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地下水流 博客文章

分析融化的冻结夹杂物的影响

2020年 2月 4日

通过模拟气候变化的影响,科学家可以设计解决方案以减轻其潜在影响。气候学家希望可以解决北方寒带地区多年冻土的融化问题,并且能对这些地区产生影响和很好的正反馈。InterFrost 项目设计,以测试,评估。此处的示例通过使用热-水力方法对高于零度以上的土壤中融化的冷冻夹杂物进行建模,并与 InterFrost 标准案例进行比较。 什么是冷冻夹杂物? 冷冻夹杂物是指固体物质内部的一些冷冻物体,就像披萨(内部)需要微波加热后才能食用。不连续或零星的永久冻土是另一个例子:在多孔(但仍然是固体)土壤内部中冻结的冰块。水中的冰块属于另一类是冷冻夹杂物(冰块没有被固定)。 冷冻夹杂物的 3D 图:结果显示 9 小时后(白色表面)包裹体内的冰块、速度流线(颜色表示水头)和周围温度(等值面)。 对 COMSOL Multiphysics® 中的冻结夹杂物建模 在此示例中,您可以模拟冷冻夹杂物从冰到水这一相变过程。它是如何融化的?融化需要多长时间?还需要多长时间才能将所有冷水从冰冻的土壤中排出? 这种特定的模拟不仅对于气候学家和地球科学家特别有用,而且对于任何分析多孔介质中的相变感兴趣的人也很有用。在本教程中,我们考虑永久冻土。 给定的几何图形如下所示。这条通道长3米,宽1米。冷冻物长 33.3 厘米,位于(x,y)=(1,0.5)处,温度为 -5°C 。由于对称性,我们只模拟了通道的下半部分。 模型的几何形状,显示了初始温度分布和边界条件(零传导通量,零通量)。 有一些给定的数字,包括冷冻夹杂物的温度、水的温度、几何尺寸和水头的梯度。 此示例中有几个方程,最著名的是达西定律。您还可以假设以下内容: 传热方程不考虑热弥散 水的密度恒定不变 水动力粘度恒定不变 分析仿真结果 冷冻夹杂物仅在大约20个小时后(模拟时间)融化了。但是,需要整整 56 个小时的模拟时间才能将较低的温度从通道中全部对流出去(这是因为多孔介质比自由介质更能保持温度)。让我们来看一下模拟结果… 9小时后,土壤中仍可见明显的冷冻夹杂物。 面图显示了 9 小时后的温度分布。 56 个小时后,冰完全融化,较低的温度几乎脱离了通道。 面图显示了 56 个小时后的温度分布。 尽管此标准模型只是一个简单的示例,但它表明研究人员可以通过仿真来分析相似或更复杂的问题。例如,如果冷冻夹杂物不是矩形而是正弦形状变化的,该怎么办?此外,模拟这样的问题可以帮助气候学家确定冰何时融化并导致水饱和,这将会引发许多地质问题。 第二种情况 为了使事情变得更有趣,让我们看看如果土壤中有两个冰块会发生什么。在实际情况下,多年冻土中会有许多冷冻夹杂物。首先,在几何图形中添加另一个冰块。 现在,让我们再次运行仿真程序。您认为会发生什么? 从上面的动画中我们可以看到,冰块最初以相同的速度融化,但是第二个冰块的融化速度在大约 9 小时后变慢了。您可以观察温度梯度的变化以了解原因。 起初,这些冰块彼此独立,各自融化。 一段时间后,第一个冰块的低温会向下移动到第二个冰块处。这降低了第二个冰块周围的温差,进而降低了其融化的速率。如下图所示,这在 18 小时非常清楚。   第一个冰块在 21 个小时后融化,但是第二个冰块还有一段路要走,并且它仍会受到第一个冰块对其造成的温度梯度的影响。 第二个冰块融化需要 29 个小时(第一个冰块融化后的第 9 个小时),低温从通道中对流出需要 56 个小时。 结论 冷冻夹杂物的融化可能很难通过解析的方法来解决,但是可以使用热-水力方法来模拟简单或复杂的问题。如该标准模型,后续示例和 InterFrost 项目所示,仿真是一种强大的工具,可用于对永久冻土融化进行建模并预测北方地区气候变化的影响。 下面是如何使用 COMSOL Multiphysics 来创建有关环境问题的模型和示例: 模拟人工地面冻结方法 预测堤防结构的变形 通过单击下面的按钮,尝试使用 “冷冻物” 教程模型自己对冷冻夹杂物的融化进行建模。这样做将带您到案例库中,在那里您可以下载其他 PDF 文档和 MPH 文件(带有 […]

人工地层冻结法的仿真研究

2017年 5月 18日

人工地层冻结(AGF)是建筑业中一种具有很高应用价值的工法。来自中国的研究人员通过模拟地下水流助力优化人工地层冻结法。

通过仿真预测护岸结构的变形

2017年 4月 3日

居住在水道附近的人们可以通过修建堤坝来避免洪水的破坏性影响,使用护岸结构可以使堤坝更加安全。然而,土壤压力、水位波动和地下水渗漏等因素会导致护岸结构变形并最终倒塌。为了更好地理解这个问题,研究人员模拟了位于中国长江内的护岸结构,从而能够预测结构的位移和变形。

混合法在裂隙通量守恒中的应用

2016年 9月 13日

今天的特约作者,是来自 COMSOL 认证咨询机构 — Boffin Solutions 有限责任公司的 Ionut Prodan,他将会和我们一起讨论运用混合方法计算薄层结构中的裂隙流动建模。 当在三维多孔基体中对薄层裂隙进行建模时,您可以通过裂隙流接口将它们模拟为二维对象,以有效地描述其压力场。然而,很多时候,我们对裂隙通量的计算更感兴趣,例如非常规储层中的水力压裂。让我们来看看混合方法是如何攻克这些难题的。

借助数值模拟分析多孔结构

2016年 5月 31日

储层、水坝、及其他户外结构都必须达到坚固、可靠的要求。压力变化可能会导致这些结构中的多孔材料被损坏,进一步引起流体流动及结构的逐渐垮塌和下沉。借助 COMSOL Multiphysics的多物理场仿真功能和多孔弹性接口,我们可以对多孔材料进行精确分析,以评估和避免这类结构中发生的变形。

如何将多分支井的石油开采成本降到最低

2014年 8月 18日

在石油和燃气行业,如何进行安全且经济的钻井是一个重大问题。除了常规的探井风险,油井本身也具有无法预知和不可避免的未知风险。本篇博文主要介绍如何通过数值仿真来避免这些未知风险,目的是通过对多分支井的稳定性进行分析,确定该油井是否需要采用昂贵的机械加固。

传热与地下多孔介质流的耦合仿真

2014年 4月 24日

在这一地热能系列的第二篇博客文章中,我们将重点探讨传热与地下水流耦合的过程,据此确定地下储藏的热量是否足够多,是否值得开采获得地热能。本文中我们将通过一个地下水换热对井回灌系统示例模型演示这一耦合过程。

使用 COMSOL 软件模拟地热过程

2014年 3月 28日

这是新的“地热能”系列博客文章的第一篇,我们将介绍模拟地热过程的基本概念以及大量相关的物理现象。我们还将向您展示一个地埋管换热器的示例模型。


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