在水-热-力学（HTM）实验中，高压流体注入泵充当内部孔隙压力的精确控制器，而实验室液压机则施加外部机械应力。注入泵维持特定的流体边界条件—例如恒定的10 MPa—与压力机协同工作，以模拟岩石在载荷下通过微裂缝的流体迁移。
这种相互作用的核心价值在于变量的分离：液压机模拟地层压力（上覆岩层应力），而注入泵模拟地下水行为（孔隙压力）。这种解耦使得能够精确测量温度和应力如何独立或联合影响流体流动和岩石渗透率。
相互作用的力学原理
建立边界条件
恒压注入泵的主要功能是建立和维持流体边界条件。
通过设置特定的参数，例如10 MPa的孔隙水压力，泵确保在外部变化的情况下保持内部环境的一致性。这种稳定性对于将流体行为与机械变形数据分离开来至关重要。
协同应力施加
注入泵负责流体，而实验室液压机则负责机械载荷。
压力机通常配备双作用泵，能够快速前进活塞，然后以高压、低流量输出。这使得系统能够长时间保持对样品的机械压力，为流体注入过程创建一个稳定的“容器”。
微裂缝迁移模拟
两个系统之间的相互作用使得能够真实地模拟流体迁移。
当压力机施加应力时，它会改变岩石内部微裂缝的几何形状。然后，注入泵将流体强制通过这些变化的通道，使研究人员能够观察裂缝的机械闭合或张开如何影响流速。
分析多场耦合效应
热效应对流体动力学的影响
该系统允许对温度相关变量进行定量分析。
研究人员可以跟踪温度变化如何影响流体的动态粘度。由于注入泵能够精确控制流速和压力，因此这些粘度变化可以被准确测量，而不是估算。
压力梯度分布
该装置对于观察传热效应至关重要。
当加热的流体流经岩石时，它会改变压力梯度分布。来自泵（流量/压力）和压力机（应力/应变）的协同数据揭示了热能如何与流体一起通过岩石基质传播。
理解操作权衡
双系统控制的复杂性
同时运行两个高压系统会引入显著的控制复杂性。
液压机的任何波动（机械载荷）都可能立即改变样品的体积，导致注入泵系统立即出现压力峰值或下降。操作员必须确保严格同步，以防止数据噪声。
长期稳定性
虽然实验室压力机能够长时间保持压力，但在长时间的HTM实验中，密封完整性成为一个挑战。
高温、高流体压力和高机械应力的组合对密封件造成巨大压力。注入回路中的微小泄漏可能被误解为流体渗入岩石，从而导致渗透率结果失真。
为您的实验做出正确选择
- 如果您的主要关注点是渗透率演化：确保您的注入泵具有高灵敏度的流量计，以检测压力机改变裂缝几何形状时的粘度和流速的微小变化。
- 如果您的主要关注点是机械变形：优先选择具有高精度双作用泵的压力机，以确保机械约束绝对静态，无论内部孔隙压力如何积聚。
HTM耦合实验的成功不仅取决于单个组件的质量，还取决于机械约束和流体注入控制的精确同步。
总结表：
| 系统组件 | 在HTM耦合中的主要作用 | 关键控制参数 |
|---|---|---|
| 实验室液压机 | 模拟上覆岩层应力/机械载荷 | 机械应力与轴向应变 |
| 注入泵 | 模拟孔隙压力与地下水行为 | 流体边界条件与流速 |
| 双作用泵 | 确保长期压力稳定性 | 系统约束与体积输出 |
| 岩石样品 | 作为耦合的多孔介质 | 渗透率与微裂缝几何形状 |
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参考文献
- Dianrui Mu, Junjie Wang. A coupled hydro-thermo-mechanical model based on TLF-SPH for simulating crack propagation in fractured rock mass. DOI: 10.1007/s40948-024-00756-y
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
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