本技術涉及電數字數據處理，特別涉及一種三維粗糙裂隙非線性流場模擬方法和系統(tǒng)。

背景技術：

1、壩基巖體裂隙既可能是潛在滑動面，也是水-巖相互作用的主要界面。通常，壩基巖體裂隙中的低溶解性礦物會在滲流場作用下發(fā)生溶解，并通過對流和擴散作用運移至裂隙出水口。在短期滲流條件下，由于礦物溶解度極低，壩基滲流量較小，水-巖相互作用引起的裂隙壁面溶蝕量較小，裂隙壁面結構變化不明顯；但在長期滲流條件下，粗糙壁面由于溶解累積發(fā)生質變，固壁形貌結構、流場物質濃度、孔壁水壓力等發(fā)生顯著變化，使基巖裂隙產生宏觀溶蝕，進一步加劇壩基裂隙的滲漏。對于溶蝕性較強的壩基裂隙，壩基裂隙溶蝕問題更為突出。因此，研究較長時間尺度內壩基裂隙的溶蝕特性及溶蝕機理對于大壩長期安全高效運營具有重要意義。

2、目前文獻中關于水-巖相互作用的研究大多關注水的浸泡對節(jié)理宏觀力學特性的影響，或者裂隙剪切滑移形成的開度場中滲流對傳質的影響，而較少考慮長期水-巖相互作用下基巖裂隙的結構及各物理場隨時間的漸進演化特征。一些研究從化工的角度分析了裂隙受到反應性液體作用而產生的孔隙或者裂隙結構變化，但是時間尺度較短(幾十秒或者幾小時)，裂隙在較快的時間內就完成了溶蝕，這與壩基裂隙滲漏特性(低反應性、低物質濃度、較少或者不含反應性流體、清水溶蝕為主)不符。雖然也有少數研究分析了較長時間尺度內的裂隙溶蝕特征，但這些耦合模型大都采用帶開度時變的reynolds方程計算流場。然而，reynolds方程假定粗糙裂隙中每一處流量滿足立方定律(因此reynolds方程也稱之為局部立方定律)，該方程計算的流場過流能力為線性。大量的試驗和數值研究表明，粗糙裂隙中壓力梯度和體積流量呈非線性關系；因此，帶開度時變項的reynolds方程還不足以反映粗糙裂隙的真實過流能力。此外，目前文獻中關于粗糙裂隙長期溶蝕機制和溶蝕特性尚不清晰。

3、因此，需要提供一種針對上述現有技術不足的改進技術方案。

技術實現思路

1、本技術的目的在于提供一種三維粗糙裂隙非線性流場模擬方法和系統(tǒng)，以解決或緩解上述現有技術中存在的問題。

2、為了實現上述目的，本技術提供如下技術方案：

3、第一方面，本技術提供了一種三維粗糙裂隙非線性流場模擬方法，包括：

4、基于三維激光掃描技術獲取的三維粗糙裂隙上側壁面的三維坐標，生成三維粗糙裂隙的初始幾何開度場；

5、使用帶開度時變項的reynolds方程來描述裂隙中線性流場的水頭分布，將forchheimer方程嵌入所述帶開度時變項的reynolds方程中，得到用于描述非線性流場的改進reynolds方程，所述改進reynolds方程的表達式如下：

6、?，

7、式中， u為流場中流速， u=( u,? v)， u= u( x,? y,? t)和 v= v( x,? y,? t)分別為 t時刻( x, y)處沿 x軸方向和 y軸方向流速分量，單位是m/s； ts= ts( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的導水系數，單位是m2/s； h= h( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的水頭，單位是m， b= b( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的裂隙幾何開度，單位是m； ρ為流體密度，單位是kg/m3， g為重力加速度，單位是m/s2； w為裂隙寬度，單位是m； a為線性系數，表征裂隙過流能力，單位是kg/(m5·s)； b為和裂隙表面粗糙度有關的非線性系數，單位是kg/m8；

8、基于預設的邊界條件和所述三維粗糙裂隙的初始幾何開度場，求解所述改進reynolds方程控制下非線性流場的水頭分布。

9、本技術實施例中，利用三維激光掃描方法獲取三維粗糙面生成粗糙裂隙空間，通過將非線性forchheimer方程嵌入帶開度時變項的reynolds方程中，實現瞬態(tài)條件下粗糙裂隙非線性過流的模擬。通過將forchheimer方程嵌入reynolds方程，改進了對非線性流場的描述能力，可以模擬在粗糙裂隙內常見的非線性流動現象，如湍流、局部渦流等，增強的非線性處理能力使得模型能夠適用于更廣泛的流動條件。通過結合高精度幾何數據獲取、動態(tài)非線性流動模型以及靈活的邊界條件設定，能夠更精確地描述和預測三維粗糙裂隙中的流體行為，拓寬了其適用范圍，是研究復雜裂隙介質中流動過程的理想工具，同時也為開展三維粗糙裂隙長期溶蝕機理研究奠定基礎。

10、結合第一方面，在一些可選的實現方式中，將forchheimer方程嵌入所述帶開度時變項的reynolds方程，包括：

11、使用裂隙幾何開度 b替代裂隙水力開度 e h，用于求解forchheimer方程中的線性系數 a和非線性系數 b，進而獲得替換后線性系數 a和非線性系數 b的表達式；

12、將替換后的線性系數 a和非線性系數 b代入forchheimer方程中，得到流體體積流量 q的第一表達式；

13、結合現有研究，獲得流體體積流量 q的第二表達式；

14、利用所述流體體積流量 q的第一表達式和所述流體體積流量 q的第二表達式，計算得到裂隙中 t時刻( x,? y)處的導水系數 ts；

15、根據局部立方定律，開度方向上流速不變，確定流場中流速 u=( u,? v)的表達式；

16、將裂隙中 t時刻( x,? y)處的導水系數 ts代入到流場中流速 u=( u,? v)的表達式中，得到所述改進reynolds方程。

17、結合第一方面，在一些可選的實現方式中，基于三維激光掃描技術獲取的三維粗糙裂隙上側壁面的三維坐標，生成三維粗糙裂隙的初始幾何開度場，包括：

18、將所述三維粗糙裂隙上側壁面的三維坐標作為數據點導入到matlab中，構建初始數據矩陣；

19、根據三維粗糙裂隙的尺寸生成三維模擬網格，并對所述初始數據矩陣進行插值處理，生成所述三維粗糙裂隙上側壁面的幾何開度模擬曲面；

20、對所述三維粗糙裂隙上側壁面的幾何開度模擬曲面進行水平、垂直移動，模擬裂隙剪切滑動，得到三維粗糙裂隙下側壁面的幾何開度模擬曲面；

21、計算上下兩側壁面的幾何開度模擬曲面中各個網格處的開度差，得到三維粗糙裂隙的初始幾何開度場。

22、第二方面，本實施例提供一種三維粗糙裂隙長期溶蝕機制分析方法，包括：

23、利用上述任一實施例提供的三維粗糙裂隙非線性流場模擬方法計算穩(wěn)態(tài)條件下三維粗糙裂隙的流場，并基于深度平均的溶質運移方程計算濃度場，得到流場和濃度場的初始分布；

24、通過單向循環(huán)耦合流場、開度場、濃度場，建立裂隙溶蝕耦合模型；

25、分析不同 da數和 pe數、長期溶蝕作用下三維粗糙裂隙開度場、流場、濃度場、粗糙度的演化特征，以揭示三維粗糙裂隙長期溶蝕特性及溶蝕機制。

26、本實施例中，利用線性流場模擬方法計算穩(wěn)態(tài)條件下的三維流場并利用深度平均的溶質運移方程，能夠精確地模擬流體在粗糙裂隙中的復雜運動過程，并且能夠捕捉溶質在流場中的擴散和對流行為，有助于更準確地預測裂隙中溶蝕過程的發(fā)展趨勢，減少累積誤差，為分析裂隙的長期演變機制打下基礎。通過單向循環(huán)耦合流場、開度場、濃度場，可以在一定程度上簡化復雜的物理過程，在一定范圍內減少了數值計算中的復雜反饋關系，提升了計算穩(wěn)定性和效率。在此基礎上，通過分析不同 da數和 pe數、長期溶蝕作用下三維粗糙裂隙開度場、流場、濃度場、粗糙度的演化特征，能夠深入了解化學反應速率、對流傳輸和擴散傳輸對裂隙溶蝕過程的影響，有利于預測裂隙在不同環(huán)境條件下的長期演變，通過研究長期溶蝕作用下開度場、流場、濃度場以及粗糙度的演化特征，幫助揭示裂隙溶蝕過程中復雜的動力學機制。并且，該方法兼顧了計算效率與精度，是研究裂隙溶蝕機制和長期演化的理想技術路徑。

27、第三方面，本實施例提供一種三維粗糙裂隙非線性流場模擬系統(tǒng)，包括：

28、模擬單元，配置為基于三維激光掃描技術獲取的三維粗糙裂隙上側壁面的三維坐標，生成三維粗糙裂隙的初始幾何開度場；

29、改進單元，配置為使用帶開度時變項的reynolds方程來描述裂隙中的水頭分布，并將forchheimer方程嵌入所述帶開度時變項的reynolds方程中，得到用于描述非線性流場的改進reynolds方程，所述改進reynolds方程的表達式如下：

30、?，

31、式中， u為流場中流速， u=( u,? v)， u= u( x,? y,? t)和 v= v( x,? y,? t)分別為 t時刻( x, y)處沿 x軸方向和 y軸方向流速分量，單位是m/s； ts= ts( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的導水系數，單位是m2/s； h= h( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的水頭，單位是m， b= b( x,? y,? t)為 t時刻( x,? y)處的裂隙幾何開度，單位是m； ρ為流體密度，單位是kg/m3， g為重力加速度，單位是m/s2； w為裂隙寬度，單位是m； a為線性系數，表征裂隙過流能力，單位是kg/(m5·s)； b為和裂隙表面粗糙度有關的非線性系數，單位是kg/m8；

32、求解單元，配置為基于預設的邊界條件和所述三維粗糙裂隙的初始幾何開度場，求解所述改進reynolds方程控制下非線性流場的水頭分布。

33、結合第三方面，一些可選的實施方式中，所述改進單元，進一步配置為：

34、使用裂隙幾何開度 b替代裂隙水力開度 e h，用于求解forchheimer方程中的線性系數 a和非線性系數 b，進而得到替換后線性系數 a和非線性系數 b的表達式；

35、將替換后的線性系數 a和非線性系數 b代入forchheimer方程中，得到流體體積流量 q的第一表達式；

36、結合現有研究，流體體積流量 q的第二表達式；

37、利用所述流體體積流量 q的第一表達式和所述流體體積流量 q的第二表達式，計算得到裂隙中 t時刻( x,? y)處的導水系數 ts；

38、根據局部立方定律，開度方向上流速不變，確定流場中流速 u=( u,? v)的表達式；

39、將裂隙中 t時刻( x,? y)處的導水系數 ts代入到流場中流速 u=( u,? v)的表達式中，得到用于描述非線性流場的改進reynolds方程。

40、結合第三方面，一些可選的實施方式中，所述模擬單元，進一步配置為：

41、將所述三維粗糙裂隙上側壁面的三維坐標作為數據點導入到matlab中，構建初始數據矩陣；

42、根據三維粗糙裂隙的尺寸生成三維模擬網格，并對所述初始數據矩陣進行插值處理，生成所述三維粗糙裂隙上側壁面的幾何開度模擬曲面；

43、對所述三維粗糙裂隙上側壁面的幾何開度模擬曲面進行水平、垂直移動，模擬裂隙剪切滑動，得到三維粗糙裂隙下側壁面的幾何開度模擬曲面；

44、計算上下兩側壁面的幾何開度模擬曲面中各個網格處的開度差，得到三維粗糙裂隙的初始幾何開度場。

45、第四方面，本技術實施例提供一種電子設備，包括：存儲器、處理器、以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現上述第一方面或第二方面提供的任一方法。

46、第五方面，本技術實施例提供了一種計算機可讀存儲介質，存儲有計算機可執(zhí)行指令，所述計算機可執(zhí)行指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或第二方面提供的任一方法。

47、第六方面，本技術實施例提供了一種計算機程序產品，包含有計算機可執(zhí)行指令，所述計算機可執(zhí)行指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或第二方面提供的任一方法。

48、上述第三方面至第六方面中任一方面可以達到的技術效果可以參照上述第一方面、第二方面中有益效果的描述，此處不再重復贅述。