构造-流体-成矿体系的反应-输运-力学耦合模型和动力学模拟

建立了一个综合的构造流体成矿体系的反应输运力学耦合动力学模型。利用有限元方法求解岩石变形、断裂作用和断裂网络统计动力学、流体流动、有机和无机地球化学反应及成岩成矿作用、压力溶液和其它压实力学、热迁移的方程组 ,可以对构造流体成矿体系的动力学演化过程进行 1～ 3维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下描述构造流体成矿体系的主要变量的时空演化 :( 1)与成矿流体的形成和性质有关的变量 ,如地层中矿物 (包括成矿物质 )的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等 ;( 2 )与构造变形和流体运移有关的各变量 ,如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造 (断裂 )渗透率等 ;( 3 )与沉淀成矿有关的变量 ,如矿物 (金属矿物和脉石矿物 )的成核速率、各矿物的沉淀量等 ;( 4 )上述各有关变量间的时空耦合关系 ,如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。以湖南沃溪金锑钨矿床为例 ,应用该模型和方法对成矿动力学过程和动力学机制进行了初步的模拟与分析。

氩-碳-硅等离子体热力学性质和输运系数计算

计算了广温度范围(300—30000 K)和广压力范围(0.1—10 atm,1 atm=101.325 k Pa)下,不同混合物比例、碳和硅蒸气浓度的局域热力学平衡(LTE)和化学平衡(LCE)的氩-碳-硅等离子体组分、热力学性质和输运系数.等离子体气相平衡组分使用质量作用定律计算,同时凝聚相组分采用相平衡的方法计算.输运系数的计算包括黏度、电导率和热导率,使用拓展到高阶近似的Chapman-Enskog方法.采用文献中较新的数据得到了较为准确的碰撞积分,导出了Ar-C-Si等离子体的输运系数.结果表明,在相变温度以下,凝聚态物种的引入导致Ar-C-Si等离子体的热力学性质、输运系数与纯Ar等离子体接近,在相变温度点则会产生不连续点.压力、碳/硅蒸气浓度和比例对等离子体热力学性质和输运系数具有较大影响.最终计算值与文献数据对比符合良好,有望为氩-碳-硅等离子体传热流动数值模拟提供基础数据.

尾矿库区地下水中U(Ⅵ)的反应-输运耦合模拟及其参数分析

在综合分析核工业南方某矿①长期观测数据的基础上,对矿区实际情况进行概化,建立了溶质的反应-输运耦合模型,利用溶质反应-输运模拟软件PHREEQC-Ⅱ以U(Ⅵ)为目标对尾矿库区地下水中核素迁移进行了数值模拟。研究了在弥散度、扩散系数、pH值、混合比以及阻滞系数等参数不同取值时U(Ⅵ)在地下水中的迁移规律,并就参数对模拟的影响进行了分析。模拟结果与现场实际情况基本吻合,为矿区环境评价及退役环境治理提供科学依据,也可为类似模拟研究提供参考。

U(Ⅵ)在浅层地下水系统中迁移的反应-输运耦合模拟——以我国南方核工业某尾矿库为例

在对我国南方某大型尾矿库库区水文地质条件概化的基础上 ,运用国际最新版本的三维地下水流动与污染物运移的模拟软件VisualMODFLOW建立了研究区U(Ⅵ )在浅层地下水系统中迁移的反应 -输运耦合模型 ,讨论了不同条件下U(Ⅵ )在地下水中的迁移情况 .模拟结果指示 ,在不治理的条件下 ,U(Ⅵ )对库区地下水污染严重 ;而在尾矿库治理条件下 ,由于地下水系统的自净作用 ,对于尾矿库在运营期间下渗的U(Ⅵ ) ,地下水系统完全可以“消化” .

成矿流体的流动-反应-输运耦合与金属成矿

中国著名的铜官山、冬瓜山、新桥等铜、金和硫化物矿床均赋存于上泥盆统五通组砂岩、石英砂岩和中、上石炭统的黄龙组碳酸盐岩不整合面或假整合面邻近。研究表明两个地质事件引发该区形成成因相同或相似的金属矿床。该区具有特定的岩性和地层组合 ;岩浆侵入到该地层组合的同时带进成矿物质和热能 ,热能又驱动成矿流体在岩体周边循环流动。文中对流体从含黄铁矿砂岩流到不整合面时产生的流体流动矿物溶解物质输运沉淀堆积的成矿过程进行了研究和分析 ,提出了一套用于描述热液成矿流动扩散反应过程耦合的偏微分方程组 。

考虑热-化学耦合的NEPE推进剂固化过程数值模拟

采用热-化学耦合模型表征热传导和固化动力学反应,利用物理试验测定硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂在不同固化度下的热参数和密度,研究了NEPE推进剂药柱在固化过程中温度场和固化度的分布和演变规律。结果表明,因推进剂固化反应的生热速率与外界热量传递速率存在差异,导致固化过程中出现内部温度场和固化度场分布不均匀的现象。固化时间为1~4 d时,药柱中心位置的温度较高(最高57.6℃),外侧较低;固化时间大于等于5 d时,药柱温度场慢慢与环境温度(50℃)趋向于平衡。推进剂固化度-时间曲线近似为“S”型,固化时间小于1 d时和大于4 d时,固化速率缓慢;固化时间2~4 d时,固化速率快。固体发动机的m数对推进剂固化温度和固化速率有一定影响,m数越大,推进剂的最高温度越高,同时温差也越大,温度差会导致推进剂药柱内部固化速率产生差异,造成推进剂达到指定固化度的时间变长。

Godunov格式下高精度二维水流-输运耦合模型

针对复杂流体运动中物质输运方程的数值求解面临地形复杂、数值阻尼过大以及数值振荡等难题,建立了Godunov格式下求解二维水流-输运方程的高精度耦合数学模型,提出了集成输运对流项的HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)型近似黎曼算子,可同时计算水流通量及输运通量,不仅有效模拟了复杂地形上水流运动,而且解决了输运方程中对流项产生的数值阻尼过大和不稳定振荡等难题。采用水深-水位加权重构技术和Minmod限制器,提高了模型处理复杂混合流态的能力,同时结合Hancock预测-校正方法,使模型具有时空二阶精度。算例结果表明,模型精度高、稳定性好,能有效抑制数值阻尼,适合模拟实际复杂流体运动中物质的输运过程,具有较好的推广应用价值。

JMCT光子-电子耦合输运模拟计算研究

为满足光子-电子耦合输运应用模拟需求,自主研发了JMCT光子-电子耦合输运功能,并实现了多种光电耦合输运处理方式,以便满足不同的工程需求。利用光子-电子耦合输运典型算例验证了JMCT光子-电子耦合输运功能的正确性,并应用到了探测器响应函数模拟、闪光照相模拟计算中,表明JMCT在实验核物理、核分析技术应用等方面发挥着越来越重要的作用。

提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95%以内。

应用热质输运-反应体系对银山隐伏岩体预测

利用热质流体输运动力学模型与石英溶解、沉淀的化学动力学模型,以及多孔介质的本构关系建立了一个组分浓度、热质输运、反应动力学耦合模型。针对银山多金属矿床成因有关成矿模型,假设银山多金属矿床形成除与浅部次火山岩岩枝的侵入有关外,在其底部可能还存在一个大的隐伏岩体,并模拟了成矿系统的温度场、孔隙流体组分(硅酸)浓度场、流场(流函数)和二氧化硅沉淀量。初步结论是:对于银山多金属矿床这样大型、特大型矿床,一种合理的情况是下部可能存在隐伏的大岩基,其所提供的巨大热能和矿质驱使整个热液成矿系统的长期活动,并使得大矿量聚集成为可能。

地质流体的输运-化学反应与成矿作用微观机制研究——以安徽冬瓜山层控夕卡岩型铜矿床为例

以冬瓜山层控夕卡岩型铜矿床的基本地质特征为基础建立了成矿作用的地质模型,运用成矿作用动力学理论将其转化成动力学模型,然后对动力学模型求解得到刻划矿质在断裂—多孔介质体系中输运-化学反应演化规律的解析解。研究揭示冬瓜山矿床的成矿微观机制为:成矿流体受外力的驱动在断裂-多孔隙复杂介质的输运过程中,由平流、动力弥散、扩散作用与交代反应、溶解-沉淀反应相互耦合作用而成矿。介质的有效孔隙度和渗透率等动力学参数是矿体的空间分布及规模大小的主要控制因素。模拟结果合理地解释了矿体的空间展布、矿石品位及矿石结构构造的空间变化特征等矿床的基本地质特征。本研究显示,一旦成矿过程的基本动力学参数能确定,可预测成矿的位置、矿体长度、厚度及贫富变化的规律,显示动力学研究具有潜在的重要应用价值。本文为研究复杂介质中矿床形成的微观机制提供了一种新的思路。

热液系统流体输运－化学反应耦合动力学综述

输运－反应模式通过连续质量守恒方程进行描述，它表示为主要组分的Ｎ＋Ｍ个耦合的非线性偏微分方程。这些方程可以通过有限差分或有限元等数值方法进行求解。利用准静态近似法，涉及平流、分子扩散和水动力弥散作用的地球化学系统的演化在时间上通过一系列静止状态模拟出来。模拟实际地质系统的动力学实验对输运－反应耦合动力学的应用具有十分重要的影响。

超导-量子点耦合系统的相干输运

研究超导 -量子点耦合系统的量子相干输运 ,主要考虑系统在微波场及Zeeman场作用下的输运电流特性 .应用BCS平均场理论及非平衡格林函数技术 ,对超导体各极作Bogoliubov变换使其对角化 ,从而推导出用格林函数表示的电流公式 .对几种特殊情况进行数值分析 ,计算出电流 -电压、电流 -磁场及直流Josephson电流的共振隧穿曲线 .

岩石断裂作用的反应-迁移-力学耦合与自组织

岩石断裂作用是一个复杂的动力学体系和动力学过程,受到岩石结构、应力、流体迁移、化学反应等多种地质因素和过程的耦合控制.本文建立了岩石断裂作用的反应-迁移-力学耦合动力学模型并编制了模拟程序.以湖南水口山康家湾矿区为例,数值模拟表明不同岩石的断裂作用强度和断裂渗透率演化是不同的,断裂与岩石、流体间的耦合产生正反馈和自组织作用,使得断裂渗透率的空间非均匀性增强并产生聚流作用.断裂与岩性、流体、反应的耦合、反馈与自组织作用控制了康家湾矿区流体成矿作用的发生与矿体的形成.

基于混合物理论的水力-化学-力学污染物输运模型研究

由于废弃物的堆积以及填埋场上覆盖层的重量,衬垫因此承受一定的压力,发生力学固结;由于黏土本身的结构特性,当污染物通过黏土垫层时可能会发生化学固结,而固结作用可直接对污染物的对流输运产生影响,也会引起土层体积和结构的变化,从而改变其固有的输运性质。从混合物理论出发,建立了水力-化学-力学作用下的溶质输运理论框架,统一地描述了水力-化学-力学作用下变形、水的吸附或解吸附、对流和扩散现象。将输运系数考虑为有效孔隙率的函数,由此反映固结对输运参数的影响。对所建立的数学模型进行无量纲化处理,并使用有限元软件COMSOL Multiphysics进行求解,最后进行了参数分析。研究结果表明,垫层土体中吸附水和自由水之间的化学势差异越大,层间吸附水的解吸附量越大;当土体的软硬性质不同时,当层间吸附水解吸附后,土体固结程度不同,从而对污染物输运过程的影响不同。而当垫层上覆荷载增大时,土体宏观孔隙的扩张的限制作用增强,从而对土体产生一种修复作用,抑制污染物在土体中的输运。

土壤原位热传导修复水-汽-热耦合输运模拟

为了研究有机污染场地原位热传导热修复过程中地层温度的时空分布规律,基于典型场地建立水-汽-热耦合输运模型,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台对原位热传导修复过程中的土壤温升进行数值模拟研究,预测得到温度、水相及蒸汽相浓度分布随时间的变化规律.利用文献中的单根加热棒加热场地实测数据对模拟结果进行对比验证,通过参数化分析探究土壤孔隙度、水饱和度及毛细作用力对土壤温度时空分布的影响.结果表明,大孔隙度和水高饱和度将导致土壤温升减慢,这是由于大量热量用于液态水蒸发过程.毛细管力会强化液态水输运,增大蒸发速率.

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.

自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

热-水力-力学-传质耦合过程模型及工程土障数值模拟

提出了一个非饱和多孔介质中的热 -水力 -力学 -传质耦合过程模型。利用文献 [1]中提出的热 -水力 -力学本构模型 ,对工程土障系统进行数值模拟。数值模拟结果显示了环境条件对废物场中的热量产生和传输过程对工程土障中水力 -力学行为的影响以及可能在工程土障中产生塑性应变 ,导致土障破坏。污染物浓度分布的数值结果显示了温度与降水过程对污染物随地下水向土障周边自然环境渗透的倾向。