模拟多孔介质中的多相流

学术 2024-11-06 09:01 上海

地下水是灌溉水和饮用水的重要来源，因此保持其纯净性至关重要。然而，一旦污染物进入其中，就很难将它们清除。建立从地下水中去除污染物的系统，需要了解非混相流体在土壤中迁移的复杂行为。工程师可以使用 COMSOL® 软件中的相传递功能来模拟这种行为。

预测地下流体的迁移

流体，特别是非混相流体在地下的迁移行为对许多行业都很重要。研究人员曾经对这种传递方式进行过研究，用于改进石油的开采和回收方法。如今，他们更关注非混相流体对环境产生的负面影响。例如，废弃物管理和环境保护等行业的工程师正在设计能够更好地预防、检测和清理土壤中污染物的系统。如果不加以控制，污染物就会进入地下水，并影响农作物的质量。

地下水插图。

然而，由于涉及过程的复杂性和非水相液体的性质，理解流体流动是一件困难的事情。油和其他非水相液体污染物的密度通常与水不同，即使它们混合在一起，也会分开流动（多相流）。非水相液体还可能会被困在淤泥和黏土等渗透性低的土壤区域，从而更难被检测和清除。此外，非混相流体如何流过土壤（以及任何低渗透区）取决于土壤的饱和度。

为了深入理解流体在土壤中的流动，工程师可以借助数值仿真技术进行模拟与分析。本文，我们来看一个这方面的示例模型：含有低渗透性晶体的多孔介质中的多相流模拟。

模拟多孔介质中的多相流

该示例模型由一个圆形域组成，用于表征中间有一个低渗透性晶体的多孔介质。由于轴对称性，我们只需要建立一个二维横截面模型，帮助降低仿真的计算成本。首先，让比非水相液体轻的流体（比方说水）充满整个域。模拟开始后，较重的非水相液体通过顶部的小孔以恒定且均匀的质量通量进入该域，持续 100 分钟。

在这里，我们不会介绍所有的模拟细节，您可以在底部“阅读原文”查看低渗透性晶体上方的两相流教程模型，下载相关的 MPH 文件，查看流体和土壤的属性。

我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 CFD 模块和地下水流模块中的相传递功能，轻松模拟两相流。使用多孔介质相传递接口，可以分析非混相的流体如何在土壤中流动，从而确定饱和度，并考虑相界面发生的微观现象以及重力的影响。还可以通过多孔介质多相流多物理场耦合节点将这个接口的功能与达西定律接口耦合，更加方便地模拟多孔介质中多相流体的流动和传递。

虽然本文示例中没有使用，但我们也可以使用相传递接口来模拟自由流动的多相流动，无需追踪它们之间的界面，从而使计算要求低于其他方法。

仿真结果显示了低渗透性晶体周围的两相流。

预期开始时重相会在低渗透性区域周围流动，但不会渗透进去，因为晶体的入口毛细管压力高于周围土壤的压力，这意味着只有当其饱和度达到临界值时，密度更大的非润湿流体才能进入晶体。我们可以使用多孔介质不连续性边界条件来模拟此过程，该功能允许土壤-晶体界面不连续，有助于确定临界饱和度。

可视化结果

运行模拟后，我们可以看到重相的流动与预期的结果一致。流体不会立即渗入晶体，而是仅在其周围的土壤达到临界饱和度时才进入，这发生在大约第 12 分钟。约一个小时后，重相到达晶体的底部。

正如文中的示例所示，工程师可以使用 COMSOL Multiphysics 中的相传递功能分析单相和多相流体在多孔介质中的传输。通过更透彻地理解其中所涉及的物理过程，他们可以设计出更高效地去除地下水污染、石油开采等系统。

更多资源

了解有关模拟地下流动的更多信息：

如需了解文中提到的案例详情，请点击底部“阅读原文”查看。如果您有相关问题，或者文中介绍的内容没有涉及您所关注的问题，欢迎留言讨论。

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