流固耦合问题研究进展及展望流固耦合问题研究进展及展望摘要：天然岩体大多数为多相不连续介质，岩体内充满着诸如节理、裂隙、断层、接触带、剪切带等各种各样的不连续面，为地下水提供了储存和运动的场所。地下水的渗流以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布；同时岩体应力场的改变使裂隙产生变形，从而影响了裂隙的渗透性能，因此，流固耦合问题研究主要考虑流体在固体中的变化规律，尤其是流体渗流与和岩体应力之间的耦合作用,通过对国内外相关文献的分析与整理，从流固耦合的研究现状、特点、研究方法及展望这四个方面进行了论述。关键词：流固耦合；岩体；地下水；研究方法；渗流：X523文献标识码：A：天然岩石不只是单一固相介质，尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合，岩石经历了漫长的成岩和改造历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了储存和运动的场所。地下水的渗流还以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化重新分布，因此，在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响，即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及许多领域，在采矿领域，涉及地热开发，石油开采中的流固耦合渗流，采矿围岩突水问题等。在建筑工程领域，包括地下水抽取引起的地面沉降问题，基坑渗流引起变形问题，坝基渗流及稳定性问题，隧道建设等。在环境工程领域涉及地下核废料存储，城市垃圾废弃物处理等以及生物医学工程等领域，这一问题的研究对促进科技进步和解决实际工程技术问题有着重要意义。1国内外研究现状关于岩体和流体相互作用研究最早见诸K.Terzaghi对有关地面沉降研究，其内容主要限于考虑一维弹性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式，迄今该公式仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一。二十世纪中期Biot(1941,1956)进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些假设，如材料为各向同性、线弹性小变形，孔隙流体是不可压缩的且充满固体骨架的孔隙空间，而流体通过孔隙骨架的流动满足达西定律的基础上，建立了比较完善的三维固结理论。在此基础上，进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合作用的理论模型，并在连续介质力学的系统框架内建立了多相流体运移和变形空隙介质耦合问题的理论模型。Lous等（1974）运用单裂隙试件进行单向水流的室内模型，综合研---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---究了天然裂隙表面粗糙度和波纹特征对水流速度的影响，并建立了层流状态和紊流状态的单个裂隙导水系数方程。在此基础上,运用多裂隙试件,通过三向水流试验,推导出了一组平行裂隙面定性导水系表达式。国内董平川等建立了可变形饱和储层中流体流动的数学模型，本构模型中考虑了弹塑性变形、蠕变等因素，以位移和流体压力为未知量建立了统一的有限元求解格式，并以单井开采为例子进行了数值模拟。薛世峰建立了非混溶饱和两相渗流与孔隙介质耦合作用的数学模型，推导了用解耦合方法建立的有限元计算格式，并对流固耦合效应进行分析。李锡夔讨论了力学一渗流一传质藕合问题的数学模型，本构模拟，应变局部化分析的非经典连续体有限元方法以及饱和土动力学有限元分析的分步算法等。冉启全建立了油藏多相渗流与应力耦合渗流的数学模型，考虑了渗透率、孔隙度等参数变化，采用有限分与有限元交替迭代求解方法，并采用原始模型(非耦合)，弹性模型，塑性模型进行计算，表明耦合效应及本构模型选取对计算结果影响明显。范学平等利用有限差分法给出了油藏渗流与岩土线弹性变形之间的耦合解法，研究了应变、孔隙度、渗透率等随时间变化的规律，计算表明井底附近参数变化比较大，而距这一区域越远，受影响程度越小。王自明从质量能量守恒定律，热力学定律等基本定律出发，用连续介...