نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

اعتبارسنجی شبیه‌سازی عددی جریان سیال عبوری از شکستگی‌های سنگی زبر با استفاده از مدلسازی فیزیکی مبتنی بر چاپ سه‌بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
اعتبارسنجی مدل‌های عددی، ابزاری کلیدی برای استفاده در تحلیل‌های پیشرفته مانند جریان‌های غیرخطی و شبکه‌های پیچیده شکستگی محسوب می‌شود. مدلسازی‌های عددی مبتنی بر قانون مکعب، در شبیه‌سازی اثرات زبری سطح و تغییرات فشار هیدرولیکی دقت کافی را ندارند. فلذا تدقیق و تطبیق آنها با نتایج آزمایشگاهی دقیق و داده‌های تجربی ضروری است. در این زمینه تکرارپذیری نمونه‌های مورد آزمایش و تطبیق کامل نمونه‌های آزمایش عددی و تجربی در شرایط مرزی مختلف نیازمند چاپ و کپی‌سازی با دقت بالا است. در این مطالعه، نمونه‌های شکستگی با زبری‌های کنترل‌شده (JRC=0، 10،20) به‌وسیله چاپ سه‌بعدی تولید شدند. آزمایش‌ها تحت فشارهای هیدرولیکی مختلف انجام شد و نرخ جریان و توزیع فشار ثبت گردید. شبیه‌سازی عددی با استفاده از نرم‌افزارSTAR-CCM+ و روش حجم محدود برای حل معادلات ناویر- استوکس انجام شد. نتایج نشان داد داده‌های عددی و آزمایشگاهی با خطای کمتر از %5 مطابقت دارند. افزایش زبری سطح موجب کاهش نرخ جریان شد؛ به‌عنوان نمونه، در فشار 195 پاسکال، دبی از 523.51 میلی‌لیتر بر دقیقه (JRC=0) به 418.808 میلی‌لیتر بر دقیقه (JRC=20) کاهش یافت. همچنین، افزایش فشار هیدرولیکی به‌طور خطی نرخ جریان را افزایش داد؛ برای JRC=10، دبی از 481.629 میلی‌لیتر بر دقیقه در 195 پاسکال به 1062.8392 میلی‌لیتر بر دقیقه در 489 پاسکال رسید. این پژوهش نشان داد که ستاپ آزمایشگاهی طراحی‌شده قادر به اعتبارسنجی دقیق مدل‌های عددی است و این مدل‌های عددی و ستاپ آزمایشگاهی را برای تحلیل‌های پیشرفته‌تر، نظیر جریان‌های غیرخطی و شکستگی‌های متقاطع می‌توان استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]           S. Chandra, E. Auken, P. K. Maurya, S. Ahmed, and S. K. Verma, "Large scale mapping of fractures and groundwater pathways in crystalline hardrock by AEM," Scientific Reports, vol. 9, no. 1, p. 398, 2019.
[2]           L. J. Pyrak-Nolte, D. J. DePaolo, and T. Pietraß, "Controlling subsurface fractures and fluid flow: A basic research agenda," USDOE Office of Science (SC)(United States), 2015.
[3]           Z. Shi et al., "Interaction between Groundwater and Rock Fractures under Stress and Seepage Based on Extractive Water Resource Utilisation," Processes, vol. 11, no. 12, p. 3380, 2023.
[4]           C.-B. Zhou, Y.-F. Chen, R. Hu, and Z. Yang, "Groundwater flow through fractured rocks and seepage control in geotechnical engineering: Theories and practices," Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 1-36, 2023.
[5]           J. S. Konzuk and B. H. Kueper, "Evaluation of cubic law based models describing single‐phase flow through a rough‐walled fracture," Water Resources Research, vol. 40, no. 2, 2004.
[6]           Y. Jin, J. Dong, X. Zhang, X. Li, and Y. Wu, "Scale and size effects on fluid flow through self-affine rough fractures," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 105, pp. 443-451, 2017.
[7]           Y. Zhang and J. Chai, "Effect of surface morphology on fluid flow in rough fractures: A review," Journal of Natural Gas Science and Engineering, vol. 79, p. 103343, 2020.
[8]           D. J. Brush and N. R. Thomson, "Fluid flow in synthetic rough‐walled fractures: Navier‐Stokes, Stokes, and local cubic law simulations," Water Resources Research, vol. 39, no. 4, 2003.
[9]           B. Y. Fu, A. Cheng, Y. E. Li, and J. Zong, "Factors that influence fluid flow in a single fracture," Geophysical Prospecting, vol. 70, no. 1, pp. 135-151, 2021.
[10]         L. Xie, C. Gao, L. Ren, and C. Li, "Numerical investigation of geometrical and hydraulic properties in a single rock fracture during shear displacement with the Navier–Stokes equations," Environmental Earth Sciences, vol. 73, pp. 7061-7074, 2015.
[11]         M. Wang, Y.-F. Chen, G.-W. Ma, J.-Q. Zhou, and C.-B. Zhou, "Influence of surface roughness on nonlinear flow behaviors in 3D self-affine rough fractures: Lattice Boltzmann simulations," Advances in water resources, vol. 96, pp. 373-388, 2016.
[12]         Q. Zhang, S. Luo, H. Ma, X. Wang, and J. Qian, "Simulation on the water flow affected by the shape and density of roughness elements in a single rough fracture," Journal of Hydrology, vol. 573, pp. 456-468, 2019.
[13]         J. Lee and T. Babadagli, "Effect of roughness on fluid flow and solute transport in a single fracture: A review of recent developments, current trends, and future research," Journal of Natural Gas Science and Engineering, vol. 91, p. 103971, 2021.
[14]         K. Xue, X. Liu, X. Yan, and X. Chi, "The Effect of Fracture Surface Roughness and Mechanical Aperture on the Onset of Nonlinear Flow Behaviors in 3D Self‐Affine Rough Fractures," Geofluids, vol. 2022, no. 1, p. 4837207, 2022.
[15]         F. Darboux, P. Davy, C. Gascuel-Odoux, and C.-h. Huang, "Evolution of soil surface roughness and flowpath connectivity in overland flow experiments," Catena, vol. 46, no. 2-3, pp. 125-139, 2002.
[16]         R. Egert, F. Nitschke, M. Gholami Korzani, and T. Kohl, "Spatial Characterization of Channeling in Sheared Rough‐Walled Fractures in the Transition to Nonlinear Fluid Flow," Water Resources Research, vol. 59, no. 10, p. e2022WR034362, 2023.
[17]         T. Phillips et al., "A systematic investigation into the control of roughness on the flow properties of 3D‐printed fractures," Water Resources Research, vol. 57, no. 4, p. ewrcr.25233, 2021.
[18]         B. Li, J. Wang, R. Liu, and Y. Jiang, "Nonlinear fluid flow through three-dimensional rough fracture networks: Insights from 3D-printing, CT-scanning, and high-resolution numerical simulations," Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 13, no. 5, pp. 1020-1032, 2021.
[19]         T. Phillips et al., "Laboratory-based investigation into the fluid flow properties of natural and 3D-printed rough fractures," in 1st Geoscience & Engineering in Energy Transition Conference, 2020, vol. 2020, no. 1: European Association of Geoscientists & Engineers, pp. 1-5.
[20]         A. Rahmani Shahraki, A. Baghbanan, and A. Azhari, "Precise Replication of Complex Rock Fracture Surfaces Combining 3D Printing, Mold-and-Cast, and Statistical Analysis," Indian Geotechnical Journal, 2025/05/12 2025, doi: 10.1007/s40098-025-01250-2.
[21]         S. M. Mousavi, S. Sadeghnejad, and M. Ostadhassan, "Evaluation of 3D printed microfluidic networks to study fluid flow in rocks," Oil & Gas Science and Technology–Revue d’IFP Energies nouvelles, vol. 76, p. 50, 2021.
[22]         W. Tan and P. Wang, "Experimental study on seepage properties of jointed rock‐like samples based on 3D printing techniques," Advances in Civil Engineering, vol. 2020, no. 1, p. 9403968, 2020.
[23]         P. Yin, C. Zhao, J. Ma, C. Yan, and L. Huang, "Experimental study of non-linear fluid flow though rough fracture based on fractal theory and 3D printing technique," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 129, p. 104293, 2020.
[24]         Y. Ma, Y. Zhang, Z. Hu, Z. Yu, Y. Huang, and C. Zhang, "Experimental study of the heat transfer by water in rough fractures and the effect of fracture surface roughness on the heat transfer characteristics," Geothermics, vol. 81, pp. 235-242, 2019.
[25]         Y. Huang, Y. Zhang, Z. Yu, Y. Ma, and C. Zhang, "Experimental investigation of seepage and heat transfer in rough fractures for enhanced geothermal systems," Renewable Energy, vol. 135, pp. 846-855, 2019.