楊多興 薛自求 Simon A Mathias

1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2）日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，日本京都 619-0292

3）英國(guó)達(dá)拉莫大學(xué)地球科學(xué)系，英國(guó)

本文以經(jīng)典的孔隙介質(zhì)頂蓋驅(qū)動(dòng)方腔流動(dòng)為研究對(duì)象，完善流體動(dòng)量傳遞機(jī)制，發(fā)展高精度數(shù)值模擬技術(shù)，分析流體動(dòng)量傳遞特征及其主要控制因素。

論文考慮了流體與固體之間的動(dòng)量傳遞（Forchheimer效應(yīng)）與孔隙壁面粘性剪切效應(yīng)（Brinkman效應(yīng)），改進(jìn)了飽和多孔介質(zhì)流體動(dòng)量傳遞機(jī)制，首次解決了傳統(tǒng)模型導(dǎo)致流體動(dòng)量偏高問(wèn)題?？紫督橘|(zhì)頂蓋驅(qū)動(dòng)方腔流動(dòng)問(wèn)題為非線性不可壓縮粘性流動(dòng)，不可壓縮粘性流動(dòng)數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵是如何解決壓力與速度的耦合（流動(dòng)剛性）問(wèn)題。該論文借助人工壓縮思想，改進(jìn)了雙時(shí)間步隱式預(yù)處理方法，使得不可壓縮粘性流動(dòng)拋物-橢圓型控制方程具有雙曲型性質(zhì)，解決了流動(dòng)剛性問(wèn)題。

傳統(tǒng)的數(shù)值方法（如有限體積法、攝動(dòng)有限差分法、Lattice Boltzmann方法等）不能保證非線性物理量在時(shí)間和空間同時(shí)守恒，數(shù)值耗散效應(yīng)大，甚至出現(xiàn)非物理振蕩。該論文基于改進(jìn)的預(yù)處理技術(shù)，為多孔介質(zhì)流動(dòng)發(fā)展了帶有源（匯）項(xiàng)的二維、三維高精度時(shí)空守恒元與解元（The Space and Time Conservation Element and Solution Element method，CE/SE）方法。改進(jìn)的CE/SE算法把時(shí)間和空間統(tǒng)一起來(lái)同等對(duì)待，并利用守恒型積分方程通過(guò)解元和守恒元使局部和整體都嚴(yán)格滿足守恒律與熵條件，CE/SE算法把流場(chǎng)變量及其對(duì)空間偏導(dǎo)數(shù)都作為獨(dú)立變量同時(shí)求解，確保計(jì)算的高精度。

孔隙介質(zhì)頂蓋驅(qū)動(dòng)方腔流動(dòng)數(shù)值分析結(jié)果表明，達(dá)西數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)流體動(dòng)量傳遞和流態(tài)起控制作用，影響方腔中渦流的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。方腔中關(guān)聯(lián)渦流之間存在強(qiáng)烈的剪切層，削弱了頂蓋驅(qū)動(dòng)的能量向方腔深部的傳遞。該研究成果可用于解釋深部流體在地震孕育、觸發(fā)和斷裂活動(dòng)過(guò)程中的作用機(jī)制，以及石油與天然成藏機(jī)理等方面。