裂隙介质井流问题的分数阶模型及解析解

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裂隙介质井流问题是裂隙介质水动力学中重要的内容之一。裂隙介质含水层中裂隙的不均匀分布,裂隙的方向不同和裂隙的粗糙程度的差异等都使得裂隙渗流具有各向异性性和非均质的特点。因此,将地下水在裂隙介质含水层中的运动分为沿裂隙运动和沿管道(断层带)运动。通过研究地下水在裂隙中的运动规律,得出了描述地下水在裂隙介质中运动的基本规律-立方定律。为了更好地研究地下水在裂隙介质含水层中的运动过程,提出了各种数学模型,目前应用最为广泛的是孔隙-裂隙双重介质模型和非双重裂隙介质模型。  为了更真实地描述地下水在裂隙岩体含水层中的运动过程,本文首先将裂隙岩体含水层中的裂隙分为4类单裂隙介质,即水平单裂隙、倾斜单裂隙、垂直单裂隙介和混合单裂隙介质。通过假设地下水只在裂隙中运动、裂隙介质含水层侧向无限延伸、等厚、产状水平;水流服从立方定律且按定流量Q抽水建立了水平单裂隙介质径向各向异性完整井非稳定流分数阶数学模型,倾斜单裂隙介质径向各向异性完整井非稳定流分数阶数学模型,垂直单裂隙介质径向各向异性完整井非稳定流分数阶数学模型,混合单裂隙介质径向各向异性完整井非稳定流分数阶数学模型和网络裂隙介质径向各向异性完整井非稳定流分数阶数学模型。利用分数阶微分方程和分数阶导数基本理论,通过Laplace变换和Fourier变换的性质,特殊函数Wright函数和Mittag-Leffler函数的定义性质计算得出了各个分数阶数学模型的解析解及解析解的级数表达式。最后利用微分方程理论基和Wright函数的性质通过各个模型的解析解得出了不同情况下的计算裂隙岩体含水层渗透系数张量的公式。
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