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基於地下水流動分析地球物理現象

飽和與變飽和滲流

地下水流動模組面向需要模擬地下或其他多孔介質中的流 體流動的工程師和科學家們,並且還可以將這種流動過程與其他現象建立聯繫,例如多孔彈性、熱傳、化學反應和電磁場等。它可以用於模擬地下水流動、廢料與污 染物在土壤中的擴散、油與氣體的流動,以及由於地下水開採而引發的土地沉陷等現象。地下水流動模組可以模擬管道流、飽和與變飽和多孔介質或裂隙中的地下 水,並可與傳質、熱傳、地球化學反應和多孔彈性等模型相耦合。許多不同的行業需要面對岩土物理和水力領域的挑戰。民事、採礦、石油、農業、化工、核能和環 境工程等領域的工程師經常需要考慮這些現象,因為他們從事的行業會直接或間接(通過環境因素)影響我們生存的地球環境。


  • 3D compaction of an oil reservoir brought about by pumping, coupling Darcy’s law to displacements brought about through poroelasticity.
  • Flow in a block of porous media with a fracture where flow in the fracture is much faster than in the rest of the porous media. The modeling approach uses internal boundaries for modeling the free flow in 2D, while modeling the porous media flow in 3D using Darcy's law.
  • Produced by scanning electron microscope images, the geometry of microscopic pores can be imported to COMSOL where the velocity and pressure distributions are then calculated. Model courtesy: Arturo Keller, University of California, Santa Barbara.
  • Water on the ground moves into a relatively dry soil column and carries a chemical with it. As it moves through the variably saturated media, the chemical attaches to solid particles, slowing the solute transport relative to the water. Additionally the chemical concentrations decay from biodegradation in both the liquid and the solid phase. Shown is the saturation and pressure head contours.
  • The degradation of a pesticide in an unsaturated soil. Shown are the biodegradation of the pesticide and intermediary products over time.

 

地下水滲流影響許多地球物理屬性

地下水流動模組內包含了許多專用的介面,用於模擬地下環境中的流動及其他現象。作為物理介面,它們可以與地下水流動模組內的其他任意物理介面組合並直接耦合,或與 COMSOL 模組套件中任何其他模組的物理介面組合並直接耦合。例如,地下水流動模組的多孔彈性模型與岩土力學中的描述土壤和岩石的非線性固體力學模型相耦合。

融合地球化學反應速率和動力場

 COMSOL 地下水流模組的物理場介面,您可以靈活地在編輯框中輸入任意方程,這對於在物質傳遞介面定義地球化學反應速率和動力學非常有幫助。此外,將這些物理場介面與 化學反應工程模組 相耦合,意味著您將能利用模組中這些易於使用的物理場介面來定義化學反應,模擬多物質反應。這兩個產品的結合,將非常有助於模擬核廢料數千年間在儲存庫中擴散所涉及的多步反應過程。

地下水流動的模擬物理介面

地下水流動模組用於模擬多孔介質流動及其相關過程:

多孔介質流動

地下水流動模組的核心功能是模擬變飽和與完全飽和多孔介質中的流動。。物理介面使用水文模擬工程師熟悉的壓力和水頭之類的術語進行描述。在變飽和流中,水力屬性會隨著流體流過多孔介質(填充排空孔隙)而發生改變。這種類型的流動採用Richards 方程來模擬,並且可以應用 van Genuchten  Brooks-Corey 公式來考慮孔隙中的持水度。介面中含有密度、動態粘度、飽和與殘餘液相分數、導水率和存儲模型等參數的編輯區域。

可以根據孔隙的大小,通過 Darcy 定律或 Darcy 定律的 Brinkman 擴展形式來模擬飽和多孔介質流。如果可以忽略流體流動的粘性效應,則可以使用 Darcy 定律,流動完全通過壓力差來驅動。如果孔隙大小足夠大,流體由於剪切效應產生動量變化,則需要使用 Brinkman 方程。它們求解與 Navier-Stokes 方程相同的變量,但方程中包含了一些參數來考慮流體流經介質的孔隙率。

裂隙流介面還能夠求解三維基體內部邊界(二維)上的壓力,並自動耦合用於描述周圍基體中多孔介質流動的物理場。這種近似求解幫您省去了對實際裂隙進行網格剖分的需求,從而節省了計算資源。如果流體從同一模型中的一種介質流到另一種(並流回),則所有多孔介質物理場會自動耦合到地下水流動模組中對自由流動的描述。

自由通道流動

對於地下管道或很大的連通孔隙,可以使用流體流動方程更好地進行模擬。同樣,也可以模擬採油系統中的油井等類似設備。地下水流動模組支持兩種類型的自由管道流:層流和蠕動流。層流介面求解 Navier-Stokes 方程,而蠕動流介面則求解它的修正形式(忽略慣性項)。蠕動流也稱為 Stokes 流,用於模擬雷諾數極低的流體流動。

材料傳遞

傳質可以與地下水滲流相耦合,並且可以同時考慮對流和擴散現象。擴散係數等屬性可以通過變量依賴(例如濃度)的方程描述,或設為各向異性。

溶質傳遞介面增加了由吸附造成的分散和阻聚這一傳輸機理。分散會考慮溶質傳遞通常發生在流動方向上這一點,並使用分散張量來描述。吸附描述了多孔介質內粒子上的化學物質被吸附,然後以不同的速率解吸的過程。您可以通過介面提供的Langmuir  Freundlich 等溫線來描述它對物質傳遞的影響,或使用您自己的表達式。吸附還會通過阻聚因子來減緩流動。此外,還針對非飽和流體提供了揮發因子,或化學物質從溶質向靜止氣相的擴散。您還可以輸入自己的方程,描述材料傳遞時所發生的任何反應。如果您需要模擬兩相流與它所傳遞的溶質,可以將溶質傳遞介面與 CFD 模組中任何適合的物理場介面相耦合。

熱傳

熱傳的形式包括傳導、對流和分散,並且必須考慮到固相和液相之間的不同熱導率。在許多情況下,固相可以由具有不同傳導率的材料組成,並且體系中也可能存在許多不同的流體。多孔介質介面中提供了用於計算等效熱傳屬性的混合法則。其中也包含了描述多孔介質耗散熱的表達式,以及描述背景地熱的項。熱耗散是由於流體在多孔介質中經過的曲折流道產生的,但如果僅考慮平均對流項,則可以忽略耗散熱。

多孔彈性

固結和沉降模擬通過功能強大的多孔彈性物理介面來實現。多孔彈性介面將瞬態 Darcy 定律與多孔基質的線彈性固體力學模型進行組合。多孔彈性耦合意味著流體流動會影響多孔介質的可壓縮性,而體積應變會反過來影響傳動、傳質和熱傳。該介面包含了一個應力張量的表達式,它是應變張量和 Biot-Willis 係數的函數。