均流速、雷诺数以及水力坡度在水流形态为紊流条件下之间的关系。再此基础上，进一步进行示踪剂跟踪试验，研究单个裂隙内溶质运移特征，通过对流弥散模型方程与单裂隙组成的裂隙网络模型进行了模拟，此结

4、构对以后研究污染物在地下水中的运移情况具有重要的理论和实践意义。通过上述实验、分析、研究得出以下结论：（1）通过试验得出：水流运动方程是非线性方程，Darcy定律不再适用于单裂隙条件；在流量以及其他条件固定时裂隙宽度对雷诺数的影响很大。（2）水流形态为紊流条件时，非费克运移行为在溶质运移时会出现，此时，单裂隙中溶质运移行为用常规的对流弥散方程解释遇到困难；（3）建立裂隙网络内溶质运移模型，分析实验结果表明所建的裂隙网络模型的对污染物运移有重大意义，而且通过建立较高精度的实验模型准确地反映了单个裂隙中溶质运移的基本规律。关键词：单裂隙； 裂隙介质； 紊流； 溶质运移； 对流弥散 ABSTRACT

5、 In recent years, study of water flow and solute transport in the fractured media caused widespread concern of scholars at home and abroad. This research is of important meaning to know the deep underground engineering and water pollution prevention. A single fracture is the basic unit of fracture n

6、etwork, so the development of water flow and solute transport in a single fracture characteristics research of great significance. In this paper, through the study of bedrock fissure groundwater flow and solute transport in the fracture problem, summarizes the flow and solute transport in single fra

7、cture research present situation, through the simulation test in the room, analysis of the flow in a single fracture (width 4mm9mm) average flow velocity, Reynolds number and the hydraulic gradient in the flow pattern for the relationship between turbulent flow conditions. Then the test basis, throu

8、gh the tracer test, studied the solute transport in a single fracture characteristics, and the fracture network model composed of convection dispersion equation with single fracture by solute transport in single fracture is simulated, and the result has important theoretical and practical significan

9、ce.Through experimental analysis, statistical research and verify the model, draw the following conclusions:(1) According to the experimental conditions, the flow equations are nonlinear, Darcys law no longer applies to single fracture conditions. Influence of crack width on the Reynolds number in t

10、raffic and other conditions fixed;(2) The flow patterns for the turbulent flow conditions, non Fickian transport behavior will appear in the solute transport, at this moment, the conventional convection dispersion equation to explain the difficulties encountered by the solute transport in a single f

11、racture behavior;(3) Establishing the fracture network consists of a single crack in the solute transport model, after analysis of the results, show that the precision is higher fracture network model building, basic laws of solute transport in single fracture can be accurately reflect.Keywords：A si

12、ngle fracture； Fissure medium；Turbulent flow；Solute transport； Convection dispersion目录(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc18893 绪论 PAGEREF _Toc18893 1 HYPERLINK l _Toc6914 选题(xun t)依据以及研究意义 PAGEREF _Toc6914 1 HYPERLINK l _Toc17836 国内外研究(ynji)现状 PAGEREF _Toc17836 2 HYPERLINK l _Toc20864 本文研究内容及技术路线 PAG

13、EREF _Toc20864 2 HYPERLINK l _Toc5756 1基本概念与方程 PAGEREF _Toc5756 4 HYPERLINK l _Toc10828 1.1 裂隙介质与单裂隙 PAGEREF _Toc10828 4 HYPERLINK l _Toc12802 1.1.1 裂隙介质 PAGEREF _Toc12802 4 HYPERLINK l _Toc20261 1.1.2单裂隙 PAGEREF _Toc20261 4 HYPERLINK l _Toc8668 1.2 单裂隙的水力性质 PAGEREF _Toc8668 4 HYPERLINK l _Toc5762 1

14、.3 紊流及其特性 PAGEREF _Toc5762 4 HYPERLINK l _Toc28826 1.4 对流一弥散方程 PAGEREF _Toc28826 5 HYPERLINK l _Toc32485 1.5 穿透曲线 PAGEREF _Toc32485 5 HYPERLINK l _Toc28729 2单裂隙中紊流条件下溶质运移实验设计 PAGEREF _Toc28729 6 HYPERLINK l _Toc12752 2.1 实验装置简介 PAGEREF _Toc12752 6 HYPERLINK l _Toc11719 2.2 实验材料 PAGEREF _Toc11719 6 H

15、YPERLINK l _Toc13152 2.3 实验原理和实验步骤 PAGEREF _Toc13152 7 HYPERLINK l _Toc17160 3单个裂隙中的水流性质 PAGEREF _Toc17160 9 HYPERLINK l _Toc19427 3.1 建立的裂隙模型与所得的立方定律 PAGEREF _Toc19427 9 HYPERLINK l _Toc32331 3.2 实验结果分析 PAGEREF _Toc32331 10 HYPERLINK l _Toc25306 3.3 非线性流动状态方程 PAGEREF _Toc25306 11 HYPERLINK l _Toc22

16、989 3.4 小结 PAGEREF _Toc22989 11 HYPERLINK l _Toc32580 4溶质运移特征在单裂隙中紊流条件下研究 PAGEREF _Toc32580 12 HYPERLINK l _Toc18273 4.1 溶质运移与流速和裂隙宽度模拟实验 PAGEREF _Toc18273 12 HYPERLINK l _Toc32560 4.2 分析 PAGEREF _Toc32560 14 HYPERLINK l _Toc14907 4.3 小结 PAGEREF _Toc14907 15 HYPERLINK l _Toc26852 5结论 PAGEREF _Toc268

17、52 16 HYPERLINK l _Toc26625 5.1 结论 PAGEREF _Toc26625 16 HYPERLINK l _Toc17308 参考文献 PAGEREF _Toc17308 17 HYPERLINK l _Toc32248 致 谢 PAGEREF _Toc32248 18 2014年毕业论文（设计） 单裂隙中紊流条件下溶质运移特征试验研究 单裂隙(li x)中紊流条件下溶质运移特征试验研究(地球科学与工程学院10级地质(dzh)工程班) 指导老师：冯松宝绪论(xln)选题依据以及研究意义 “水是生命之源”这句话表明了水在我们自然界中具有重要的作用。但是，随着社会的发

18、展，人类活动对地下水的影响、污染不断加重，因此对地下水污染问题，尤其是污染物随着地下水流运移的问题已成为学术界和社会关注的热点。对地下水流中污染物的运移规律和机理的研究是重中之重，尤其是对裂隙介质中溶质运移方面研究成果众多1-3。但是，地下水环境的复杂、，非直观性给无论理论上还是实验上的研究带来巨大困难。孔隙和裂隙中的污染物运移是地下水流污染物研究的主要方向，最早研究的溶质在均质裂隙介质中运移所遵循的规律依据是费克定律(Fick)，并且由实验结果人们得出对流-弥散方程(ADE)，随着科学手段、研究方法的进步，人们研究发现物质运移不仅在裂隙介质中不再遵循费克定律(Fick)的现象，在孔隙介质中一

19、样会发生。因此人们开始提出了“非费克(Non-Fickian)”运移4，对费克定律(Fick)存在质疑，提出了溶质运移可能是时间和距离的函数的假设，届时溶质运移不能单用速度和溶质运移质量来进行量化。在此同时人们在对以前费克定律(Fick)研究的基础上，也对非费克(Non-Fickian)运移进行研究5-6。 单个裂隙内溶质运移情况决定着溶质在裂隙网中的运移的趋势，因此要研究溶质运移特征必须建立在单个裂隙的基础上。进行实验时研究溶质在单裂隙中的运移尤为关键。对单个裂隙内溶质运移研究的要素可归纳为四个：裂隙，其中包括裂隙宽度、粗糙度等；水流，包括水流的速度、流量、紊流或层流；溶质运移，此因素建立在

20、前两要素的基础上；水流和溶质运移与介质之间的关系。在研究裂隙时，应该着重研究裂隙的透水性，包括裂隙的宽度、裂隙面的粗糙度及其空间分布规律。在研究水流时，水的流速和流量是研究的重点。因为裂隙中水的流动直接关系着溶质的运移，所以在研究溶质在裂隙中的运移规律时，应该先研究水在裂隙中的运移、裂隙的性质和其中水的运行控制着溶质在裂隙中的对流、弥散。本文(bnwn)基于对溶质(rngzh)（污染物）在裂隙介质中运移规律的实验和模拟研究，采用(ciyng)示踪剂跟踪实术对水流与溶质在单裂隙中运动特性进行了研究，在与传统的对流-弥散方程求解结果进行比较的同时，建立紊流条件下单裂隙内的溶质运移特征模型。对于治理

21、和防治地下水环境中的污染物具有重大的实际指导意义，对人们安全使用地下水以及对地下水进行安全评估具有知道意义。国内外研究现状 在日渐严重的水污染中，地下水中的污染物在含水介质中的运移是水污染的关键。目前，无论是对溶质在含水介质中的的运移问题的研究手段还是数学模型都已相当成熟。但是对裂隙介质的研究介绍尚处于探索不成熟阶段。在对水流与溶质在裂隙中的运移的问题研究时，要重点研究裂隙中水流与溶质的运移规律与模拟方法，以此掌握裂隙和裂隙中的地下水，为减轻水污染提供理论指导。这一课题日前成为关注焦点的原因是由于野外环境的复杂性，决定了地下水及水中的溶质在裂隙介质中的运移规律的复杂性。其中裂隙介质中的污染物运

22、移规律的研究备受关注，尤其是裂隙介质中的Non-fickian运移的问题多次被学者提出。溶质在裂隙介质中运移的研究首先是针对惰性溶质，Taylor在1953年首先发表了单个管道中层流条件下惰性溶质的瞬时扩散模型。1956年Aris7改进了 Taylor的模型，使其对不同结构的裂隙都能适应。基岩裂隙中针对于溶质运移机理的研究相对较少，尽管有相关的工作者进行了大量的实验，但目前溶质运移的研究仍处于初级阶段。所以我们将以实验为基础，建立相应的数学模型，对溶质运移机理、在裂隙中运移及其运移过程中受水流的影响做深入的研究。本文研究内容及技术路线 本文在总结前人经验、技术的基础上，采用实验室的单裂隙模型，

23、进行示踪实验，并控制不同流速，从而得出水力坡度、水流速度以及示踪剂在不同裂隙宽度和水流速度下随时间和空间分布信息，然后得出其变化规律。主演研究内容如下：单裂隙(li x)中水流(shuli)的运动变化在单个裂隙(li x)中的特征通过对单个裂隙中Darcy定律的使用范围在水流为紊流条件下的研究，来建立溶质运移的单裂隙方程；通过对实验结果分析裂隙内裂隙宽度、水流速度对水流大小的影响。（2）单个裂隙中溶质随水流运动的运移的特征在紊流条件下，研究溶质运移特征的穿透曲线，然后通过分析实验数据建立的对流弥散与实际的偏差，来验证单裂隙内的溶质在紊流条件下运移特征，建立溶质运移模型。（3）建立单裂隙中紊流条

24、件下溶质运移数学模型。 技术路线： 如图1所示： 图1技术路线图1. 基本概念与方程(fngchng)1.1 裂隙(li x)介质与单裂隙1.1.1 裂隙(li x)介质 地质历史时期内，经历过多次而反复的地质作用形成了裂隙岩体，岩体经过地质作用的破坏，内部产生了大量裂隙，并且随着地质作用的加大，裂隙的结构也变的比较复杂，因此地质运动影响较大的裂隙岩体被工程研究和科学定义上称为裂隙岩体8。裂隙岩体的成因决定着岩体内部的裂隙宽度、大小等特征，正常形成的岩体内部裂隙不发育，而且透水性不强，研究其中水流运动没有较大的意义。但是，在对污染物随裂隙岩体中的水流运动时不可忽略天然裂隙的渗透性。1.1.2单

25、裂隙 地质作用中形成的岩体总体可归纳为三种类型：原生裂隙：即指岩石在呈岩过程中产生的裂隙；构造裂隙：在形成构造的营力作用下产生的裂隙；外营力作用下风化裂隙和卸荷裂隙9形成了次生裂隙。1.2 单裂隙的水力性质前苏联学者Jiomoe在1951年开始研究水流在单个裂隙中的运动，在大量实验的基础上得到了单裂隙水流运动的立方定律。Gnerti通过实验分析得出裂隙面导水部分所占比例较小，尤其是在荷载作用下，倒沟槽现象更加显著。从而对立方定律进行了修正。之后，广义的立方定律被周创兵和熊文林10等提出提出。由于地质作用形成的岩体渗透系数可以忽略，水仅在裂隙内流动。因此可以把水流运动在裂隙内的运动可分为两个方面

26、研究，即对层流和紊流进行研究，通过前人的研究，我们发现这两种运动规律是不同的。Darcy定律是层流时的现象，水头的损失与水流速度的大小可以总结为线性的，；紊流条件下的水力坡度与流速的关系可以用PForchhcimer公式表示11。Darcy定律(dngl)的公式形式为VKJ式中：V为水流(shuli)平均速度；L为水力坡度：K为渗透系数。1.3 紊流及其特性(txng) 关于紊流的定义，早在1883年雷诺通过实验就给出了最初定义，他把紊流定义为：紊流中流体质点运动没有规律可循，并且紊流与层流是互相渗透的。即紊流是水流作复杂无规律的运动。1937年泰勒、1939年Dryden也对紊流进行研究，他

27、们都得出紊流是一种不规则的随机运动现象，紊流与水流在时间和空间上的分布有关。Hinze也在1975年对紊流运动进行研究，结果不难想象，他得出紊流的结果也是时间和空间的系数。 因此，我们可以得出紊流是一种“不规则”的水流运移特征。而且研究紊流状态时必须在时间和空间上重点把握。单从时间或者空间的单一方面研究紊流都是不正确的。 1.4 对流一弥散方程 为方便，我们可以去任意流动液体作为坐标0点，同时以把这一点作为一个很小的，有型的六面体进行研究，这一点沿x、y、z轴的分量为x、y和z，选把x轴定义为与0点的平均方向一致，首先来分析这一单元体内的质量守恒12。在很小的t时间该质点内溶质质量随水流和时间

28、变化为由质量守恒定律结合试验数据对公式进行数学梳理得出对流弥散程或水动力弥散方程公式右边后三项为水流运动条件下的溶质随水流的运移(yn y)项，右端前三项为溶质运移随水动力弥散项。1.5 穿透(chun tu)曲线 穿透曲线实验是建立单裂隙水流与溶质运移模型的基础，对穿透曲线结果的解释通常用建立组合模型的方法来实现，包含穿透曲线的分布特征(如拖尾、峰值等)。如果曲线拟合仅靠数学手段(shudun)则会导致建立的模型失去物理意义；反之，通过分析物理过程并运用到模型建立中则可以使模型具有实际意义。2. 单裂隙中紊流条件下溶质运移实验设计工业化的快速发展，地下深层裂隙水受到日趋严重的污染。因此裂隙中

29、溶质运移规律受到各国学者的关注。溶质运移机理的理论基础应该着重对单个裂隙进行研究。溶质运移机理和溶质运移参数的确定应建立在单裂隙中。2.1 实验装置简介 国内外诸多学者进行的溶质运移的实验，所用的设备试件尺寸都是小规模的，很难测出裂隙中溶质浓度的分布情况。并且实验装置内的裂隙宽度是不可更变的，如果想研究多个裂隙内溶质运移，就需要各种实验装置分别进行研究。分析了已有实验装置的缺陷，本文设计了一种可以对裂隙宽度进行变更的实验装置，以便研究各种裂隙宽度线的溶质运移特征的新型实验装置。 本装置是为了分析不同流速与裂隙宽度条件下裂隙中的水力特征，通过从固定的点进行取样，检测溶质浓度变化曲线，结合测得的水

30、力条件，得出裂隙中水流状态，从而研究分析裂隙中的对流扩散机理。然后在实验的基础上研究裂隙中溶质运移的规律，计算溶质运移的水动力弥散参数，通过精确分析建立的对流一弥散模型，来检验对流弥散方程的适用条件。2.2 实验(shyn)材料实验用水：实验用自来水作为水源，其电导率固定，不需考虑(kol)其对实验的影响。示踪剂：选择合适的示踪剂是实验的关键。对于示踪剂的选择具有(jyu)以下特征。示踪剂在水中要有易溶解的性质；能够被准确测定；示踪剂的浓度应易被检测到；示踪剂不与水发生化学反应、在水中不具有挥发性、示踪剂性质也要稳定，不能在水中发生沉淀现象；通过查阅资料作者了解到液相示踪剂大致可以分为四类：同

31、位素示踪剂： 阴、阳离子示踪剂；染料示踪剂：醇类示踪剂； 结合本课题研究情况，本实验选择阴、阳离子示踪剂，选取氯化钠作为示踪剂，通过测定氯化钠的电导率来确定示踪剂在裂隙内的浓度。主要实验器材见表2.1。表2.1实验器材名称型号备注玻璃转子流量计LZJ-6常州热工仪表厂电子天平FA2004N上海精密科学仪器有限公司温度计精确度为0.1电导率仪DDS-307上海精密科学仪器有限公司注射器5ml、2ml、1ml医用一次性秒表精确度为0.1秒2.3 实验原理和实验步骤实验的基本原理如下：实验中，通过调节实验装置两端的进出水来测定裂隙内的水流流量，再在测出装置两端的水头差和记录裂隙宽度来研究裂隙内的流速

32、大小，并通过记录的实验数据得出该装置中的渗透系数，验证Darcy定律的使用条件。通过在固定点进行取样，确定溶质运移的随时间变化和在空间的分布。然后根据前人总结的水动力弥散方程，建立数学模型得出溶质运移弥散参数。依据(yj)实验原理，我们给出如下单裂隙中溶质运移的实验步骤：组装实验(shyn)装置；检查试验装置是否(sh fu)漏水；选择浓度稳定的示踪剂，并放在合适的条件下保存；调节实验装置两端的进出水孔，调节裂隙中的水位使其流速稳定，并在记录本上记录此时的流量、装置两端的水位、水头差；当实验装置两端的水流、水位不再变化时，我们可以在实验的进水端加入所选的示踪剂，同时对实验进行记录，确定一个时间

33、段，每到一个时间点从装置的裂隙中取出一定的试样，记录此试样的编号、进水时注入的示踪剂浓度以及此时的室内温。并且在样品被取出时及时测出电导率；实验结束后对实验装置进行清洗，从而不影响下次实验。改变装置内部的裂隙宽度，并检查实验装置是否漏水，排除实验装置对实验的影响。 按照实验步骤进行实验相应完成了一次溶质在裂隙内的运移实验。试验后通过调节实验装置，对实验装置中的裂隙宽度进行控制，重复操作实验步骤即可研究不同水流速度和不同裂隙宽度下的溶质运移实验规律。3. 单个裂隙(li x)中的水流性质 由于岩体中存在裂隙，导致岩体中的渗流性质与一般多孔介质(jizh)是不同的，其具有复杂性和特殊性。如均匀性、

34、各向异性以及其他与应力有关的性质。 裂隙形成(xngchng)的网络是是由单个裂隙在相互串连贯通下形成的，地质作用形成的裂隙岩体的渗透性和水流在裂隙中的渗透方向不仅被裂隙网络的发育的大小、宽度所影响，裂隙网中的单个裂隙的几何特征也是其重要的制约因素，例如单个裂隙的宽度，裂隙所发育的方向，裂隙表面的粗糙程度和裂隙内部被填充的物质。因此，对单个裂隙内的水力性质进行研究效果的好坏直接影响到我们所要研究的裂隙网中溶质运移的规律。所以我们应该重点把握单个裂隙的水力性质。3.1 建立的裂隙模型与所得的立方定律 法国工程师HDarcy在1856年在研究Dijon城的自来水厂给城市供水系统时，为了解决供水系统

35、的问题，他进行用直立均质的砂柱对供水问题进行模拟实验。最终在对模拟实验研究和分析的基础上他得到Darcy线性渗流定律13。同时他确定如果想把此定律应用到裂隙水流中，其前提条件必须是为层流的水流，其形式为： 式中：K为裂隙(li x)面的渗透系数：b为裂隙宽度：g为重力加速度；为水流(shuli)运动粘滞系数：J为沿裂隙面方向的水力坡度。 之后，为了(wi le)明确Darcy定律的使用的前提条件，以及验证立方定律的是否正确，中外学者都进行了大量的单裂隙水流模拟性实验，一致得出立方定律只有在水流为层流的情况下才是正确的。Romm13为了确定立方定律使用时的裂隙宽度的临界值，也进行了大量的模拟实验

36、，他通过对0100m的微裂隙和0.2543m极微裂隙进行研究，最后得出提出了立方定律使用时裂隙宽度临界值为0.2m，裂隙宽度只有在次条件下才能成立。 但是，在我们所研究的范围内，即使我们忽略裂隙表面的粗糙程度和裂隙中被填充物所充填，我们发现立方定律使用时也是有一定的前提的。因为，在我们所研究的地下水中，水力联系是错综复杂的，特别是在水力联系条件比较畅通的情况下，水流中的混乱情况比较严重，基于这种现实因素，我们将不能使用Darcy定律，同时立方定律也将不再适用与我们所确定的研究条件。在这种情况下，有必要研究骨折在湍流条件下的水力特性。 在国内，地下水在基岩裂隙中的运移规律也被学者们所重视。田开铭

37、等14、速宝玉等15通过大量的实验，研究裂隙介质中的水力学运移特征，并且在实验的基础上进行了详细的探讨。孙峰根等16、罗绍河等17、钱家忠18等也在实验室对裂隙水在基岩中的运移情况进行了模拟实验，最终确定了在我们所给定的实验条件下，裂隙中的水流特征会发生nonDarcy现象。3.2 实验结果分析 根据(gnj)我们(w men)实验(shyn)中所要达到的目的，我们既要调整裂隙宽度进行不同裂隙宽度下的溶质运移实验，也要收集以前的大量相关方面的实验数据，此时我们才能更准确的把握好地下水在地下基岩裂隙中的运移规律。基于对水流流速与水力坡度的研究，我们得出单个裂隙内的水流流动状态，如下表3.1，表示

38、在不同水力梯度的情况下对应的不同水流速度。表3.1水力坡度一流速对应表水力坡度0.00260.00200.00100.00050.00160.00260.0006流速cm/s1.2230.9350.61610.38950.79211.1630.4561水力坡度0.00200.00300.00460.00110.00310.00550.0084流速cm/s0.9021.3531.8120.67851.36752.03632.696在水流状态为层流假设的基础上，我们再根据前文研究的达西定律的形式v = KJ，拟合实验中所得到的表中的数据，得出单裂隙下渗透系数的方程为由所成的图中我们可以得出相关系数

39、拟合值为0.79103，其拟合曲线见图3.1。图3.1按Darcy定律拟合所得的水力坡度一流速图由图3.1得出结论，在我们所确定的实验室条件下，达西定律在此并不适应，而此时的水流特征为非线性。所以，我们不能将达西定律应用到当水流状态为紊流的情况下。由于达西定律在只适用于平面一维、流体为单相层流、而且流体为不可压缩的情况，通过对实验中得到的数据总结，并且查阅最新的相关资料，我们总结出在实验室所确定的实验条件下，我们需要建立非线性流动方程，用来分析单裂隙中的水力特征。3.3 非线性流动状态方程 现实中流动的液体是不可压缩的，而且流体呈线性流动，并在源源不断，流体是在三维空间中作不规则运动的，流体运

40、移的基本微分方程为上式成立的前提条件必须是Darcy定律能在次实验中使用，前文通过对实验数据的建模，查阅相关的文献资料，我们证实在此实验装置所确定的水流动态局限的情况下，我们将不能使用现有的Darcy定律，而且我们实验中的水流速度v与水力坡度(pd)之间的联系不再是线性的，因此，我们总结出新的流体运动的非线性基本微分方程上式即为水流在稳定(wndng)状态下的非线性流动方程。3.4 小结(xioji) 通过我们的实验，对水流、水力坡度之间的关系进行数据分析，研究了在不同水流速度下水力坡度的变化特征，以及流速与裂隙宽度之间的关系，分析了大哥裂隙中水流流动的变化以及裂隙特征对流速变化的影响，并提出

41、了液体在做非线性流动时的方程，其方程为流体运移连续性方程，得到结论如下：在实验室所确定的实验条件下，当液体流动遵循不规则的紊流条件，达西定律将不能使用，液体流动只能遵循我们所总结出的非线性流动方程；根据我们所得出的非线性流动方程，并且通过方程式的数学梳理，我们得到了特殊的非达西运动的液体在流动时的方程，该方程和我们实验室所测数据吻合度较好，表明在实验室条件下非达西运动的公式比较适合。4. 溶质运移特征在单裂隙中紊流条件下研究 通过在前文的讨论，我们分析了单裂隙中水流的形态，我们对单裂隙中水流运动的特征已有所了解。本章我们将通过调整实验装置进行不同裂隙宽度、水流速度的实验，以获得突破曲线，并且在

42、分析实验模型中所拟合的溶质运移曲线与我们惯用的对流弥散方程之间的误差，确定常用的对流弥散方程是否适合我们实验室条件下。然后我们再用多个单裂隙组成裂隙网络，进行实验室条件下的裂隙网水力条件实验，从而确定在实验室的水力条件下单裂隙内的溶质运移模型在水流为紊流状态下的实际现象。4.1 溶质(rngzh)运移与流速和裂隙宽度模拟实验 为了达到研究单裂隙中溶质运移的研究目的，按照我们前文中设计的实验步骤，我们通过调整装置内的水流(shuli)流量和裂隙宽度下进行了7组示踪剂实验，通过实验测定示踪剂在样品中的电导率得出了所选示踪剂NaCl的浓度值，具体数据见表4.1，并得出图4.1的穿透曲线。表4.1不同

43、隙宽与水力条件(tiojin)下的穿透曲线浓度表隙宽：9mm；流速：0.6161cm/s；雷诺数：30.1931隙宽：7mm；流速：0.7924cm/s；雷诺数：30.3427隙宽：6mm；流速：0.9020cm/s；雷诺数：20.7010隙宽：4mm；流速：0.6785cm/s；雷诺数：14.9660时间，s浓度，g/l时间，s浓度，g/l时间，s浓度，g/l时间，s浓度，g/l700.0001550.0001500.0001700.0001830.0001650.000160.850.000180.50.0002960.0004750.00271.70.0077910.00371090.0

44、032850.004482.550.0137101.50.01171220.0076950.008993.40.00961120.01781350.00681050.0078104.250.0051122.50.01671480.00531150.0051115.10.00411330.01021610.00221250.0037125.950.0028143.50.00871740.00171350.0025136.80.00191540.00211870.00161450.0015147.650.0013164.50.00132000.00071550.0013158.50.0017175

45、0.00142130.00061650.0009169.350.0010185.50.00172260.00051750.0011180.20.00051960.00072390.00031850.0008191.050.0008206.50.00032520.00051950.0002201.90.00062170.00022650.00012050.0005212.750.0003227.50.00052780.00022150.0004223.60.00052380.00012910.00032250.0001234.450.0002248.50.00033040.00012350.00

46、03245.30.00012590.00013170.00012450.0001256.150.0001269.50.0001隙宽：4mm；流速：1.3675cm/s；雷诺数：30.1601隙宽：4mm；流速：2.0360cm/s；雷诺数：44.9124隙宽：4mm；流速：2.6962cm/s；雷诺数：59.471时间，s浓度，g/l时间，s浓度，g/l时间，s浓度，g/l250.0001100.0001100.000135.50.000119.050.000218.70.0009460.002628.10.005827.40.024856.50.019937.150.021236.10.01

47、41670.014646.20.010244.80.007277.50.006855.250.006153.50.0044880.004764.30.004162.20.002398.50.003573.350.002270.90.00221090.002482.40.001679.60.0021119.50.00291.450.00188.30.00151300.0016100.50.0017970.0014140.50.0024109.550.0007105.70.00171510.0012118.60.0006114.40.0009161.50.0005127.650.0004123.1

48、0.00071720.0007136.70.0001131.80.0005182.50.0002145.750.0005140.50.00031930.0001154.80.0001149.20.0007203.50.0003163.850.0003157.90.00032140.0001172.90.0002166.60.0001224.50.0001181.950.0001175.30.0002 V=0.6161cm/s,B=9mm V=0.7921cm/s,B=7mm V=0.9020cm/s,B=6mm V=1.3675cm/s,B=4mm V=0.6785cm/s,B=4mm V=2

49、.0360m/s,B=4mm V=2.6962cm/s,B=4mm 图4.1不同隙宽与水力条件下的穿透(chun tu)曲线从图4.1中可以(ky)看出，在本文(bnwn)实验中所确定的不同水力条件下，我们总结出实验中获得穿透曲线示踪实验有以下特点：实验中得到的穿透曲线在不同水力条件下均为不对称的，曲线都是单峰现象，近似数学中的偏正曲线；裂隙宽度增加，曲线的峰值相应减小，流速增大时，曲线的峰值也相应增大；偏正曲线的峰值随着流速的增加提前达到峰值点；偏正曲线在实验中均有趋于平缓现象（非费克运移），而且在实验中较明显；水流速度的大小决定着偏正曲线的宽度。4.2 分析 从图4.1可以看出，这对对流的

50、实验研究通常的溶质的扩散模型通过曲线拟合效果并不理想，特别是当流速较高，测量数据和计算数据偏差很大。从曲线的形状可以看出，溶质的扩散在轴不对称，延迟转发扩散的力量。因为这个实验在裂缝平滑有机玻璃板，这一现象的原因可能是由于溶质吸附解析的滞后。 在溶质吸附解析和化学反应条件下，低流量条件造成的拖尾现象，而高速水流条件下尾现象的产生是由于液体的紊流状态的返混现象。在这个实验中，水的流动形式的非线性流、紊流状态，因此，突破曲线不对称和拖尾现象出现在流动的过程中应该解决的原因一定程度的返混。4.3 小结(xioji) 本章讨论(toln)了非线性流条件下的溶质运移规律(gul)在单裂隙下的特征。通过观

51、察示踪实验获得信息由突破曲线形状，分析了不同因素对溶质运移的影响。 由于试验中裂隙的壁是光滑的有机玻璃，可以排除吸附、解析因素。首先使用传统的一维溶质运移的对流弥散方程模型建立了单裂缝，通过分析模拟的结果(特别是高速度)和测量曲线有很大偏差，不能表达出裂缝在空间的混合特征，从而无法解释穿透曲线出现的非费克的现象，所以只适用于定性描述。同时证实传统的对流弥散方程不适用于溶质运移模拟紊流条件的模式。5. 结论(jiln)5.1 结论(jiln) 溶质在裂隙中的运移规律与裂隙中的水流运动(yndng)密切相关，要想研究溶质在单裂隙中的运移情况，手相要研究裂隙中的水流运动的规律。本文通过示踪剂实验研究分析了水流与溶质在单个裂隙中的运移规律，重点研究了单个裂隙中水流场与溶质化学场的耦合性。通过对实验的总结，得出以下结论：当水流条件为紊流时，Darcy定律将不再使用，应使用非线性水流方程。通过实验研究发现，在裂隙较宽的条件下，雷诺数和前人研究的有所差别。原因是雷诺数受裂隙性质影响较大。常规的对流弥散方程仅适用于模拟水流为层流的条件下，当模拟水流为紊流时，其在拟合非线性流时偏差较大不能解释曲线中出现的非费克运移情况。水流形态影响了穿透曲线的偏正态和非费克运