地下水流模块

基于地下水流动分析地球物理现象

地下水流模块

在建的核废料储存库,用于在接下来的 10 万年内储存乏燃料棒。该模型模拟的情形是:燃料束套筒发生破裂,导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏,并回充到上方的隧道中。

饱和与变饱和渗流

地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们,并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系,例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动,以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水,并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象,因为他们从事的行业会直接或间接(通过环境因素)影响我们生存的地球环境。

地下水渗流影响许多地球物理属性

地下水流动模块内包含了许多专用的接口,用于模拟地下环境中的流动及其他现象。作为物理接口,它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合,或与 COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。例如,地下水流动模块的多孔弹性模型与岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。

融合地球化学反应速率和动力场

COMSOL 使您可以在地下水流动模块物理接口中的编辑区域内灵活地输入任意公式,这对于在质量传递接口中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。但是,将这些物理接口与化学反应工程模块耦合将意味着,您可以通过该模块易用的物理接口定义化学反应,模拟多个多物质反应。对于模拟核废料数千年间在其储存库中的扩散及多步反应过程,这两种模块的组合会很有用。


更多图片

  • 位于地表上的典型地电表面电极阵列。图中显示了 Wenner-α 灵敏度以及电势。 位于地表上的典型地电表面电极阵列。图中显示了 Wenner-α 灵敏度以及电势。
  • 油罐采油三维固结模型,耦合 Darcy 定律与多孔弹性模型。 油罐采油三维固结模型,耦合 Darcy 定律与多孔弹性模型。
  • 多孔介质中的裂隙流,裂隙中的流速远高于多孔介质的其余部分。模拟方法是使用内部边界来模拟二维的自由流动,同时使用 Darcy 定律模拟三维的多孔介质流动。 多孔介质中的裂隙流,裂隙中的流速远高于多孔介质的其余部分。模拟方法是使用内部边界来模拟二维的自由流动,同时使用 Darcy 定律模拟三维的多孔介质流动。
  • 利用扫描电子显微镜图片制备微小孔隙几何模型,并导入 COMSOL 中计算速度和压强分布。模型提供:Arturo Keller,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校。 利用扫描电子显微镜图片制备微小孔隙几何模型,并导入 COMSOL 中计算速度和压强分布。模型提供:Arturo Keller,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校。
  • 地面上含有某种溶质的水流到相对干燥的土柱中。当水流过变饱和介质时,溶质会附着到固体颗粒上,减缓了溶质相对于水的传递。此外,由于液相和固相中的生物降解,溶质浓度会逐渐下降。图中显示了饱和度等值线和压力头等值线。 地面上含有某种溶质的水流到相对干燥的土柱中。当水流过变饱和介质时,溶质会附着到固体颗粒上,减缓了溶质相对于水的传递。此外,由于液相和固相中的生物降解,溶质浓度会逐渐下降。图中显示了饱和度等值线和压力头等值线。
  • 非饱和土壤中的杀虫剂降解。图中显示了杀虫剂和中间产物的生物降解过程随时间的变化。 非饱和土壤中的杀虫剂降解。图中显示了杀虫剂和中间产物的生物降解过程随时间的变化。

地下水流动的仿真物理接口

地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程:

多孔介质流动

地下水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。。物理接口使用水文仿真工程师熟悉的压力和水头之类的术语进行描述。在变饱和流中,水力属性会随着流体流过多孔介质(填充排空孔隙)而发生改变。这种类型的流动采用 Richards 方程来模拟,并且可以应用 van Genuchten 和 Brooks-Corey 公式来考虑孔隙中的持水度。接口中含有密度、动态粘度、饱和与残余液相分数、导水率和存储模型等参数的编辑区域。

可以根据孔隙的大小,通过 Darcy 定律或 Darcy 定律的 Brinkman 扩展形式来模拟饱和多孔介质流。如果可以忽略流体流动的粘性效应,则可以使用 Darcy 定律,流动完全通过压力差来驱动。如果孔隙大小足够大,流体由于剪切效应产生动量变化,则需要使用 Brinkman 方程。它们求解与 Navier-Stokes 方程相同的变量,但方程中包含了一些参数来考虑流体流经介质的孔隙率。

裂隙流接口还会求解三维基体内部边界(二维)上的压力,并自动耦合到描述周围多孔介质渗流的物理场中。利用这种近似求解,您可以不用对实际裂隙进行网格剖分,从而可节省计算资源。如果流体从同一模型中的多孔区域流到空腔区域(并流回),则所有多孔介质物理场会自动耦合到地下水流动模块的自由流。

自由通道流动

对于地下管道或很大的连通孔隙,可以使用流体流动方程更好地进行模拟。同样,也可以模拟采油系统中的油井等类似设备。地下水流动模块支持两种类型的自由管道流:层流和蠕动流。层流接口求解 Navier-Stokes 方程,而蠕动流接口则求解它的修正形式(忽略惯性项)。蠕动流也称为 Stokes 流,用于模拟雷诺数极低的流体流动。

材料传递

传质可以与地下水渗流相耦合,并且可以同时考虑对流和扩散现象。扩散系数等属性可以通过变量依赖(例如浓度)的方程描述,或设为各向异性。

溶质传递接口添加了吸附作用所产生的分散和阻聚现象作为传输机理。分散机理考虑到溶质传递通常发生在流动方向上,并使用分散张量来描述。吸附描述的过程是:化学物质在多孔介质内的颗粒表面上以不同的速率发生吸附和解吸附。这个过程对于材料传递的作用通过 Langmuir 或 Freundlich 等温线描述,它们在接口中可直接使用,或通过您自己的表达式定义。通过阻聚因子还可以定义吸附对流动的减缓效果。此外,非饱和流体模型提供了额外的功能,可以考虑挥发或溶质与静止气相之间的化学物质扩散。您还可以输入您自己的方程,用于描述在物质传递时发生的任何反应。如果您需要模拟两相流与溶质传递,可以将溶质传递接口与 CFD 模块中的任何合适的物理接口耦合。

传热

传热的形式包括传导、对流和分散,并且必须考虑到固相和液相之间的不同热导率。在许多情况下,固相可以由具有不同传导率的材料组成,并且体系中也可能存在许多不同的流体。多孔介质接口中提供了用于计算等效传热属性的混合法则。其中也包含了描述多孔介质耗散热的表达式,以及描述背景地热的项。热耗散是由于流体在多孔介质中经过的曲折流道产生的,但如果仅考虑平均对流项,则可以忽略耗散热。

多孔弹性

固结和沉降模拟通过功能强大的多孔弹性物理接口来实现。多孔弹性接口将瞬态 Darcy 定律与多孔基质的线弹性固体力学模型进行组合。多孔弹性耦合意味着流体流动会影响多孔介质的可压缩性,而体积应变会反过来影响传动、传质和传热。该接口包含了一个应力张量的表达式,它是应变张量和 Biot-Willis 系数的函数。

Multiphysics Simulations Help Track Underground Fluid Movements

Pumping and Injecting from a Single Borehole

Phase Change

Variably Saturated Flow and Transport—Sorbing Solute

Free Convection in a Porous Medium

Pore-Scale Flow

Pesticide Transport and Reaction in Soil

Buoyancy Flow with Darcy's Law—The Elder Problem

Failure of a Multilateral Well

Biot Poroelasticity

Forchheimer Flow