Effect of shear-thinning rheology on transition of nonlinear flow behavior in rock fracture
作者：Hao Gao, Guowei Ma*, Longbang Qing*, Decheng Zhang
论文内容
地下工程常穿过断层或节理裂隙区域，容易出现涌水的状况。注浆是阻塞地下水流动，增强岩体抗渗性能和稳定性的有效方法。浆液作为一种非牛顿流体，流动过程中会发生剪切减稀现象，剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系。目前研究主要聚集在岩石裂隙表面形态（如粗糙度，开度，接触）导致牛顿流体的非线性流动方面。而裂隙形态和剪切减稀流变性之间的复杂作用尚不清楚，尤其是接触区域的演变对浆液非线性流动特性的影响未得到明确解释。针对上述问题，本文建立了三维接触裂隙模型，提出采用Herschel-Bulkley-Papanastasiou（HBP）模型描述流变特性，对不同接触裂隙中的剪切减稀流体流动进行了模拟。主要研究结论如下：
（1）为节省求解时间并获得精确结果，对5种不同网格大小的计算结果进行了分析。细网格和超细网格精度下的计算结果基本一致，但细网格缩短了计算时间。将数值结果和解析解作对比，验证了HBP流变模型的准确性。
（2）与牛顿流体类似，浆液在裂隙内沿最小阻力路径流动，优势通道尤为明显。裂隙接触和速度边界使浆液的惯性效应增加，流线的弯曲度增大，接触区附近出现明显的涡流。流量与压降之间的非线性关系可由福希海默定律描述。
（3）随着流变指数的增大，浆液表观粘度的变化影响了裂隙内的局部流动，粘性效应会超过惯性效应，抑制涡流区的发展，延缓非线性流动。根据裂隙中的涡量分布，将流场分为稳定区、过渡区和发展区。
（4）基于能量守恒，提出了量化浆液粘性耗散的方法来阐释剪切减稀流变特性对抑制非线性流动的作用机理。确定了浆液从惯性主导非线性流态过渡到流变性主导线性流态的临界雷诺数。
本研究为评估具有不同流变特性的非牛顿流体在复杂裂隙中流动模式的转变提供了可靠的依据。
图1 三维裂隙数值模型及网格划分
图2 不同边界条件下速度场的变化（二维视图）
图3 局部裂隙内涡流区的变化：(a) n = 0.5, (b) n = 0.6, (c) n = 0.7, (d) n = 0.8, (e) n = 0.9
图4 不同流变指数条件下Ta/T0与Re的关系: (a) C=3.4%，(b) C=6.6%, (c) C=10.2%, (d) C=17.5%
作者信息
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第一作者
高浩
河北工业大学 土木与交通学院
博士研究生
邮箱：haogao1118@foxmail.com
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第二作者/通讯作者
马国伟
河北工业大学 土木与交通学院
教授/博导
邮箱：guowei.ma@hebut.edu.cn
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第三作者/通讯作者
卿龙邦
河北工业大学 土木与交通学院
教授/博导
邮箱：qing@hebut.edu.cn
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第四作者
张德成
河北工业大学 土木与交通学院
副教授
邮箱：decheng.zhang@hebut.edu.cn
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