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申请/专利权人：山东大学

摘要：本发明提出了一种考虑温度效应的孔隙介质注浆试验系统及方法，包括：孔隙介质地层模拟模型、注浆系统、水位调节系统、地层温控系统和数据分析系统；孔隙介质地层模拟模型用于模拟孔隙介质地层，水位调节系统和地层温控系统用于模拟不同富水程度、不同水温和地温的情况，数据分析系统用于根据所述温度、压力等传感器采集的不同时序数据与通过传热方程与动量方程耦合求解的温度、压力等数据进行对比，实现对注浆扩散路径进行验证分析。本发明通过水位调节系统实现不同富水程度的自由模拟，通过地层温控系统实现不同地温的模拟，可以实现不同水位、水温‑地温下的注浆扩散的研究。

主权项：1.一种考虑温度效应的孔隙介质注浆试验系统，其特征在于，包括：孔隙介质地层模拟模型、注浆系统、水位调节系统、地层温控系统、数据采集系统和数据分析系统；所述孔隙介质地层模拟模型，包括试验箱，在所述试验箱内填充有孔隙介质；所述注浆系统，与所述孔隙介质地层模拟模型的注浆口管路连通，为所述孔隙介质地层模拟模型提供注浆速率和注浆压力可控的注浆方式；所述水位调节系统，与所述孔隙介质地层模拟模型管路连通，为所述孔隙介质地层模拟模型提供水量可调和水温可控的注水方式；所述地层温控系统，包括加热装置和温度监测传感器，所述温度监测传感器设置在所述孔隙介质地层模拟模型内部，所述加热装置用于为所述孔隙介质地层模拟模型内部进行加热，以模拟不同地温；所述数据采集系统，包括多个温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器分别布设在所述孔隙介质地层模拟模型内不同位置；所述数据分析系统，与所述数据采集系统信号连接，用于根据所述温度传感器和压力传感器采集的不同时序数据与通过传热方程与动量方程耦合求解的温度数据和压力数据进行对比，实现对注浆扩散路径进行验证分析，具体为：根据试验模型情况，构建流体域网格，并设置初始边界条件，初始边界条件有注浆速度、注浆压力、浆液温度和浆液粘度；根据注浆速度、注浆压力、相分数和浆液粘度组建动量预测方程，通过求解动量预测注浆速度；动量方程为： 其中，ρ为密度，p为压力，μ为关于时间t与浆液温度T表征的粘度函数，可通过试验获取，g为重力加速度，Fst为表面张力；离散后的动量预测方程求解预测注浆速度为： 其中，ρn+1vn+1与ρnvn分别是新旧时间步的密度与速度乘积，VCV是控制体积的体积，Sface控制体积面的面积向量，pn是当前时间步的压力，是当前时间步的粘性应力，g是重力加速度，为表面张力，Δt为时间步长；浆水连续性方程为： 其中，v为流体速度矢量，离散后的连续性方程与动量方程耦合，实现浆液压力与注浆速度的反复求解与迭代，直至达到迭代次数后，求得的注浆压力和注浆速度即为当前时间步的注浆压力和注浆速度v，根据当前时间步的注浆速度v建立浆水传热方程： Q＝-ΔHrxnr其中，T为温度，cp为流体的比热容，k为孔隙介质热导率，Q表示浆液固化相变过程中产生并释放的热量，ΔHrxn为每摩尔反应释放的热量可采用经验值，r为化学反应的速率可采用经验值，v为流体速度矢量；离散后的预测方程求解预测浆液温度为： 其中，Tnew与Told分别是新旧时间步的温度，Δt为时间步长，VCV是控制体积的体积，Sface是控制体积面的面积向量，方向垂直于面且指向外部；离散后的传热方程与动量方程耦合，实现浆液温度与注浆速度的反复求解与迭代，直至达到迭代次数后，求得的浆液温度和注浆速度v；根据当前时间步的注浆速度v构建离散后的浆水两相相分数方程，通过求解相分数方程得到孔隙介质中的浆液扩散形态，浆水两相相分数方程为： 其中，α表示在给定体积内，某一相占据的体积比例；根据上述方程的反复迭代最终通过相分数方程实现浆液扩散路径的可视化展现；模拟结束后，通过当前时间步的温度场数据、注浆压力数据与试验实测数据进行对比，若温度场数据和注浆压力、速度数据与测试数据一致，则实现了浆液扩散形态的精准模拟以及孔隙介质内的浆液扩散路径捕捉。

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