粗糙单裂隙摩擦阻力与水流特性试验及模拟研究的任务书.docx

粗糙单裂隙摩擦阻力与水流特性试验及模拟研究的任务书
一、研究背景
在地质工程领域中，喀斯特地区是一个经常涉及的地质类型。在喀斯特地区，通常存在着粗糙的地质裂隙，这些裂隙对于地下水流或潜水河流会有非常重要的影响。因此，研究粗糙单裂隙的摩擦阻力与水流特性，将对喀斯特地区的水文地质工程领域具有重要的意义。
二、研究目的
1.研究基本摩擦阻力随流速、流量、单裂隙宽度、粗糙度等参数的变化规律；
2.研究壁面粗糙度对于摩擦阻力的影响，比较理论计算结果与实验结果的差异；
3.研究水流在单裂隙中的流态特征，确定其流动形式；
4.建立数学模型进行单裂隙水流的数值模拟，预测水流压力、流速、流量等参数的变化规律。
三、研究内容
1.设计实验方案，进行实验研究。设计不同大小、不同粗糙度的单裂隙，采用高精度流量仪表、压力传感器等仪器进行参数测试，记录摩擦阻力、流量、流速、压力等数据。
2.研究单裂隙水流的流态特征。通过记录单裂隙水流的颜色和形态等，在裂隙内的水流速度和流态特征上进行观察研究，得到水流在单裂隙中的流态特征。
3.建立数学模型进行单裂隙水流的数值模拟，预测水流压力、流速、流量等参数的变化规律。建立基于一维纳维尔-斯托克斯方程的单裂隙水流数学模型，通过有限元分析方法，对水流进行数值模拟，预测水流在单裂隙中的流运动规律。
4.分析实验结果和理论模拟结果，得出单裂隙摩擦阻力与水流特性规律，并在最后，提出完善的数学模型。
四、研究意义
1.将为喀斯特地区水文地质工程提供参考依据。喀斯特地区的地下水流或潜水河流的流速和流量等信息将对水资源的开发利用和环境保护起到一定的指导作用。
2.对粗糙单裂隙水流的摩擦阻力和流态特征进行深入的研究，有助于提高精细化水文模型的可信度和准确度。
3.为研究其他类似喀斯特地区的地质类型提供参考。
五、研究方法
本研究采用理论计算和实验研究相结合的方式，通过实验和数值模拟得到摩擦阻力与水流特性的实验数据和数学模型，然后进行相关分析和比较，旨在得出单裂隙摩擦阻力与水流特性的规律规律。
六、研究预期成果
通过本研究，我们预期可以得到以下成果：
1.系统性地研究一种正常的地质裂隙系统对水流的过程。
2.建立了基于一维纳维尔-斯托克斯方程的单裂隙水流数学模型，预测了水流压力、流速、流量等参数的变化规律。
3.分析了单裂隙水流流态特征，提高相关水文模型准确度和可信度。
4.分析了单裂隙壁面粗糙度对于摩擦阻力的影响，比较了理论计算结果与实验结果的差异。
5.提出优化的数学模型，为喀斯特地区的水文地质工程可视化建模与量化分析提供支持。
七、研究计划及进度
1.2019年9月-2020年1月科研立项
2.2020年1月-2020年6月完成实验研究、数据记录和分析
3.2020年6月-2020年9月完成对实验结果和理论模拟结果进行分析比较，并开展数据可视化处理工作
4.2020年9月-2021年2月完成数学模型建立、优化，准备论文撰写和发表
八、参考资料
[1]张鹏飞,陈瑶,韩鑫等,“粗壁面单裂隙水流现象与声学特性实验研究”,人民黄河,2014,36(1):48-51
[2]Chen,Zhang,Zhang，”泥质岩单裂隙岩石物理性质实验研究”,石油学报，2015，36（10）:1207-1215
[3]王宝芳，陈桂莲，“粗糙裂隙表面对溶蚀水流水力特性的影响”，地球物理学报，2015，58（12）：4314-4325