我們的地球是一個龐大的實驗室，由複雜的多孔結構和複雜的物理過程所組成。其中許多過程可以透過 Subsurface Flow Module 來進行分析，這是 COMSOL Multiphysics® 軟體的一個附加模組。
Subsurface Flow Module 包括了建模多孔材料中單相和多相流的功能。它也提供了先進的能力，以考慮地下的熱和質量傳輸，並分析其孔隙彈性行為。
地下水流影響多種地球物理特性
先進的多孔介質建模技術廣泛運用於不同產業及應用領域。Subsurface Flow Module能夠協助農業、土木及環境工程師和科學家，分析地下水流動並優化設計和流程。
透過COMSOL Multiphysics®軟體，您可以模擬多孔介質對水文、岩土工程、儲油工程和環境工程等運輸過程的影響。該軟體提供全面的建模功能，能夠自動設置和解決特定地下多孔介質流動的方程式。
淺水方程式
淺水方程式可用於模擬自由水面下的流動，其條件是水平長度尺度遠大於垂直長度尺度。例如，可以使用這些方程式模擬海嘯和洪水的影響。你可以通過對納維爾-斯托克斯方程式進行深度平均來獲得這些方程式，其相關變數為水深和動量通量。
地下水流模組提供在地下環境中模擬流動和其他現象的功能
多孔介質中的緩慢流動
Darcy定律描述了在完全飽和的多孔介質中，受到壓力梯度驅動的流體通過間隙的運動，而流體的慣性和剪切應力對動量傳輸的貢獻可以忽略不計。Darcy定律介面計算壓力，並且速度場是由壓力梯度、流體黏度和滲透率決定。
多孔介質中的快速流動
Brinkman方程式可以描述多孔介質中快速移動的流體，流體速度、壓力和重力驅動流動的動能勢。Brinkman方程式介面將Darcy定律推廣，計算由粘滯剪切引起的動能消散，類似於Navier-Stokes方程式。此外，使用CFD模組，可以將多孔介質中的快速流動與紊流流動結合。
變飽和多孔介質流
理查茲方程描述了流體在部分飽和多孔介質中的流動，並考慮了流體填滿某些孔隙和從其他孔隙排出時水力特性的變化。理查茲方程介面包括內置的流體滯留模型可供選擇，例如范格諾滕或布魯克斯-科瑞模型。與達西定律介面相似，理查茲方程只計算壓力。由於水力特性基於飽和度而變化，理查茲方程是非線性的。
非達西流
當孔隙中的間隙速度足夠高時，Darcy定律和Brinkman對Darcy定律的修正僅適用於保持流動穩定的細微流動近似。對於更高的孔隙速度，可以在動量方程式中加入額外的非線性修正。在Subsurface Flow Module中，有多種可用的滲透率模型可用於模擬多孔介質中的非達西流：Brinkman方程式界面包括Forchheimer和Ergun模型，而Darcy定律和多相流體在多孔介質中的界面包括Forchheimer、Ergun、Burke-Plummer和Klinkenberg模型。
多孔介質中的熱傳遞
多孔介質中的熱傳遞主要是透過傳導、對流和分散進行的。分散是由液體在多孔介質中迂迴的路徑所造成的，必須包含超越平均對流的額外影響。在許多情況下，固體相可能由多種具有不同導熱率的材料組成，並且可能存在多種不同的流體。Heat Transfer in Porous Media介面自動考慮這些因素，並提供混合規則以計算有效的熱傳遞特性。
孔隙空間內的流體還可能經歷一個或多個相變化，這在模擬土壤凍結等過程時非常重要。一個專門的Phase Change Material功能使您可以通過指定兩種材料和相變特性（相變溫度、轉變區間和潛熱）來模擬這個過程和類似過程。
Fracture Flow
裂隙在多孔介質內會影響多孔介質中的流動特性。 "Fracture Flow"介面通過解決3D矩陣中的內部(2D)邊界上的壓力，根據用戶定義的開度進行模擬。所計算的壓力自動耦合了周圍多孔介質流動的物理特性，這種近似方法節省了網格化裂隙所需的時間和計算資源。
層流與蠕動流
為了最大彈性，Subsurface Flow模組允許模擬自由介質和多孔介質中的流動。使用層流流量介面和蠕動流介面可以模擬低雷諾數下的暫態和穩態流動。流體粘度可以依賴於當地的組成和溫度，或任何與流體流動結合模擬的其他場。
多孔介質中的多相流
多相流體模擬介面可以與 Darcy's Law 模擬介面結合，模擬在多相情況下多孔介質中的流動，可以有任意數量的相。使用者可以指定孔隙介質的屬性，例如相對滲透率和相間毛細壓力。這些屬性通過多物理耦合傳遞到 Darcy's Law 模擬介面。
孔隙彈性學
孔隙介質的壓縮和膨脹可以透過專用的孔隙彈性學物理介面進行建模，該介面結合了Darcy定律的瞬時形式和孔隙介質的線性彈性材料模型。流體流動影響孔隙介質的壓縮性，而體積應變的變化反過來會影響質量傳輸。為了實現這些效應，孔隙彈性學多物理學介面包括應力張量的表達式，作為體積應變和Biot-Willis係數的函數。
化學物質在多孔介質和裂縫中的傳遞
COMSOL Multiphysics 模擬軟體®提供直觀易用的功能，可定義化學物質在密度較低的溶液或混合物中的物質傳輸，包括對任意數量的化學物種的對流、擴散、色散、吸附和揮發。這些功能可以通過將 Subsurface Flow 模組與 Chemical Reaction Engineering 模組結合來輕鬆連接可逆、不可逆和平衡反應動力學的定義。使用 Subsurface Flow 模組，這些功能可以擴展到包括多孔介質和裂隙的場景中。
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