基于CFD-DEM耦合方法的粗糙裂隙灌浆浆液流动机制

《Processes》：Flow Mechanism of Grouting Slurry in Rough Fracture Based on CFD-DEM Coupling Method Yuanyuan Hou, Chenxi Miao, Desheng Zhu, Zhenhua Li, Feng Du, Wenqiang Wang, Xufan Yang and Zhengzheng Cao

　　

粗糙裂隙中骨料浆液灌注过程的流场调控与介质迁移特性直接关系到各类岩土工程中的灌浆修复工程。本研究选取的三种灌浆速度（0.5、0.55、0.6 m/s）处于地热储层高喷灌浆典型范围0.3–0.8 m/s之内。本研究采用赫斯特指数（Hurst exponent）方法构建三维粗糙裂隙模型，并基于Fluent–EDEM双向耦合模拟水泥浆液流动及骨料迁移，分析流场特征及其对骨料迁移的影响。结果表明，流场压力与黏度的差异影响粗糙裂隙流场分布与骨料迁移，导致分段非均匀速度——粗糙裂隙的上升段（Up-leg）与下降段（Down-leg）速度较高而平缓段（Flat-leg）速度稳定——并与壁面形态耦合。颗粒运动受流场控制，与速度云图所示规律一致，验证了几何形态、压力及剪切特性共同控制流体与颗粒运动的结论。压力云图显示粗糙裂隙内压力分布与壁面形态耦合：突变段压力较高，而Flat-leg段压力稳定。黏度云图表明突变段高黏度区域占比低于Flat-leg段。该研究为优化骨料浆液迁移、提高流场均匀性、减少浆液浪费及提升地下工程施工质量与效率提供了理论支撑。

断裂地质介质广泛存在于能源开发、地下工程及岩土工程中，常引发流体漏失、能量耗散及结构失稳等问题。灌浆技术作为地质介质裂隙封堵、渗流改善及强度增强的关键手段，其适用性直接影响岩土工程施工质量与资源利用效率。例如，在天津潘庄岩溶地热储层中，流体漏失可导致超过15%的工质损失，注采失衡已导致地热压力急剧下降。现有研究基于离散裂隙网络的灌浆优化方法及聚氨酯浆液劈裂灌浆技术等为相关应用提供了重要思路与参考。近年来，学者围绕灌浆技术开展了系统研究，形成了涵盖工艺创新、材料开发、工程评价及数值模拟的完整研究体系。然而，现有研究多聚焦于宏观过程与材料评价，对于粗糙裂隙内浆液流场调控及骨料迁移机制的精细化认识仍存在不足，尤其是天然裂隙壁面起伏对流场分布与颗粒迁移的耦合作用尚缺乏深入揭示。为此，研究人员以粗糙裂隙中灌浆浆液流动机制为核心，开展基于计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合方法的数值模拟研究，相关成果发表于《Processes》期刊，旨在为优化灌浆设计与提升地下工程施工质量提供理论支撑。

研究人员采用赫斯特指数方法构建三维粗糙裂隙模型，模型宏观几何尺寸为长650 mm、宽50 mm、开度10 mm，联合粗糙度系数（JRC）约11–13，代表中等粗糙程度裂隙。流体相采用宾汉流体（Bingham fluid）描述，基于连续性方程与纳维-斯托克斯（Navier–Stokes，N–S）方程求解；液相参数依据研究组通过正交试验确定的浆液配比，采用赫歇尔-巴尔克莱（Herschel–Bulkley）模型，具体包括一致性指数1.53、幂律指数0.66及屈服应力阈值6.51 Pa。颗粒相采用EDEM 2020软件及赫兹-明德林（Hertz–Mindlin）软球模型，粒径统一设置为1 mm，剪切模量4.7 × 10⁸ Pa，泊松比0.3。液相流场由FLUENT 2019基于N–S方程求解，颗粒相运动由EDEM追踪计算，通过双向耦合算法实现流固动量交换，时间步长2 × 10^?3 s。设计三组数值模拟工况，入口速度分别为0.5 m/s（a组）、0.55 m/s（b组）及0.6 m/s（c组）。

研究结果部分，"粗糙度对裂隙流场结构及速度分布的影响"方面，流场呈现非均质特征，存在局部高速区（一般超过0.52 m/s），沿裂隙壁面凸凹轮廓呈连续带状分布，集中于几何突变处（即Up-leg与Down-leg）；Flat-leg段速度回落至中等水平（约0.26–0.45 m/s），流场结构与壁面形态严格对应。几何突变区域因流道收缩形成大压力梯度，提供充足驱动力并引起惯性加速，同时主流区与近壁区速度差增大，增强层间相对运动，降低浆液等效黏度与流动阻力，最终形成局部高速区；Flat-leg段流道形态稳定，压力梯度小，惯性加速效应弱，层间速度差小，剪切作用弱，等效黏度高而流动阻力大，流速降低并趋于稳定。

"颗粒速度演化机制及流场验证"方面，基于EDEM中40个速度切片统计，揭示颗粒运动沿裂隙呈现三阶段差异化演化规律。以每三个特征色块为分析单元，a组Unit 1颗粒平均速度在Down-leg由约0 m/s升至0.64 m/s，Up-leg增至约0.9 m/s，Flat-leg回落至约0.69 m/s；b组依次为0 m/s至0.7 m/s、约0.71 m/s、约0.67 m/s；c组依次为0 m/s至0.75 m/s、约0.77 m/s、约0.74 m/s。研究表明颗粒运动沿裂隙呈现明显三阶段演化规律：受流体驱动（叠加颗粒初始速度），颗粒速度在Down-leg与Up-leg增加，在Flat-leg略有下降并趋于稳定，与速度云图反映的分布特征高度一致。结合局部升、降段液相体积分数云图，液相体积分数约90%的区域在Up-leg与Down-leg逐渐减少，沿流向总体逐渐增加，对应流道收缩加速流体、增强剪切、降低等效黏度与流动阻力，压力梯度驱动下浆液更易充填裂隙空间，骨料颗粒被有效输运分散。该演化规律对岩土工程实践具有重要启示：几何控制的分段流动直接决定灌浆充填均匀性及加固岩体稳定性，合理识别裂隙几何特征有助于优化灌浆压力与注浆速率。

"局部流体压力与黏度特性验证分析"方面，对应单元压力云图显示，Up-leg压力达1.91 × 10²–2.77 × 10¹⁰² Pa，Down-leg达到相当压力水平，平缓色块区压力相对稳定在约1.04 × 10²–1.47 × 10² Pa。Up-leg压力升高源于强制流收缩加速导致的动压转换与对流惯性，逆压梯度与惯性力共同驱动颗粒初始加速；Down-leg压力升高与流分离后涡旋区能量耗散及势能释放相关；Flat-leg压力梯度减弱，颗粒动能因湍流耗散而衰减。黏度云图显示，升、降段高黏度区域面积分数显著低于Flat-leg，因流道收缩迫使流体加速并急剧转向，显著放大主流核心与近壁流体层间速度差，强化剪切效应，黏度降低减小流动阻力；而Flat-leg稳定流道与均匀流动导致剪切弱、有效黏度高，增大流动阻力并降低流速。

讨论部分总结了以下研究结论：粗糙裂隙流场具有高度非均质性，几何突变区域速度与剪切强度显著更高，Up-leg颗粒平均速度变化率为正而Flat-leg为负，表明几何形态、压力及剪切共同控制流体与颗粒运动；压力与黏度与裂隙形态耦合，突变段压力更高而高黏度占比更低，支持浆液迁移机制；基于此提出地热储层裂隙分区灌浆策略——对于粗糙度大、流动波动显著的突变段，应适当调整灌浆压力或合理添加增稠剂以增强颗粒滞留与封堵性能；对于流场稳定的Flat-leg段，可采用常规灌浆参数以保证施工效率并减少材料消耗。