مدل‌سازي عددي اثر زبري بر رفتار جريان سيال در شكستگي طبيعي سنگ

Numerical modeling of roughness effect on fluid flow behavior in natural rock fracture with Fluent Software

در بسياري از پروژه‌هاي مهندسي ژئومكانيك، شناخت رفتار هيدروليكي شكستگي‌هاي سنگي به عنوان بخش تراواي توده‌سنگ ضروري است. پارامترهاي هندسي شكستگي، نظير زبري ديواره‌ها و بازشدگي شكستگي تاثير چشم‌گيري در رفتار هيدروليكي و مكانيكي آن دارد، در اين مقاله اين پارامترها به صورت عددي مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در تهيه مدل هندسي از اسكن سه بعدي ديواره‌هاي شكستگي سنگ طبيعي استفاده شده و با استفاده از نرم افزار Fluent و حل معادله‌هاي ناوير- استوكس در اين مدل، جريان سيال در شكستگي سنگ شبيه‌سازي شده است. اعتبار مدل‌سازي عددي نيز با نتايج آزمايشگاهي كنترل شده كه حاكي از صحت روش مدل‌سازي است. در ادامه براي محدوده وسيعي از نرخ جريان و زبري‌هاي متفاوت با استفاده از اين مدل عددي، جريان سيال در شكستگي سنگي مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج اين مدلسازي نشان مي‌دهد كه رابطه ماكروسكوپي فورچمهير به خوبي جريان غيرخطي سيال در شكستگي سنگي را توصيف مي‌كند. مقادير ضرايب خطي و غيرخطي معادله فورچمهير براي هريك از مدل‌هاي هندسي برآورد شده است. افزون برآن نتايج بدست آمده نشان مي‌دهد كه با افزايش بازشدگي، مقادير ضرايب خطي و غيرخطي كاهش مي‌يابد.

Rock fracture as a weakness plane in most cases determines the mechanical and hydraulic behavior of the rock mass. In many geomechanical projects such as exploitation of hydrocarbon reservoirs and storage of hydrocarbon materials, recognition of mechanical and hydraulic behavior of fractures is one of the most important issue of the study in design and implement. The most important parameter affecting fracture behavior is the geometry of features such as aperture and roughness. In this manuscript, these parameters are numerically studied. Using the cloud points obtained by scanning the natural fracture surfaces, the digital geometry model is made. The fluid flow is simulated in a rock fracture by solving Navier-Stokes equations, in these geometric models, using fluent software. The validity of this numerical modeling has been tested with the results of laboratory experiments, which suggests that the modeling method is correct. fluid flow in a rock fracture was investigated for a wide range of fluid flow rates and different roughness using this numerical model. The results of this numerical modeling demonstrate that the Forchheimer's relation describes well the flow of nonlinear fluid in a rock fracture. Also, the linear and nonlinear coefficients of the Forchheimer equation are estimated for each geometry. The results show that linear and nonlinear values increase with increasing the aperture.