شماره مدرك
20868
شماره راهنما
2434 دكتري
پديد آورنده
رحماني شهركي، احمد
عنوان
مدلسازي فيزيكي و عددي جريان سيال در شكستگيهاي زبر و متقاطع سنگي
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مكانيك سنگ
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هفده، 187 ص: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
شكستگي سنگي زبر , تك شكستگي , شكستگي متقاطع , جريان سيال , روش حجم محدود , مدلسازي فيزيكي و عددي
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/22
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي معدن
دانشكده
مهندسي معدن
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/10/24
كد ايرانداك
23200201
چكيده فارسي
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.
چكيده انگليسي
Fluid flow in rock fractures, as one of the most important hydrogeological phenomena, plays a determining role in subsurface engineering applications, including geothermal energy systems, groundwater resource management, carbon storage, in-situ mining, and prediction of induced earthquakes. Mining and tectonic activities alter stress equilibrium and fracture geometry, directly impacting hydraulic behavior, flow distribution, and preferential fluid pathways. The geometric complexity of natural fractures—including surface roughness, variable apertures, contact points, and multiple intersections—imposes serious limitations on simplified models such as the cubic law and Darcyʹs law. This study aims to achieve a deeper understanding of fluid flow dynamics in rough and intersecting rock fractures by employing a comprehensive combination of physical, numerical, and machine learning approaches. In this study, a novel method for producing artificial fracture physical samples was first developed, based on the integration of 3D printing technology, photogrammetry, and concrete casting. This method enables the production of repeatable samples with precise control over geometric parameters. evaluation of the quality of produced samples using the Joint Roughness Coefficient index and advanced statistical parameters demonstrated a suitable match between artificial and real samples. Numerical modeling was performed based on the precise solution of the Navier-Stokes equations using a developed code. Comprehensive validation of numerical models with laboratory data for geometries with varying degrees of roughness showed high agreement. The design of laboratory equipment ensured boundary conditions identical to those in numerical simulations. Extensive parametric studies on single fractures revealed that increasing the fracture scale reduces the effect of roughness on outlet flow rate. The transition of the flow regime from linear Darcy to nonlinear Forchheimer was identified using the critical Reynolds number, which is highly dependent on roughness, dimensions, and fracture aperture. Results indicated that the equivalent hydraulic aperture is always less than the physical aperture, and relative permeability decreases with increasing Reynolds number. For the first time, a new sigmoidal relationship was developed to describe relative permeability as a function of Reynolds number, which accurately combines linear and nonlinear behaviors. Using design of experiments and machine learning algorithms, high-accuracy predictive models for flow rate and hydraulic aperture were developed. Analysis of intersecting fractures showed that geometric parameters such as intersection angle, intersection location, fracture length, and surface roughness have significant effects on flow distribution and permeability. Larger intersection angles led to reduced mixing and permeability, while increasing fracture length facilitated flow. Studies on multiple intersecting fractures, by comparing regular, irregular, and scaffold geometries, demonstrated that increasing network complexity has a significant impact on velocity patterns, fluctuations, and vorticity. In regular geometries, increasing the number of fractures led to reduced fluctuations and greater flow stability, whereas in irregular geometries, geometric complexities remained dominant. The results of this research, by providing new empirical relationships, machine learning models, and better understanding of physical mechanisms, offer practical tools for the design and optimization of engineering systems related to fractured rock environments.
استاد راهنما
عليرضا باغبانان
استاد مشاور
امين ازهري
استاد داور
محمود بهنيا , احمدرضا پيشه وراصفهاني , حسين جلالي فر