اعتبارسنجی شبیه‌سازی عددی جریان سیال عبوری از شکستگی‌های سنگی زبر با استفاده از مدلسازی فیزیکی مبتنی بر چاپ سه‌بعدی

اعتبارسنجی مدل‌های عددی، ابزاری کلیدی برای استفاده در تحلیل‌های پیشرفته مانند جریان‌های غیرخطی و شبکه‌های پیچیده شکستگی محسوب می‌شود. مدلسازی‌های عددی مبتنی بر قانون مکعب، در شبیه‌سازی اثرات زبری سطح و تغییرات فشار هیدرولیکی دقت کافی را ندارند. فلذا تدقیق و تطبیق آنها با نتایج آزمایشگاهی دقیق و داده‌های تجربی ضروری است. در این زمینه تکرارپذیری نمونه‌های مورد آزمایش و تطبیق کامل نمونه‌های آزمایش عددی و تجربی در شرایط مرزی مختلف نیازمند چاپ و کپی‌سازی با دقت بالا است. در این مطالعه، نمونه‌های شکستگی با زبری‌های کنترل‌شده (jrc=0، 10،20) به‌وسیله چاپ سه‌بعدی تولید شدند. آزمایش‌ها تحت فشارهای هیدرولیکی مختلف انجام شد و نرخ جریان و توزیع فشار ثبت گردید. شبیه‌سازی عددی با استفاده از نرم‌افزارstar ccm+ و روش حجم محدود برای حل معادلات ناویر استوکس انجام شد. نتایج نشان داد داده‌های عددی و آزمایشگاهی با خطای کمتر از %5 مطابقت دارند. افزایش زبری سطح موجب کاهش نرخ جریان شد؛ به‌عنوان نمونه، در فشار 195 پاسکال، دبی از 523.51 میلی‌لیتر بر دقیقه (jrc=0) به 418.808 میلی‌لیتر بر دقیقه (jrc=20) کاهش یافت. همچنین، افزایش فشار هیدرولیکی به‌طور خطی نرخ جریان را افزایش داد؛ برای jrc=10، دبی از 481.629 میلی‌لیتر بر دقیقه در 195 پاسکال به 1062.8392 میلی‌لیتر بر دقیقه در 489 پاسکال رسید. این پژوهش نشان داد که ستاپ آزمایشگاهی طراحی‌شده قادر به اعتبارسنجی دقیق مدل‌های عددی است و این مدل‌های عددی و ستاپ آزمایشگاهی را برای تحلیل‌های پیشرفته‌تر، نظیر جریان‌های غیرخطی و شکستگی‌های متقاطع می‌توان استفاده کرد.

validation of numerical simulation of fluid flow through rough rock fractures using physical modeling based on 3d printing

accurate prediction of fluid transport through fractured rocks is critical for groundwater management، hydrocarbon recovery، geothermal energy extraction، and subsurface waste isolation. classical cubic‑law formulations fail when aperture variability and surface asperities dominate flow resistance، necessitating full navier–stokes modelling. such models، however، require high‑quality experimental data for calibration and validation. conventional casting or engraving cannot reproduce field‑scale roughness repeatably. this research addresses these challenges by combining precise additive manufacturing of fracture geometries with a pressure‑controlled permeameter، delivering reproducible datasets for numerical verification and future parametric studies. surface topographies representing jrc 0، 10 and 20 were generated in cad، respecting a 54 mm diameter and 110 mm length to fit a hoek triaxial cell. the halves were printed from rigid photopolymer، sealed، water‑saturated، and assembled. a perforated 3d‑printed distributor ensured uniform inflow. upstream head levels produced inlet pressures of 195، 293، 391 and 489 pa; lateral confinement of 1–2 bar prevented side leakage. outflow was weighed at one‑minute intervals until steady conditions were reached. numerical meshes employed hexahedral elements refined near asperities. incompressible، laminar navier–stokes equations were solved with a coupled pressure–velocity algorithm; convergence was accepted at residuals <10⁻⁶. discharge increased linearly with inlet pressure for every roughness، yet absolute flow rates decreased as jrc rose. at 195 pa، measured flow declined from 538 ml min⁻¹ (jrc 0) to 431 ml min⁻¹ (jrc 20); simulations predicted 524 ml min⁻¹ and 419 ml min⁻¹ respectively. maximum deviation across all cases was 4.8 %، attributable to minor printing tolerances and sensor resolution. the validated cfd model accurately captures roughness‑controlled head losses and is extensible to intersecting fractures، non‑darcy regimes، and thermo‑hydraulic coupling. practically، the combined laboratory–numerical platform offers a dependable means for parameterizing permeability in fractured reservoirs and for benchmarking up‑scaled network models.