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Numerical analysis of seepage law for radial fluid flow in a single fracture: Comparison between smooth and rough fractures

机械 断裂(地质) 达西定律 流量(数学) 岩土工程 体积流量 光圈(计算机存储器) 非线性系统 物理 法学 地质学 多孔介质 多孔性 量子力学 政治学 声学
作者
Lei Shi,Guojie Guan,Jianwei Zhang,Bin Zhang,Danqing Song
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0180876
摘要

This paper investigated the differences for the hydraulic characteristics in a single fracture between using the Navier–Stokes (N–S) equation and Darcy's law, which would be benefit to understand the seepage mechanism in the fracture. A numerical model of the radial flow was established considering the aperture size and water injection flow rate. Some conclusion could be given. First, the Darcy's law only described the seepage characteristics when the flow rate was small when the flow rate and pressure response have a linear relationship. While the N–S equation could describe the linear and nonlinear seepage characteristics, resulting in a better model of the actual fracture seepage flow. Second, the aperture size had a limited influence on the water pressure and seepage velocity inside the fracture when the flow rate was small. It began to have a significant impact influence on the seepage characteristics inside the fracture with the aperture increased. Third, the flow–pressure response conformed to the Forchheimer equation in the fracture. The critical Reynold number would decrease from 1.2 to 0.0116 when fracture aperture decreased from 3 to 0.5 mm using the N–S equation. The degree of nonlinearity of the fluid flow increases with fracture roughness increasing. This work gave a guidance to the difference in the two seepage theories and correction for the result by Darcy law, which was widely used in the engineering calculation.
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