مدل‌سازي فيزيكي و عددي جريان سيال در شكستگي‌هاي زبر و متقاطع سنگي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي معدن

دكتري

جريان سيال در شكستگي‌هاي سنگي به‌عنوان يكي از مهم‌ترين پديده‌هاي هيدروژئولوژيكي، نقش تعيين‌كننده‌اي در كاربردهاي مهندسي زيرسطحي از جمله سيستم‌هاي انرژي زمين گرمايي، مديريت منابع آب زيرزميني، ذخيره‌سازي كربن، معدن‌كاري برجا، و پيش‌بيني زمين‌لرزه‌هاي القايي ايفا مي‌كند. فعاليت‌هاي معدنكاري و تكتونيكي موجب تغيير تعادل تنش‌ها و هندسه شكستگي‌ها شده كه به‌طور مستقيم بر رفتار هيدروليكي، توزيع جريان و مسيرهاي ترجيحي سيال اثر مي‌گذارد. پيچيدگي هندسي شكستگي‌هاي طبيعي شامل زبري سطوح، بازشدگي‌هاي متغير، نقاط تماس و تقاطع‌هاي چندگانه، محدوديت‌هاي جدي را بر مدل‌هاي ساده‌سازي‌شده مانند قانون مكعب و دارسي تحميل مي‌كند. اين مطالعه با هدف درك عميق‌تر ديناميك جريان سيال در شكستگي‌هاي زبر و متقاطع سنگي، تركيبي جامع از رويكردهاي فيزيكي، عددي و يادگيري ماشين را به‌كار مي‌برد. در اين مطالعه، ابتدا روشي نوين براي توليد نمونه‌هاي فيزيكي شكستگي مصنوعي توسعه يافت كه بر پايه تركيب فناوري چاپ سه‌بعدي، فتوگرامتري و قالب‌گيري با بتن استوار است. اين روش امكان توليد نمونه‌هاي تكرارپذير با كنترل دقيق پارامترهاي هندسي را فراهم كرد. ارزيابي كيفيت نمونه‌هاي توليدشده با استفاده از شاخص ضريب زبري درزه و پارامترهاي آماري پيشرفته نشان داد كه تطابق مناسبي بين نمونه‌هاي مصنوعي و واقعي ايجاد شده است. هدف از توليد نمونه هاي مصنوعي، اعتبارسنجي كدهاي عددي استفاده شده و اطمينان از صحت نتايج بود. مدل‌سازي عددي بر اساس حل دقيق معادلات ناوير-استوكس با استفاده از كد توسعه‌يافته انجام شد. اعتبارسنجي جامع مدل‌هاي عددي با داده‌هاي آزمايشگاهي براي هندسه‌هاي با درجات مختلف زبري تطابق بالايي را نشان داد. طراحي تجهيزات آزمايشگاهي، شرايط مرزي يكسان با شبيه‌سازي‌هاي عددي را تضمين كرد. مطالعات پارامتري گسترده بر روي تك شكستگي‌ها نشان داد كه افزايش مقياس شكستگي، اثر تغييرات توزيع زبري را بر دبي خروجي كاهش مي يابد اما همچنان اثر زبري بر كاهش دبي وجود دارد. گذار رژيم جريان از حالت خطي دارسي به غيرخطي فورچايمر با استفاده از عدد رينولدز بحراني مشخص شد كه به‌شدت به زبري، ابعاد و بازشدگي شكستگي وابسته است. نتايج نشان داد بازشدگي هيدروليكي معادل همواره كمتر از بازشدگي فيزيكي بوده و با افزايش عدد رينولدز، تراوايي نسبي كاهش مي‌يابد. براي اولين بار، رابطه سيگموئيدي جديدي براي توصيف تراوايي نسبي برحسب عدد رينولدز توسعه داده شد كه رفتار خطي و غيرخطي را با دقت بالا تركيب مي‌كند. با استفاده از طراحي آزمايش و الگوريتم‌هاي يادگيري ماشين، مدل‌هاي پيش‌بيني‌كننده‌اي با دقت بالا براي دبي و بازشدگي هيدروليكي توسعه يافت. تحليل شكستگي‌هاي متقاطع نشان داد كه پارامترهاي هندسي نظير زاويه تقاطع، محل تقاطع، طول شكستگي و زبري سطح تأثير قابل‌توجهي بر توزيع جريان و تراوايي دارند. زواياي تقاطع بزرگ‌تر باعث كاهش اختلاط و تراوايي شدند، درحالي‌كه افزايش طول شكستگي جريان را تسهيل كرد. مطالعات شكستگي‌هاي متقاطع چندگانه با مقايسه هندسه‌هاي منظم، نامنظم و داربستي نشان داد كه افزايش پيچيدگي شبكه بر الگوي سرعت، نوسانات و چرخش سيال تأثير معناداري دارد. در هندسه‌هاي منظم، افزايش تعداد شكستگي‌ها موجب كاهش نوسانات و پايداري بيشتر جريان شد، درحالي‌كه در هندسه‌هاي نامنظم پيچيدگي‌هاي هندسي همچنان مسلط بودند. نتايج اين تحقيق با ارائه روابط جديد، مدل‌هاي يادگيري ماشين و فهم بهتر از مكانيزم‌هاي فيزيكي، ابزارهاي كاربردي براي طراحي و بهينه‌سازي سيستم‌هاي مهندسي مرتبط با محيط‌هاي سنگي شكسته فراهم مي‌آورد.

236699

مكانيك سنگ

مهندسي معدن

دانشگاه صنعتي اصفهان