A new theoretical model for the nonlinear flow in a rough rock fracture under shear

机械 非线性系统 湍流 二次方程 流量(数学) 参数统计 惯性 剪切(地质) 断裂(地质) 数学 岩土工程 地质学 物理 经典力学 几何学 统计 量子力学 岩石学
作者
Min Gao,Xiangwei Zhu,Chengguo Zhang,Yingchun Li,Joung Oh
出处
期刊:Computers and Geotechnics [Elsevier BV]
卷期号:165: 105851-105851 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.compgeo.2023.105851
摘要

Shear deformations significantly affect the nonlinearity of fluid flow in rock fractures. To estimate this nonlinear flow using the Izbash equation, it is necessary to determine the Izbash coefficients. However, their parametric expressions are rarely mentioned, particularly when the shear-flow process is involved. This study proposed an improved Izbash equation-based model by incorporating the Darcy–Weisbach equation, along with a friction factor. The proposed model considers two asymptotic cases. At low Re regime, the fluid flow regime is dominated by the viscous effect, and the proposed model can be approximated to the cubic law. When Re reaches a certain threshold (Res), the fluid flow transitions into a fully turbulent flow regime where the inertia force dominates the fluid behaviours. Consequently, the proposed model is equivalent to the quadratic term of the Forchheimer equation. The proposed model is verified with the experimental results conducted on 5 rough fracture surfaces with normal stress from 0.5 to 3 MPa. Good correlations between the experimental and analytical curves illustrated that the proposed model of strong theoretical foundation yielded good prediction signified by the Normalised Objective Function (NOF) and an average error (σ¯ave) within 0.18 and 15 %, respectively.
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