轻非水相液体在不同粒径多孔介质中的运移与分布特性

通过二维砂槽模型模拟柴油在不同粒径多孔介质中运移与分布试验,由图像分析法获取油流锋面及其二维空间分布图,探讨其在不同粒径多孔介质中的迁移与分布特性。试验表明:轻非水相液体的入渗速度与方向受毛细水分和介质粒径的大小影响,也受介质的接触面及结构裂隙的影响;它随地下水位波动而重新分布;其在毛细区和粒径越小的介质中,残留现象越明显,污染越严重。研究它的迁移与分布规律,对于防治地下水和土壤污染有着重要的意义。     

饱和非均质介质中PCE的运移分布与修复研究

重非水相液体(DNAPLs)泄漏进入土壤-地下水环境成为长期污染源,给人类健康及生态环境带来严重威胁。将四氯乙烯(PCE)作为特征污染物,通过二维砂箱实验探究饱和非均质介质中PCE的运移分布,及Tween 80溶液对PCE的去除效果。采用透射光法监测运移与修复过程,定量评估PCE的修复效率。结果表明,由于PCE无法克服毛细压力,在低渗透性介质上方聚积污染池;由于拉断效应,PCE在运移路径上以离散状形式存在。离散状PCE与Tween 80溶液的有效接触面积大,易被优先溶解去除,控制着修复效率。Tween 80溶液对离散状PCE修复效果显著,可作为有效的修复溶剂选用。     

多孔介质中氢氧化铁表面膜分布与微生物运移

微生物在矿物表面上的吸附作用是影响微生物在含水层中运移最为重要的因素之一,而掌握了微生物在含水层中迁移规律对当地制订地下水的生物治理工程尤显必要。由于在多孔介质中矿物质存在化学不均一性,因此分几种情况评价氢氧化铁表面膜存在及分布对微生物运移规律的影响。     

盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

选用四氯乙烯（PCE）作为典型DNAPL污染物,以NaCl作为地下水中溶解盐代表,研究盐度对DNAPL在饱和多孔介质中运移和分布的影响。通过批次实验测定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相体系下的接触角和界面张力,结果表明,PCE在石英砂表面的接触角随着水中NaCl浓度的增大而减小,而PCE和NaCl水溶液的界面张力随着NaCl浓度的增大而增大,尤其当氯化钠浓度较高时（>0.1 mol/L）,影响程度更为显著。在此基础上,采用透射光法监测不同介质情景下DNAPL在二维砂箱中的运移和分布,定量测定DNAPL在介质中的饱和度。实验结果表明,地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗,减少被截留在运移路径上的DNAPL量,使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL（pool）向水流方向偏移。在均质多孔介质和含有透镜体的非均质多孔介质中,随着盐度的增加,DNAPL在横向和垂向上的展布均呈现出增加趋势,导致污染源区变大,且介质中以离散状存在的DNAPL量明显增加。     

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。     

轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究

通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体(LNAPL)在湿润多孔介质中的渗漏,得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律,并利用多相流体理论对其污染机理进行分析.在实验基础上建立模型来预测渗漏的基本特征,即渗流带中污染锋面扩展速度和透镜体的最终形状,预测结果与实测结果较为接近.这种预测模型对控制和治理地下水中LNAPL污染是至关重要的.     

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。     

多孔介质粒径变异系数对污染物运移的影响

多孔介质污染物运移对于明晰地下水污染很重要,但在多孔介质中粒径变异系数(coefficientofvariation,COV)对内部微观孔隙结构中污染物运移过程影响的研究还存在不足.为此,基于随机算法,提出了一种不同COV且孔隙度一致的多孔介质几何模型构建方法,通过对Navier-Stokes(N-S)方程和对流-扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)进行耦合求解得到多孔介质地下水流场及污染物浓度场,引入克里斯琴森均匀系数,定量评价流场流速分布的均匀性,基于MIM(mobile and immobile)模型和ADE模型分析耦合求解得到的穿透曲线特征.结果表明：随着粒径COV的增大,流场流速分布的不均性增强,MIM模型中的溶质流动区域占比β、无量纲传质率α^*均增大;MIM模型拟合优度高于ADE模型,且随COV增大,ADE模型的拟合全局误差Ei逐步增大.总体上,粒径COV控制了溶质流动区域和非流动区域的大小及其之间的溶质交换强度,造成了多孔介质内部溶质运移的“非费克”行为,使得ADE模型的误差逐步增大,对于较大COV的多孔介...     

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。     

考虑土体固结变形的污染物运移模型

土体的固结压缩变形对污染物的运移具有重要的影响,而目前国内关于污染物在变形多孔介质中运移规律的研究尚处于空白,在国外也是近几年才有人开始这方面的研究工作。在Biot固结理论和污染物运移理论相结合的基础上,提出了污染物在黏土防渗层中迁移转化的一维数学模型,该模型的最大特点是考虑了土体受力变形对污染物运移的影响,在合理简化的基础上给出了模型的解析解,并将计算结果与太湖疏浚污染底泥堆场的实测结果进行了比较分析,模拟计算的结果在一定程度上能够反映实际土层中污染物的运移情况。     

二维孔隙介质中重非水相液体饱和度测定与分析

在二维均质饱和孔隙介质中利用光透法与高密度电阻率法定量监测重非水相液体(DNAPL)的运移过程与饱和度。 将光透法与高密度电阻率法相结合,进行高密度电阻率法对 DNAPL 在饱和多孔介质中渗流过程的定量监测。在二维砂箱 中进行 DNAPL 的入渗试验,应用光透法与高密度电阻率法进行动态监测,分别利用 CCD 相机、LCR 数字电桥采集数据。 光透法的数据处理采用“水-DNAPL”两相中 DNAPL 饱和度的计算公式。而高密度电阻率法的数据处理是将获得的电阻值 数据转化为电阻率值,然后利用 Archie 公式获得重非水相液体的饱和度空间分布。Archie 公式中参数β值本文采用与光透法 相结合的新方法来获取,克服了传统方法获取β值时存在的困难。根据不同时刻的饱和度空间分布可以估算注入砂箱内的 DNAPL 总量,并将其与实测的入渗量进行对比。结果表明,与光透法结合后的高密度电阻率成像法能定量监测饱和孔隙介 质中 DNAPL 的入渗过程,且估算的 DNAPL 入渗量与实测值比较吻合,提出的基于光透法计算β值的新方法是有效且可行的。     

多孔介质中水合物的热物理参数测量

利用时域反射技术和非稳态热线法测量热物理特性技术,设计制作了一套用于高压状态下测量含水合物沉积层热物理参数的系统。选择粒级(?)0.18～0.25 mm的细砂作为多孔介质,加入0.3g/L十二烷基硫酸钠(SDS)溶液作为多孔介质中的孔隙水和甲烷气体(纯度为99.9%),模拟沉积物中水合物的生成过程。采用交叉热线法和平行热线法两种方法测量了含水合物沉积层中的导热率,交叉热线法导热率的测量结果为(1.112±0.080)W/(m·K),平行热线法导热率的测量结果为(1.078±0.057)W/(m·K)。     

A Mathematical Model for Estimating Electroosmosis Effect on Water Displacing Oil Process in Porous Media and Its Application

EIectrical-chemicalproducingmethod(Zhangetal.,1997)(ECPM)wassuggestedtobeanewapproachforin-creasingoilproductionrateandenhancingoilrecoveryinlowpermeabilityreservoirsinrecentyears-Electroosmosisisnoton1yoneofmainmechanicsofECPM,butofanimportantmechanicsofcommonproductionmethodbydirectelectricalfield(Aggouretal.,l994;Aggouretal.,1992lChilingeretal.,l97o).Manydynamicdisplacingexperimentsunderdi-rectelectricalfieldatdifferentelectricalpotentialgradientwereconductedtostudytheeffectofelectroos…     

多孔介质渗流力学理论研究现状及发展趋势

多孔介质广泛存在于地下岩土结构、工程材料、生物体中,由于多孔介质微结构的复杂性,多孔介质渗流问题受到广泛关注。总结介绍了多孔介质渗流理论在国内外的研究现状,对多孔介质的描述、渗流问题的研究方法以及多孔介质中溶质运移、热量运移以及数值模型等方面的研究进展作了评述,并就多孔介质渗流理论在环境、农业、生态等领域的应用与发展方向提出看法。     

聚合物改性硫化亚铁在饱和多孔介质中的迁移性能

本文采用羧甲基纤维素钠（CMC）、瓜尔胶（Guar gum）对硫化亚铁（FeS）进行了改性,以增强FeS的稳定性和迁移性。通过实验考察了3种FeS（CMC-FeS、GG-FeS、Nano-FeS）的沉降性能及其在粗、中、细砂3种介质中的迁移性能,并根据胶体过滤理论计算了3种FeS在中砂中的沉积速率及在不同介质中的最大迁移距离。结果表明：改性后FeS的稳定性较高,抗沉降性能CMC-FeS > GG-FeS >> Nano-FeS;由穿透曲线看出,3种FeS在粗、中、细砂中的穿透能力（即出流质量浓度ρ_i与注入质量浓度ρ₀的比值）均为CMC-FeS > GG-FeS > Nano-FeS。粗砂和中砂中CMC-FeS的穿透能力明显高于GG-FeS,但细砂中二者的穿透能力相近,说明瓜尔胶的剪切稀化特性更利于GG-FeS在细颗粒介质中的迁移;FeS注入质量浓度的增加会导致更多的FeS沉积到介质中,但聚合物改性可以显著降低沉积速率,沉积速率CMC-FeS < GG-FeS < Nano-FeS;改性后CMC-FeS和GG-FeS在中砂的最大迁移距离分别是Nano-FeS的6.4倍和2.6倍,增加GG-FeS注入质量浓度对其最大迁移距离影响较小。     

黄土地区降雨入渗模型初探

基于饱和下渗理论和考虑新入渗雨水驱替旧土壤水分的作用,根据力学原理提出了一个简明的入渗模型及计算下渗锋面处毛管吸力的方法.模型参数物理概念明确,便于根据实际情况进行修正,有较大的灵活性.模型在团山沟径流场进行了验证.     

Modeling Hysteresis in Porous Media Flow via Relaxation

Two-phase flow in a porous medium can be modeled, using Darcy's law, in terms of the relative permeability functions of the two fluids (say, oil and water). The relative permeabilities generally depend not only on the fluid saturations but also on the direction in which the saturations are changing. During water injection, for example, the relative oil permeability k _ro falls gradually until a threshold is reached, at which stage the k _ro begins to decrease sharply. The latter stage is termed imbibition. If oil is subsequently injected, then k _ro does not recover along the imbibition path, but rather increases only gradually until another threshold is reached, whereupon it rises sharply. This second stage is called drainage, and the type of flow that occurs between the imbibition and drainage stages is called scanning flow. Changes in permeability during scanning flow are approximately reversible, whereas changes during drainage and imbibition are irreversible. Thus there is hysteresis, or memory, exhibited by the two-phase flow in the porous medium. In this work, we describe two models of permeability hysteresis. Common to both models is that the scanning flow regime is modeled with a family of curves along which the flow is reversible. In the Scanning Hysteresis Model (SHM), the scanning curves are bounded by two curves, the drainage and imbibition curves, where the flow can only occur in a specific direction. The SHM is a heuristic model consistent with experiments, but it does not have a nice mathematical specification. For instance, the algorithm for constructing solutions of Riemann problems involves several ad hoc assumptions. The Scanning Hysteresis Model with Relaxation (SHMR) augments the SHM by (a) allowing the scanning flow to extend beyond the drainage and imbibition curves and (b) treating these two curves merely as attractors of states outside the scanning region. The attraction, or relaxation, occurs on a time scale that corresponds to the redistribution of phases within the pores of the medium driven by capillary forces. By means of a formal Chapman–Enskog expansion, we show that the SHM with additional viscosity arises from the SHMR in the limit of vanishing relaxation time, provided that the diffusion associated with capillarity exceeds that induced by relaxation. Moreover, through a rigorous study of traveling waves in the SHMR, we show that the shock waves used to solve Riemann problems in the SHM are precisely those that have diffusive profiles. Thus the analysis of the SHMR justifies the SHM model. Simulations based on a simple numerical method for the simulation of flow with hysteresis confirm our analysis.     

Equivalent Permeability and Simulation of Two-Phase Flow in Heterogeneous Porous Media

The problem of calculating equivalent grid block permeability tensors for heterogeneous porous media is addressed. The homogenization method used involves solving Darcy's equation subject to linear boundary conditions with flux conservation in subregions of the reservoir and can be readily applied to unstructured grids. The resulting equivalent permeability tensor is stable as defined relative to G-convergence. It is proposed to use both conforming and mixed finite elements to solve the local problems and compute approximations from above and below of the equivalent permeability, respectively. Comparisons with results obtained using periodic, pressure and no-flux boundary conditions and the renormalization method are presented. A series of numerical examples demonstrates the effectiveness of the methodology for two-phase flow in heterogeneous reservoirs.     

多孔介质中甲烷水合物相变过程模拟实验研究

天然气水合物相变过程不仅对沉积层温度场产生影响,也会改变沉积层介电常数等物理性质,深入研究水合物相变过程对周围环境的影响对今后水合物资源开发利用以及水合物地质灾害控制评估等方面都有重要的意义。通过使用专门设计的水合物模拟实验装置,综合采用二维温度梯度和时域反射等方法对甲烷水合物生成及分解过程进行监测。结果显示：水合物合成过程中甲烷水合物合成受气源和过冷度等因素影响,当气源充足时,水合物优先在过冷度大的区域合成,否则水合物优先在气源充足的区域合成;水合物相变过程引起周围多孔介质介电常数发生改变,并可据此计算沉积层中水合物饱和度;水合物稳定性受热刺激影响明显,含水合物多孔介质传热效率与热源距离成二次函数的衰减规律。     

非饱和土中水流入渗和气体排出过程的求解

采用孔隙介质力学分析方法,把土体骨架、孔隙水和孔隙气分别作为独立的研究对象,结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的力学条件建立耦合方程,求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程。对标准砂进行的一维有压水流入渗试验和计算表明,孔隙气的排出过程影响孔隙水的渗流运动。数值计算与试验结果拟合较好。