孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

岩体粗糙单裂隙渗流及溶质运移研究

与多孔介质相比,裂隙介质中的渗流、溶质运移要复杂得多,许多学者在这方面进行了深入的研究,他们在模型的建立、求解、验证等方面都取得很大突破,但仍有许多难点没有解决。着眼于粗糙单裂隙开度变化的实质特性,将原有裂隙介质渗流、溶质运移方程进行修改,建立粗糙单裂隙渗流、溶质运移数学模型,并进行数值模拟。     

基于图像法的多孔介质双分子反应溶质运移模拟

采用图像分析法确定溶质浓度,以硫酸铜和EDTA二钠作为双分子反应物,在多孔介质模型中开展了不同粒径(1.52.0,2.53.0,3.54.0 mm)和流量(1.0,1.5,2.0 mL/s)下反应性溶质运移实验,探讨了应用不完全混合的对流弥散模型(IM-ADRE)对双分子反应溶质运移的模拟和预测,并进行了参数敏感性分析。结果表明:图像分析法可准确获取多孔介质中显色反应性溶质的浓度,灰度值与浓度的决定系数R²大于0.96;用IM-ADRE模型能够准确预测双分子反应性溶质硫酸铜和EDTA二钠在3种不同多孔介质中的运移过程,误差低于3.71%;实验条件的改变对IM-ADRE模型参数D、m和β₀的影响显著,说明模型参数依赖于环境条件,其变化规律需要根据实际环境条件进一步率定,便于IM-ADRE模型的进一步推广应用。     

多尺度非均质多孔介质中溶质运移的蒙特卡罗模拟

探讨了将蒙特卡罗(Monte Carlo)方法应用于多尺度非均质含水层中溶质运移模拟的方法。所研究的含水层由两种具有不同渗透系数统计特征的多孔介质所组成,每一种多孔介质是非均质的,且其渗透系数场符合平稳假设,而整个模拟区的渗透系数是非平稳的。Monte Carlo方法要求参数是平稳的,因此,分别对两种多孔介质产生若干随机渗透系数场后,用两种方法进行组合,并进行溶质运移的模拟计算。通过对计算结果的分析,综合考虑计算精度、计算时间等因素,得出了处理多尺度非均质多孔介质中溶质运移问题的较好方法。     

反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟

盐渍土壤中的物理化学作用对溶质运移具有重要影响.吸附和离子交换作用是土壤中常见的反应.利用室内土柱出流实验对这两种作用下的单组分和多组分溶质运移进行了探讨,用CXTFIT软件模拟了只考虑对流-弥散的常规溶质运移;用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合吸附和离子交换反应的模拟.结果表明,土壤质地对单组分溶质的运移具有重要影响,而在多组分溶质运移中,组分之间的相互作用对溶质运移具有更为重要的影响,并且耦合物理化学作用的模拟精度更高.     

连续时间随机游动理论模拟多孔介质中溶质运移的研究进展

近年来,基于连续时间随机游动(Continuous Time Random Walk, CTRW)理论所建立的模拟非均质多孔介质中溶质运移的方法已在大量的数值实验、室内实验、野外实验中得到了广泛的验证,为非均质多孔介质中的溶质运移行为提供了一种有效的模拟方法。简述了提出和发展CTRW的研究背景、基础理论以及与经典的对流-弥散方程等其他模拟方法的关系,综述了该理论在模拟溶质运移中的发展和应用,分析了实际应用中的关键问题,并展望了将其进一步发展应用于模拟反应性溶质运移的前景。     

滨海地区分层含水层中陆源溶质运移过程

为更好地保护沿海水环境和水生态功能,亟需探究陆源溶质在滨海分层含水层中的迁移机制。构建二维分层含水层数值模型,采用地下水软件SUTRA-MS模拟分析潮汐作用下陆源溶质在分层含水层中的运移特征。结果表明：(1)与均质含水层相比,弱透水层的存在会延长溶质在含水层中的滞留时间、增大溶质最大扩散面积、削弱溶质在水平方向和垂直方向的扩散程度;(2)弱透水层能够降低陆源溶质向海水排放的最大通量,并且延长溶质排放的持续时间;(3)溶质扩散面积、弱透水层中溶质残余量、水平和垂向扩散程度等对弱透水层水力传导系数和厚度的敏感性优于弱透水层深度。     

裂隙含流体、气体各向异性介质波场数值模拟

由目前普遍被勘探地震工作者承认的Ｈｕｄｓｏｎ本构方程出发，首先讨论了裂隙含流体、气体各向异性介质一维二、三分量波动方程，然后用有限元方法进行了波场数值模拟。该研究有益于加深对地震波在裂隙含流体、气体各向异性介质中传播规律的认识。     

多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。     

Adaptive POD model reduction for solute transport in heterogeneous porous media

We study the applicability of a model order reduction technique to the solution of transport of passive scalars in homogeneous and heterogeneous porous media. Transport dynamics are modeled through the advection-dispersion equation (ADE) and we employ Proper Orthogonal Decomposition (POD) as a strategy to reduce the computational burden associated with the numerical solution of the ADE. Our application of POD relies on solving the governing ADE for selected times, termed snapshots. The latter are then employed to achieve the desired model order reduction. We introduce a new technique, termed Snapshot Splitting Technique (SST), which allows enriching the dimension of the POD subspace and damping the temporal increase of the modeling error. Coupling SST with a modeling strategy based on alternating over diverse time scales the solution of the full numerical transport model to its reduced counterpart allows extending the benefit of POD over a prolonged temporal window so that the salient features of the process can be captured at a reduced computational cost. The selection of the time scales across which the solution of the full and reduced model are alternated is linked to the Péclet number (P e), representing the interplay between advective and dispersive processes taking place in the system. Thus, the method is adaptive in space and time across the heterogenous structure of the domain through the combined use of POD and SST and by way of alternating the solution of the full and reduced models. We find that the width of the time scale within which the POD-based reduced model solution provides accurate results tends to increase with decreasing P e. This suggests that the effects of local-scale dispersive processes facilitate the POD method to capture the salient features of the system dynamics embedded in the selected snapshots. Since the dimension of the reduced model is much lower than that of the full numerical model, the methodology we propose enables one to accurately simulate transport at a markedly reduced computational cost.     

多孔介质中非均匀流动特性的染色示踪试验研究

通过土壤染色剂进行的4组试验,对不同介质结构条件下的水流和溶质非均匀运动规律,非均匀流动变异信息分布特征关系以及全局性非均匀流动示踪方法进行了研究。结果表明,即使在相对比较均匀的介质条件下,流动也表现出明显的非均匀特性;对数正态分布能够较好的反映水流的运动分布模式,相比水流运动,溶质的运动和分布规律明显不同,表现出更多的不确定性和变异性。     

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that(1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy's law satisfactorily;(2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

饱和水流溶质运移问题数值解法综述

本文总结了饱和水流中溶质运移方程求解的各种数值方法，分析各种方法的本质特征以及各自的优缺点，并指出了求解对流—弥散方程的各种数值方法的研究进展和值得重视的问题。研究结果表明，自适应欧拉—拉格朗日法(EM)是溶质运移问题中，求解对流—弥散方程是比较有发展潜力的方法之一。以MMOC法为基础在陡峰值高价插值和其它区域低价插值相结合的ELM法，将是未来发展的趋势。而寻求非规则网格上高精度的空间单元插值模式，已开始成为求解对流问题数值方法研究的重点和关键问题。     

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that (1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy’s law satisfactorily; (2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

多场耦合作用下溶质运移模型及机制研究

最新研究表明,多孔介质中溶质运移现象受化学渗透和土壤表面电荷的多重影响。随着城市化进程的加快,卫生填埋场衬垫系统的长期安全性和淤泥脱水问题也愈加严重。为了综合研究水头,电场和化学渗透等物理作用对离子在土壤介质中迁移特性的影响,建立了一个新的多场耦合模型。该模型用有限元法取得数值解,并且利用移动边界成功实现了对淤泥脱水和填埋场衬垫系统中水溶液和化学溶质迁移问题的数值模拟。对于衬垫系统而言,化学渗透现象和渗透电势两者均可减缓溶质击穿土层的时间,有助于延长衬垫的工程寿命。对于淤泥脱水问题的分析结果表明,水力渗透系数和电渗系数分别是主导压滤式和电渗式脱水处理的主要变量。孔隙淤堵是压滤脱水中最主要的问题,土工织物表面所积聚的滤饼会导致水流量急剧下降