基于3D打印技术的裂隙渗流...热可视化教学装置构建与应用_查恩爽.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-26 修改日期：2022-09-20 基金项目:国家自然科学基金项目（42172268）；吉林大学教改项目（2021XYB154，2021XZC069）；吉林省高等教育教学改革研究（重点）课题（JLDQ774720190722201753）作者简介:查恩爽（1985），女，河北秦皇岛，硕士，工程师，主要研究方向为水文地质实验、地下水数值模拟，。通信作者：姜振蛟（1986），男，辽宁普兰店，博士，教授，主要研究方向为储层精细刻画与模拟，。引文格式:查恩爽，李家琪，许力文，等.基于 3D 打印技术的裂隙渗流与传热可视化教学装置构建与应用J.实验技术与管理,2023,40(2):134-139.Cite this article:ZHA E S,LI J Q,XU L W,et al.Construction and application of fracture seepage and heat transfer visualization teaching device based on 3D printing technology J.Experimental Technology and Management,2023,40(2):134-139.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.022 基于 3D 打印技术的裂隙渗流与 传热可视化教学装置构建与应用 查恩爽1，李家琪2，许力文2，李 珊2，王 玲2，姜振蛟2（1.吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130021；2.吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春 130021）摘 要：针对岩体裂隙复杂多变和模型制作困难的问题，该文将 3D 打印技术引入实验教学中，构建裂隙渗流与传热可视化实验装置，在不同注入强度和温度条件下，监测、分析裂隙渗流场与温度场时空演化规律。依托于该实验装置，可以突破传统的物理模拟实验思维，以学生自主发现问题为出发点，分组完成裂隙模型设计与制作、实验过程观测与分析、成果汇总与报告，帮助学生全面理解不同裂隙结构条件下渗流场与温度场特征，锻炼学生理论联系实际的能力及创新思维。关键词：岩体裂隙；3D 打印；物理模拟；实验教学 中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0134-06 Construction and application of fracture seepage and heat transfer visualization teaching device based on 3D printing technology ZHA Enshuang1,LI Jiaqi2,XU Liwen2,LI Shan2,WANG Ling2,JIANG Zhenjiao2(1.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun 130021,China;2.College of New Energy and Environment,Jilin University,Changchun 130021,China)Abstract:In view of the complexity of rock fractures and the difficulty of model making,3D printing technology is introduced into experimental teaching to construct a visualized experimental device for fracture seepage and heat transfer.The temporal and spatial evolution of fracture seepage field and temperature field is monitored and analyzed under different injection intensities and temperatures.Relying on this experimental device,we can break through the traditional physical simulation experiment thinking,take students independent discovery of problems as the starting point,complete the design and production of fracture model,observation and analysis of experimental process,summary and report of results in groups,help students fully understand the characteristics of seepage field and temperature field under different fracture structure conditions,and exercise students ability of combining theory with practice and innovative thinking.Key words:rock fractures;3D printing;physical modeling;experiment teaching 自然界中，岩土体在长期地质应力作用下发生变形、破裂，形成具有储水和导水能力的裂隙介质。据统计，全球赋存于裂隙介质中的地下水占可采资源总量的 40%以上1。随着人类社会对深部地质资源需求量的增加，通过水力压裂等方式对深部油气和地热储层进行改造，形成人工裂隙储层，成为深部地质资源开发的重要途径2-3。因此，深入了解裂隙介质之中的渗流和传热过程是地球科学领域研究的焦点，更是水文地质学科教学的重点。地下水动力学和地下水数值模拟实验教学，主要 查恩爽，等：基于 3D 打印技术的裂隙渗流与传热可视化教学装置构建与应用 135 介绍孔隙介质渗流和传热理论与计算方法，涉及裂隙介质的内容十分有限4-5，导致学生缺少对裂隙介质渗流过程的非均匀各向异性特征、传热与渗流过程互馈效应的直观认识。在应对实际裂隙水文地质问题时，多数研究将裂隙介质等效为孔隙介质，导致结果误差较大，甚至存在误导工程施工的风险6-7。在水文地质学本科课程体系中，增设裂隙介质渗流与传热的实验内容，其必要性和迫切性已是共识。通常，裂隙渗流和传热实验采用巴西劈裂等方式在岩石样品中生成单条裂隙，然后将单裂隙模型置于恒温渗流系统，通过监测进出口位置压力、流量和温度，间接分析裂隙内部渗流和传热规律8-10。该方法在高温岩体渗流方程、裂隙与基质换热方程建立等方面取得了较好的效果11，但无法直观展示裂隙内部渗流和传热过程，且模型结构过于单一，不能满足实验教学的要求。目前也有通过注塑和拼接的方式制备的交叉裂隙模型，用于分析裂隙交接处渗流通道选择规律，但该类裂隙模型通常是二维状态且内部结构简单（光滑平板模型），难以反映裂隙内部渗流和传热的一般规律。学生在自主设计和制备裂隙模型的基础上，结合可视化监测系统，开展裂隙渗流与传热实验与分析，不仅可以展示多元化裂隙结构条件下渗流与传热规律，而且可以激发学生的实验兴趣，锻炼学生创新和理论联系实际的能力12-14。本文以 3D 打印技术和温度-压力实时监测技术作为支撑，在完成裂隙渗流-传热可视化实验装置设计和组装的基础上，创新裂隙模型设计和制备理念，发挥学生主观想象力，构建多样化裂隙模型来开展室内实验，促进学生系统了解裂隙渗流-传热规律和内在机理。1 实验教学目的 1.1 裂隙模型分析和设计 岩体裂隙按照成因类型可分为风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙，以及通过水力压裂等储层建造方式所形成的人工裂隙15（图 1）。不同类型裂隙在空间穿切关系、平均张开度、张开度空间变异特征等方面存在显著区别，导致裂隙渗流和传热过程出现较大差异16。在实验教学过程中，借助虚拟仿真平台，学生可直观了解不同类型裂隙形成过程和空间结构特征，在此基础上，以不同裂隙张开度特征下渗流和传热规律，以及不同裂隙空间组合关系控制下渗流和传热规律分析等科学问题为出发点，引导学生自主完成裂隙模型设计。由于实际裂隙发育规模有数米至数千米，学生需要根据实际裂隙空间特征，结合裂隙渗流-传热规律的研究需求，提出合理的实际尺度到实验室尺度裂隙物理模型降尺度转换方案，并使用 3D 打印技术打印实验室尺度的裂隙物理模型（图 1）。图 1 岩体典型裂隙结构和对应 3D 打印模型 1.2 理解渗流过程特征 裂隙介质渗流与孔隙介质渗流的主要差异体现为裂隙结构对渗流过程存在强烈的约束作用，由于裂隙空间展布具有随机性，导致裂隙渗流路径存在显著的非均匀性和各向异性。在裂隙介质中寻找地下水资源时，常出现相邻数米的两口井，一口涌水量大，另一口涌水量极低甚至干孔现象；在地热和页岩气勘探和开发过程中，这种现象也十分常见。这些现象在通过书本阅读和课堂讲授过程中，学生并不容易理解。在拟构建的裂隙实验教学体系中，学生利用自主设计并制作的裂隙模型，开展可视化渗流实验，通过实测不同观测点的水头和示踪剂浓度，了解相邻观测点水头跳跃式变化特征并分析原因；通过计算裂隙渗流通道流速，对比不同渗流通道由注水井至开采井的136 实 验 技 术 与 管 理 水流穿透时间差异，进而更加清晰地理解裂隙连通性及优势流等现象。1.3 掌握渗流与传热互馈作用规律 裂隙介质渗流过程除了受裂隙结构控制以外，还与渗流速度、温度分布等因素密切相关。介质内部潜在热传导、强制对流、混合对流和自由对流 4 种不同水热耦合运移模式，控制了地热资源的恢复能力和可持续开采资源量。在混合对流地热系统中，可能出现埋藏浅的地热井温度偏高、埋深大的地热井温度偏低的反常现象。实际地质条件下，裂隙型储层常隐伏于地下，处于黑箱状态，其中的水热传递过程难以观测。若依托于传统地下水渗流方程和热量对流弥散方程耦合求解，难以全面反映上述现象；而依托于严格意义上的 Navier-Stokes 方程，又难以求解。通过室内实验，对比不同注入速率（特别是高雷诺数）和注入温度条件下渗流路径和温度空间分布差异，有助于学生理解裂隙介质渗流和传热耦合迁移规律并掌握其内在机理。2 实验装置设计 2.1 设计理念 本实验设计理念是利用SolidWorks将不同类型裂隙的空间结构进行数字化后（图 1），通过 3D 打印平台打印制作实际裂隙物理模型。在此基础上，连接流体、温度控制及参数监测等装置，开展室内渗流-传热实验，剖析裂隙非均匀结构控制下的水热传递过程。图 1 展示了 4 种典型裂隙的空间结构，其中，风化裂隙是在物理风化和化学风化等应力作用下产生的网格化裂隙结构；成岩裂隙是岩石形成过程中快速冷凝收缩和脱水所形式的原生裂隙（如玄武岩中常产生形状规则的六棱柱型裂隙空间结构）；构造裂隙是在构造活动中受张应力、剪切应力、挤压应力等作用，形成的具有一定趋势性产状的裂隙网络；人工裂隙（以水力裂缝为例）是通过高压注水激发产生的以压裂井为中心的放射状裂隙网络。学生在课堂学习不同类型裂隙产生机理后，通过网络或相关书籍查阅不同类型裂隙在地面岩体露头中的形态特征，据此设计、制作裂隙数字模型和实物模型，能有效激发学生主观能动性和自主创新能力。为了便于学生更加直观观察裂隙渗流和传热过程，利用3D 打印工艺的数字光学投影技术开展透明