Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2023 Vol.24 No.1 P.1-90

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Multiscale Multiphysics Modeling in Geotechnical Engineering

Guest Editor-in-Chief: Zhenyu YIN; Guest Editors: Qi ZHANG, Farid LAOUAFA

Editorial

Editorial: Multiscale multiphysics modeling in geotechnical engineering

Zhenyu YIN, Qi ZHANG, Farid LAOUAFA

DOI: 10.1631/jzus.A22MMMiG Downloaded: 635 Clicked: 673 Cited: 0 Commented: 0(p.1-5) <Full Text>

Chinese summary <351> 岩土工(gōng)程中(zhōng)的多場多尺度模拟

作者：尹振宇¹，張琦¹，Farid LAOUAFA²
機構：¹香港理工(gōng)大(dà)學，土木及環境工(gōng)程學系，中(zhōng)國香港；²國家工(gōng)業環境與風險研究所（INERIS），法國韋爾讷伊昂阿拉特，60550
概要：在岩土工(gōng)程領域，許多應用都涉及到多尺度和多物(wù)理場，例如内部侵蝕、水力壓裂、能源樁、城市垃圾處理、非常規油氣藏的生(shēng)産、天然氣水合物(wù)的熱激法和降壓法開(kāi)采、路面的凍融循環、放(fàng)射性廢物(wù)處理、污染物(wù)運移和二氧化碳封存等等。在文獻中(zhōng)，這些多物(wù)理場通常可能包括以下(xià)兩個或者兩個以上方面：固體(tǐ)變形、流體(tǐ)流動擴散、熱傳導和熱對流、化學/生(shēng)物(wù)反應、電場等等。此外(wài)，所研究的空間尺度可以從納米級到微米級到數百公裏級，時間尺度也可以從納秒到數百或數千年不等。近些年來，受益于計算能力的持續發展和對精密設備制造的大(dà)量投資(zī)，數值模拟和多尺度實驗室測試已成爲地質力學及其相關領域的主流方法。科學家們爲了求解多尺度和多物(wù)理場過程，已經開(kāi)發并成功應用了不同的本構理論、控制方程模型、數值離(lí)散方法、求解器等等。爲此，本專題收集在該研究領域具有代表性的研究成果，涵蓋用計算流體(tǐ)動力學和離(lí)散元法進行多層土的潛蝕模拟、裂縫變形滞回曲線對二氧化碳吞吐的影響、鹽堿岩和石膏岩的溶解、射孔圍岩水力壓裂的起裂過程這四個方面。我(wǒ)們希望通過本專題，能幫助讀者加強對各個研究領域的理解，進一(yī)步推動多場多尺度問題的應用和發展。

關鍵詞組：多場耦合；岩土工(gōng)程

Research Articles

CFD-DEM modelling of suffusion in multi-layer soils with differentfines contents and impermeable zones

Pei WANG, Ying GE, Tuo WANG, Qi-wei LIU, Shun-xiang SONG

DOI: 10.1631/jzus.A2200108 Downloaded: 1170 Clicked: 1050 Cited: 0 Commented: 0(p.6-19) <Full Text> <PPT> 347

Chinese summary <353> 不同細顆粒含量及含不透水區域層狀土試樣計算流體(tǐ)動力學-離(lí)散元法潛蝕模拟

作者：王培¹，葛穎¹，王拓¹，劉骐炜²，宋順翔¹
機構：¹香港理工(gōng)大(dà)學，土木與環境工(gōng)程系，中(zhōng)國香港，999077；²湖南(nán)大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國長沙，410082
目的：不同細顆粒含量及含不透水區域層狀土中(zhōng)的潛蝕過程與均質土中(zhōng)的潛蝕過程存在差異。本文旨在探讨非均質土以及複雜(zá)邊界條件下(xià)間斷級配土的潛蝕過程。
創新點：1.建立計算流體(tǐ)動力學-離(lí)散元法（CFD-DEM）耦合數值模型，并通過單顆粒下(xià)落速度和Ergun測試進行模型驗證，确認該方法的準确性；2.分(fēn)析不同細顆粒含量層狀土對潛蝕量的影響，從而闡述非均質土中(zhōng)潛蝕的演化過程；3.揭示層狀土中(zhōng)不同分(fēn)布的不透水區域對潛蝕的影響。
方法：1.采用顆粒下(xià)落以及Ergun測試對CFD-DEM耦合數值模拟中(zhōng)流體(tǐ)及顆粒參數進行标定（圖2）；2.利用标定參數對具有不同細顆粒含量的層狀土試樣進行潛蝕模拟（圖7）；3.對含有不透水區域的層狀土試樣進行潛蝕模拟。
結論：1.對于層狀土樣，累積侵蝕質量主要由底層土層決定；一(yī)般來說，底層土層的細顆粒含量越多，累積侵蝕量越大(dà)；此外(wài)，當底層以上的土層細顆粒含量較高時，潛蝕得到緩解；反之，則潛蝕較爲嚴重。2.對具有不同不透水區域的試樣進行的測試表明，流量在決定累積質量方面起主要作用；土樣内部的不透水區域可以增加周圍區域的流速，有利于細顆粒的遷移，加劇潛蝕；但當不透水區域較多時，由于增加了流動路徑的長度，阻礙細顆粒的遷移，潛蝕程度則有所降低。

關鍵詞組：潛蝕；層狀土樣；流動邊界；不透水區；CFD-DEM

Modelling and applications of dissolution of rocks in geoengineering

Farid LAOUAFA, Jianwei GUO, Michel QUINTARD

DOI: 10.1631/jzus.A2200169 Downloaded: 767 Clicked: 924 Cited: 0 Commented: 0(p.20-36) <Full Text>

Chinese summary <527> 岩石溶解的建模與應用

作者：Farid LAOUAFA¹，郭建威²，Michel QUINTARD^3，4
機構：¹國家工(gōng)業環境與風險研究所（INERIS），法國韋爾讷伊昂阿拉特，60550；²西南(nán)交通大(dà)學，力學與航空航天學院，中(zhōng)國成都，610031；³圖盧茲大(dà)學，INPT,UPS,IMFT（圖盧茲流體(tǐ)研究所），卡米爾蘇拉，法國圖盧茲,F-31400；⁴法國國家科學研究中(zhōng)心，圖盧茲流體(tǐ)研究所，法國圖盧茲，F-31400
目的：展示一(yī)種用于描述溶解過程及其與岩土工(gōng)程的耦合的方法，預測地下(xià)洞穴的發育過程，爲天坑等地質災害的防治提供依據。
創新點：用達西尺度模型的擴散界面代替孔隙尺度模型的銳利界面來描述溶解過程，提升研究對象的尺度和計算效率。
方法：利用體(tǐ)積平均法将孔隙尺度模型上推到達西尺度。
結論：達西尺度模型描述溶解過程與孔隙尺度模型的結果吻合良好，可廣泛應用于岩土工(gōng)程中(zhōng)的各類溶解問題。

關鍵詞組：溶解；建模；尺度；蒸發岩；變形；塑性

Effect of hydraulic fracture deformation hysteresis on CO2huff-n-puff performance in shale gas reservoirs

Xia YAN, Pi-yang LIU, Zhao-qin HUANG, Hai SUN, Kai ZHANG, Jun-feng WANG, Xia YAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200142 Downloaded: 1122 Clicked: 951 Cited: 0 Commented: 0(p.37-55) <Full Text>

Chinese summary <181> 水力裂縫變形滞後對頁岩氣藏CO₂吞吐的影響研究

作者：嚴俠¹，劉丕養²，黃朝琴¹，孫海¹，張凱^1，2，王俊鋒³，姚軍¹
機構：¹中(zhōng)國石油大(dà)學（華東），石油工(gōng)程學院，中(zhōng)國青島，266580；²青島理工(gōng)大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國青島，266520；³中(zhōng)國石油川慶鑽探工(gōng)程有限公司，川東鑽探公司，中(zhōng)國重慶，40112
目的：在頁岩氣藏CO₂吞吐過程中(zhōng)，水力裂縫處于循環載荷作用下(xià)時，極易發生(shēng)不可逆變形（變形滞後），影響吞吐效果。本文旨在建立考慮水力裂縫變形滞後的頁岩氣藏CO₂吞吐流固耦合模型，形成相應的高效求解方法，并開(kāi)展流固耦合數值模拟研究，以揭示變形滞後對CO₂吞吐的影響規律。
創新點：1.建立考慮水力裂縫變形滞後、複雜(zá)裂縫系統和特殊流動機理的頁岩氣藏多組分(fēn)流固耦合模型，并形成相應的三維高效數值模拟技術；2.揭示水力裂縫變形滞後對頁岩氣藏CO₂吞吐的影響規律。
方法：1.建立考慮水力裂縫變形滞後、複雜(zá)裂縫系統和特殊流動機理的頁岩氣藏多組分(fēn)流固耦合模型；2.基于結構化網格構造高效穩定的多組分(fēn)流固耦合模型數值求解算法；3.通過流固耦合數值模拟，揭示水力裂縫變形滞後對頁岩氣藏CO₂吞吐的影響規律。
結論：1.水力裂縫變形滞後會阻礙CO₂注入期間裂縫滲透率的恢複，對CO₂吞吐有負面影響；2.較低的初始水力裂縫導流能力和生(shēng)産壓力、較晚的吞吐啓動時間、較高的注入壓力和較多的循環次數均會增強變形滞後的負面影響；3.CO₂吞吐效果與初始水力裂縫導流能力、吞吐啓動時間、注入壓力和循環次數呈正相關，與生(shēng)産壓力呈負相關。

關鍵詞組：提高氣體(tǐ)采收率；二氧化碳吞吐；流固耦合；水力裂縫變形滞後；嵌入式離(lí)散裂縫模型

Correspondence

Correspondence: Finite volume method-based numerical simulation method for hydraulic fracture initiation in rock around a perforation

Yu ZHANG, Shaohao HOU, Songhua MEI, Yanan ZHAO, Dayong LI

DOI: 10.1631/jzus.A2200203 Downloaded: 694 Clicked: 751 Cited: 0 Commented: 0(p.56-63) <Full Text> <PPT> 297

Chinese summary <187> 基于有限體(tǐ)積法的射孔圍岩水力壓裂起裂數值模拟方法

作者：張玉¹，侯紹昊¹，梅松華²，趙亞楠²，李大(dà)勇¹
機構：¹中(zhōng)國石油大(dà)學（華東），儲運與建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國青島，266580；²中(zhōng)國電建集團中(zhōng)南(nán)勘測設計研究院有限公司，中(zhōng)國長沙，410014
目的：建立射孔圍岩水力壓裂起裂數值模型，提出基于有限體(tǐ)積法的射孔圍岩水力壓裂破裂數值模拟方法，從而得到流體(tǐ)壓力分(fēn)布和起裂壓力等相關參數及其規律。
創新點：1.運用坐标轉換和疊加原理，推導出考慮孔隙度演化的射孔圍岩應力分(fēn)布；2.提出基于有限體(tǐ)積法的射孔圍岩水力壓裂破裂數值模拟方法。
方法：1.考慮初始地應力、流體(tǐ)滲流和溫度傳熱對射孔圍岩的影響，運用坐标轉換和疊加原理得到射孔圍岩應力分(fēn)布。2.考慮圍岩滲透率和孔隙率的應力敏感性，采用有限容積法對所提出的方程進行解耦确定射孔圍岩的流體(tǐ)壓力和溫度。3.在水力壓裂射孔圍岩破裂準則的基礎上，提出射孔圍岩水力壓裂破裂數值模拟方法。
結論：1.随着射孔方位角的上升，需要更多的注入時間和更高的流體(tǐ)壓力才能達到裂縫的起始；井壁不可滲時的起裂壓力更高。2.當井壁不可滲時，流體(tǐ)壓力在射孔前呈橢圓形分(fēn)布，且流體(tǐ)壓力從射孔到遠處逐漸減少。當井壁是可滲時，流體(tǐ)壓力的分(fēn)布沿着井筒向外(wài)擴散。3.滲透率和孔隙度的應力敏感性增加了井周區域的流體(tǐ)壓力和滲透率，導緻流體(tǐ)流動範圍更廣，且起裂壓力和時間都有所降低。

關鍵詞組：水力壓裂；射孔圍岩；有限容積法；起裂壓力

Regular papers

Numerical investigations of the failure mechanism evolution of rock-like disc specimens containing unfilled or filled flaws

Tian WANG, Jian WANG, Sheng JIANG, Jiahe ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200238 Downloaded: 745 Clicked: 869 Cited: 0 Commented: 134(p.64-79) <Full Text> <PPT> 317

Chinese summary <361> 含填充及未填充裂縫的類岩圓盤試樣破壞機制演化的數值研究

作者：王甜¹，王建¹，蔣晟^1，2，張家鶴¹
機構：¹河海大(dà)學，水利水電學院，中(zhōng)國南(nán)京，210098；²悉尼大(dà)學，土木工(gōng)程學院，澳大(dà)利亞悉尼，NSW2006
目的：岩石的力學響應和最終破壞模式與破壞機制的演化有關。本文旨在通過光滑粒子流體(tǐ)力學（SPH）方法模拟材料混合破壞行爲，探讨含填充及未填充裂縫的類岩圓盤試件加載後的破壞機制演變。
創新點：1.在SPH框架中(zhōng)引入混合破壞模型模拟類岩圓盤試樣的破壞行爲；2.通過SPH數值模拟方法分(fēn)析圓盤試樣的破壞機制演化過程，研究裂紋聚結和裂縫填充的破壞行爲。
方法：1.在SPH框架下(xià)，分(fēn)别采用張拉損傷模型和Drucker-Prager模型計算材料的張拉破壞和剪切破壞；模拟一(yī)系列巴西圓盤試樣的破壞行爲并與試驗結果對比，驗證所提SPH方法是否可用于模拟岩石的破壞機制演化。2.通過統計分(fēn)析，研究不同裂縫傾角和材料屬性聯合作用對試樣宏觀破壞形态及力學響應的影響。
結論：1.對于含未填充裂縫的圓盤試樣，岩橋區裂紋的聚結機制受裂縫傾角和材料性能的組合影響。2.對于含填充裂縫的圓盤試件，當圓盤和填充材料的抗拉強度與粘聚力的比值接近時，試樣的張拉損傷的增長速度更快，使得整個試件表現更多的脆性特征。3.随着充填物(wù)分(fēn)布不均勻程度的增加，試樣張拉損傷的增長速率降低，且圓盤試樣展現出更多的延性特征；當預制裂縫傾角接近45°時，填充物(wù)的影響更大(dà)。

關鍵詞組：光滑粒子流體(tǐ)力學（SPH）；混合破壞模型；破壞機制演化；裂紋聚結；填充分(fēn)布

Mechanistic investigation on Hg⁰ capture over MnO_x adsorbents: effects of the synthesis methods

Dong YE, Yongjin HU, Zhichang JIANG, Xin LIU, Haining WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200388 Downloaded: 609 Clicked: 744 Cited: 0 Commented: 143(p.80-90) <Full Text> <PPT> 299

Chinese summary <181> 錳氧化物(wù)吸附劑脫汞性能及其機理研究：制備方法的影響

作者：葉棟，胡永金，蔣志(zhì)昌，劉欣，王海甯
機構：中(zhōng)國計量大(dà)學，質量與安全工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310018
目的：針對當前單質汞高效脫除難題，本文旨在探讨不同制備方法對錳氧化物(wù)吸附劑單質汞捕集性能的影響，并通過對吸附劑物(wù)理化學性質的研究，揭示錳氧化物(wù)吸附劑的構效關系及脫汞機理。
創新點：1.揭示錳氧化物(wù)吸附劑脫汞性能與物(wù)化性質之間的構效關系；2.闡明錳氧化物(wù)吸附劑表面脫汞機理，并揭示其中(zhōng)的活性位點。
方法：1.采用常規的沉澱法、水熱法及溶膠凝膠法合成錳氧化物(wù)吸附劑；2.采用微型固定床反應器研究系列錳吸附劑的脫汞性能；3.采用物(wù)化表征研究系列錳氧化物(wù)汞吸附劑的物(wù)化特性，揭示其中(zhōng)的構效關系；4.結合動力學計算，揭示錳氧化物(wù)汞吸附劑表面脫汞機理，并闡明影響吸附劑脫汞性能的關鍵因素。
結論：1.與采用沉澱法及水熱法制備的汞吸附劑相比，采用溶膠凝膠法制備的汞吸附劑在150~250°C的溫度區間内具有更爲優異的脫汞性能；2.采用溶膠凝膠法制備的錳氧化物(wù)吸附劑具有豐富的表面酸性位點，可促進單質汞的吸附，并爲接下(xià)來的單質汞氧化步驟提供充足的反應物(wù)，這也是該吸附劑具有優異脫汞性能的主要原因；3.脫汞過程中(zhōng)，初始吸附階段是主要的速控階段，而Mn⁴⁺及化學吸附氧爲該反應中(zhōng)的主要活性位點。

關鍵詞組：合成方法；汞捕集；錳氧化物(wù)；酸性；氧化性