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基于PD-FEM-FVM耦合的饱和多孔介质水力压裂裂缝扩展模拟新方法
1. 主要摘要
本文提出了一种新型的基于PD（周边动力学）-FEM（有限元方法）-FVM（有限体积法）的耦合方法，用于高效模拟饱和多孔介质中的水力压裂裂缝扩展。该方法在经典Biot理论基础上，通过PD-FEM描述固体变形及破坏过程，采用FVM基于Darcy定律计算孔隙水压力。流体压力与固体变形的相互作用通过固体与流体层间的过渡层实现。数值验证结果表明，该方法既保持了计算精度，又显著提高了计算效率，能够有效模拟复杂裂缝扩展及多裂缝同步扩展过程。
2. 引言
在隧道及地下工程中，由于地下水的存在，地质灾害的发生往往与应力-渗流耦合有关。水力压裂技术广泛用于能源开采、地质灾害探测等领域，因此准确描述岩体的水力压裂过程和揭示应力-渗流耦合失效机制具有重要意义。目前常见的计算方法包括FEM、DEM（离散元法）以及FEM-DEM等混合方法，但这些方法对模拟复杂裂缝扩展效率低。本文提出了PD-FEM-FVM的耦合方法，通过PD描述固体的非局部特性，结合FEM和FVM的高效性，显著提升了水力压裂过程的模拟效率。
3. 主要内容
PD利用非局部相互作用解决裂缝尖端奇异性问题，适合描述连续-非连续问题。基于构建材料点间的应力状态，PD可通过“键”作用描述裂缝生成和扩展。
FVM具有适应性强、求解流体流动问题效率高的优点。该方法在控制体积积分方程的基础上离散流场，使流体在粗网格下依然保持整体守恒性，适合渗流计算。
固体部分使用PD和FEM耦合，PD区域用于模拟可能发生破坏的区域，FEM区域用于仅发生变形的区域。基于单相饱和多孔介质的有效应力原理，修正了PD和FEM的运动方程，确保流体压力对固体变形的影响。
流体部分采用Darcy定律描述饱和多孔介质中的渗流过程，通过FVM离散控制体积，确保流体压力在固-液耦合过程中与固体区域相互传递。
过渡层作为固体层和流体层的接口，实现了流体压力和固体变形之间的双向作用。流体压力通过过渡层传递至固体，影响固体区域的变形与破坏；同时，固体的变形和损伤状态也传递至流体网格中，调节渗透率的变化。
通过多孔介质渗流模型验证了PD-FEM-FVM方法的有效性。模拟结果与解析解吻合，证明了该方法在饱和多孔介质渗流中的准确性。
模拟了单裂缝岩体的水力压裂过程，数值结果与实验数据基本一致。PD-FEM-FVM方法能够有效描述裂缝扩展路径，并验证了裂缝方向和流体压力梯度的变化情况。
针对含双裂缝的岩体进行了同步水力压裂模拟，分析了裂缝的同步扩展过程。结果显示该方法能够准确模拟多裂缝的交叉扩展过程，且与实验结果一致，进一步验证了方法的可靠性。
4. 主要结论
1. PD-FEM-FVM方法在流固耦合计算中有效提升了计算效率
该方法结合了PD的非局部裂缝描述能力与FEM、FVM的高效性，在保持计算精度的同时显著提高了流固耦合的计算效率。
2. 验证了PD-FEM-FVM方法对饱和多孔介质中裂缝扩展过程的模拟能力
数值验证表明，该方法能够准确模拟多孔介质中的渗流及裂缝扩展，与解析解及实验结果一致。
3. 应力状态对裂缝扩展路径的影响显著
研究表明，在水力压裂过程中，裂缝扩展路径显著受应力状态影响，裂缝倾向于沿最大主应力方向扩展，验证了应力比对裂缝扩展的诱导作用。
4. PD-FEM-FVM方法在多裂缝同步扩展模拟中展现出良好适用性
通过双裂缝水力压裂模拟，证明该方法能够准确再现多裂缝的同步扩展行为，为复杂裂缝系统的模拟提供了新思路。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— VOF-DEM耦合探讨多孔介质的应变敏感特性
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM裂缝性地层颗粒-流体渗流模拟
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
