基于LBM–DEM耦合计算模型的含水层内悬浮颗粒运动特性

摘要

基于格子Boltzmann法（LBM）与离散单元法（DEM）的基本理论，通过对格子单松弛模型演化方程进行修正，建立LBM–DEM耦合计算模型。引入浸没移动边界方法（IMB）处理复杂的流–固边界问题，利用编程软件MATLAB开发LBM–IMB–DEM耦合求解程序，对悬浮颗粒在含水介质中的运动过程进行模拟计算。通过开展层析柱强制渗流试验，模拟DKT算例，验证了计算模型与求解方法的正确性；从孔隙尺度分析地下水动力、颗粒形貌和尺寸效应对含水层渗透性能的影响。结果表明：当进口流速为5×10–5 m/s，向含水介质注入球形硅微粉悬浮液时，含水层各区域的渗流速度均呈现下降、回升、稳定的3个连续阶段；随着渗流速度的降低，颗粒滞留率增加了47.4%，所选3个断面平均流速恢复率降低。将悬浮颗粒由球形硅微粉替换为非球形硅微粉后，所选3个断面的平均流速最大降幅分别提高了15.0%、11.4%、2.6%，恢复率依次降低了37.5%、69.6%、71.9%，含水介质的颗粒滞留率增加了47.9%。基于颗粒受力平衡分析可知，球形硅微粉转动惯量较低，易于滚动并脱离含水介质表面；同等效体积的非球形硅微粉比表面积更大，而且多絮凝成团，迁移过程中出现沉积或被孔喉捕获的机率提高，并且沉积后难以发生再释放过程。随着渗流速度的降低与含水介质计算区域的增加，悬浮颗粒形貌的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度增强。

关键词

颗粒运移 / 格子Boltzmann方法(LBM) / 离散单元法(DEM) / 形貌特征 / 尺寸效应