一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法技术

本发明专利技术属于岩土工程技术领域，提供了一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法。本发明专利技术基于孔隙介质力学基本理论，结合水合物沉积物的力学特性、流动特性以及传热特性，给出了描述水合物沉积物物理力学行为的控制方程和本构方程。利用COMSOL Multiphysics软件中的PDE模块实现温度、压力以及饱和度的控制方程离散，采用结构力学模块中的外部材料接口，嵌入了基于热力学方法的水合物沉积物临界状态本构模型。同时，采用向后欧拉积分形式的返回映射算法，利用C++语言编写模型程序，实现考虑水合物分解过程的沉积物力学行为数值模拟与分析。

A modeling method for multi field coupled model of sediment considering hydrate decomposition

The invention belongs to the field of geotechnical engineering technology, and provides a method for modeling a multi field coupling model of a sediment in which hydrate decomposition is considered. The basic theory of mechanics of porous media based on the combination of mechanical properties, hydrate sediment flow characteristics and heat transfer characteristics, gives the control equation to describe the physical and mechanical behavior of hydrate sediments and constitutive equation. Temperature, pressure and saturation of the discrete control equations using PDE COMSOL module in Multiphysics software, using the external material interface structure mechanical module, embedded in the hydrate sediment critical state constitutive model based on thermodynamic method. At the same time, the back mapping algorithm of back Euler integral form is adopted, and the model program is written by C++ language to realize the numerical simulation and analysis of sediment mechanical behavior considering hydrate decomposition process.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法
本专利技术属于岩土工程领域，具体涉及一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建模方法。技术背景天然气水合物全球储量巨大，分布广泛，作为潜在的可替代能源，受到了世界各国政府的高度关注。然而，天然气水合物大多赋存在永久冻土区和大陆边缘，开采难度大，其开采过程会引起沉积层变形，不合理的开采将导致地层沉降和海底滑坡，并可能诱发海啸、温室效应等次生灾害。因此，天然气水合物沉积层的物理力学特性研究显得尤为重要。然而，水合物分解过程复杂，涉及多相多孔介质内含相变多场耦合问题，目前国内外缺少能够精确描述水合物分解过程沉积层力学特性的多场耦合模型。Kimoto等首次尝试将岩土力学与渗流、传热耦合，考虑了应变率对变形计算的贡献，分析了水合物分解过程对土体蠕变和强度衰减的影响，但是该模型极其复杂，参数众多，且不能分析水合物赋存结构变化引起的应变软化。Rutqvist等基于TOUGH+HYDRATE程序，利用FLAC商业软件，进行了渗流-力学半耦合计算，实现了岩土力学与水合物分解模拟的结合。该模型通过建立水合物饱和度与模量、强度的关系式，能够模拟水合物分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建立方法，其特征在于，步骤如下：(一)基于孔隙介质力学推导多场耦合控制方程根据孔隙介质力学，α相物质体积分数为

【技术特征摘要】
1.一种考虑水合物分解的沉积物多场耦合模型的建立方法，其特征在于，步骤如下：(一)基于孔隙介质力学推导多场耦合控制方程根据孔隙介质力学，α相物质体积分数为其中，α为s、w、g或h，分别代表沉积物颗粒、水、气体和水合物；V表示体积，Vα表示α相物质的体积；水合物、孔隙水和孔隙气饱和度分别定义为sh＝nh/n、sw＝nw/n和sg＝ng/n，其中，n是孔隙率；三者之间关系如下所示：sw+sh+sg＝1(2)根据孔隙介质力学，α相物质的质量守恒方程表示为：其中，为速度散度，ρα表示α相物质的密度，dmα/dt表示α相物质的质量累积，即源或汇；沉积物颗粒的连续性方程为：以沉积物颗粒作为骨架，则有εv为体积应变；对于水和气体，其连续性方程为：水合物连续性方程为：沉积物骨架由沉积物颗粒与水合物共同构成，且不考虑水合物从沉积物骨架中挤出，故vs＝vh；方程中的质量累积项满足化学反应过程中的质量守恒，因此将流速使用达西流速表示vw＝qw/nw+vs和vg＝qg/ng+vs分别代入到连续性方程(6)和(7)中，其中，vw、vg和vs分别是孔隙水、孔隙气以及土骨架的速度，并且忽略nw、ng和密度的空间分布对质量守恒的影响，得：通过孔隙介质力学理论描述水合物沉积物的能量守恒；满足机械能守恒定律，不考虑内力做功对温度变化的微弱影响；方程如下所示：其中，导热系数KT利用叠加原理获得：KT＝nsKTs+ngKTg+nhKTh+nwKTw；KTs、KTg、KTh和KTw分别为固体、气体、水合物和水的导热系数；cT是水合物沉积物的总热容，满足cT＝ρsnscs+ρgngcg+ρhnhch+ρwnwcw，其中，cs、cg、ch、cw分别为沉积物颗粒、气体、水合物和水的比热；ΔH为每mol水合物相变引起的热量变化，通过Kamath回归方程计算，满足ΔH＝c1+c2T，c1和c2为两个回归参数；力平衡方程的具体描述为：其中，σ为总应力，fα为α相物质流体的渗透阻力；根据有效应力原理，截面上应力等于有效应力与孔隙压力之和，表示为：σ＝σ'-ppδ(16)其中，σ'为有效应力，pp为孔隙压力；δ为单位矩阵；对于水合物沉积物，其孔隙压力表达式如下所示：其中，pw和pg分别为孔隙水压力和孔隙气压力；(二)COMSOLMultiphysicsPDE建模控制方程包括方程(8)、(10)-(13)，其中偏微分方程通过有限元离散化为常微分方程进行求解，采用的单元类型为混阶Lagrange单元；选取Lagrange插值形函数Nu，Npw，Npg，NT，Nqw，Nqg，NqT代入到控制方程中，并通过变分原理得到常微分方程：Kuu:u+Kupgpg+Kupwpw＝Fu(18)其中，2

【专利技术属性】
技术研发人员：宋永臣，李洋辉，孙翔，刘卫国，杨明军，赵佳飞，刘瑜，张毅，王大勇，赵越超，蒋兰兰，凌铮，罗昊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21