渗流-化学溶解耦合作用下岩石单裂隙渗透特性研究

为揭示在渗流-化学溶解耦合作用下单裂隙渗透特性的变化规律,建立了描述二维渗流-化学溶解耦合作用的偏微分方程组,并利用COMSOL Multiphysics软件成功地求解该方程组。首先,模拟了文献[1]中的盐岩渗流-溶解耦合渗流试验结果,数值模拟结果与试验结果较为吻合,验证了数学模型的正确性和有效性。然后,利用分形理论生成了一个粗糙的裂隙面数字模型,着重分析了二维石灰岩粗糙裂隙面在水流、矿物溶解和输运过程中其渗透特性的变化规律。数值分析显示,(1)溶质浓度对裂隙面的溶解具有非常重要的作用,从而水流进口端的溶解厚度比出口端大得多。(2)裂隙的整体渗透性在初始时刻增加较慢,随着裂隙开度的增大和贯通,溶解速度会逐渐增大,是一个加速的过程。

考虑微观结构影响的混凝土界面过渡区裂隙渗流-溶蚀耦合模型

根据四参数随机生长法生成了混凝土界面过渡区(ITZ)的微观结构,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别模拟渗流速度场和溶质浓度场的演化,建立了考虑微观结构影响的ITZ裂隙渗流-溶蚀耦合过程的数值模型。结合2个经典算例,验证了计算模型在处理溶质对流-扩散及反应-扩散问题方面的准确性。最后讨论了渗流流速、Ca(OH)_(2)含量以及Ca(OH)_(2)排布状态等因素对ITZ裂隙渗流-溶蚀耦合作用特性的影响。研究表明:裂隙初始渗流流速越快,壁面的溶蚀速率越快,其整体孔隙率增加越快。ITZ的Ca(OH)_(2)含量越高,在壁面处其与流体的接触面积越大,溶蚀现象越易发生,并导致裂隙内Ca^(2+)浓度也相应的增加。如果溶蚀出来的Ca^(2+)得不到及时运移,将反过来抑制Ca(OH)_(2)的进一步溶蚀,故ITZ裂隙的渗流-溶蚀过程受控于Ca(OH)_(2)含量与Ca^(2+)浓度的综合作用。对于Ca(OH)_(2)不同排布状态的ITZ裂隙,由于渗流受到微观结构的影响,溶蚀过程稳定后其相对渗透率水平生长最大,均匀生长次之,竖向生长最小。

基于表面反应和扩散迁移控制的灰岩单裂隙渗流—溶解模型及其数值模拟

针对碳酸盐类可溶岩地区水电站坝址流场、化学场及固相介质属性等随时间发生改变对工程安全运行造成不利影响等问题,研究了灰岩地区地下水运移过程中各物理场间的相互作用,分析了影响灰岩溶解速率的2个因素,即表面反应控制和扩散迁移控制。在此基础上,建立了单裂隙中的渗流—溶解耦合模型,并进行数值求解。模拟结果表明:在垂直裂隙延伸方向,其溶蚀锋面不为齐整平面,而是呈似"虫洞"状非均一变化,而沿裂隙延伸方向即自上游侧向下游方向溶蚀程度逐渐减轻;通过裂隙的流量呈现随时间逐渐增大的趋势,但变幅不大;根据流量求得的等效水力隙宽,其增幅和增长速率均小于实际平均隙宽;同时,化学场中Ca2+浓度的分布与裂隙开度变化具有相似性,不同时刻上游侧反应速率R均大于下游侧;就反应机制而言,初期均受表面反应控制,随反应进行,位于上游的补给区部位转为受扩散迁移控制,但在下游位置仍受表面反应控制。

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。

不同溶蚀速率对灰岩单裂隙渗流-溶解模型的影响

我国岩溶分布面积较广,为研究其裂隙发育变化常采用数值模拟手段,而不同溶蚀速率表达对模型计算结果影响较大。为比较不同机理下溶蚀速率方程的影响,考虑表面反应或扩散迁移的单一因素控制以及两者联合控制,并以灰岩平行板单裂隙为例,建立基于不同溶蚀速率的渗流-溶解耦合模型并进行求解。比较各模型结果可以看出:当反应速率仅考虑单一因素时,溶蚀深度相对较浅、溶蚀量较少,且通过裂隙的流量也较小,尤其是流量陡增的“临界点”更是远滞后于两因素联合控制的临界点。因此,长期溶蚀作用下基于不同溶蚀速率的模型结果差异较为显著,在实际应用时应根据研究部位和研究时段选择合适的溶蚀速率方程。

病死动物化制搅拌过程流固耦合数值仿真与优化

针对病死动物干化化制过程中物料组分复杂多变,流动不均衡等问题,提出一种新型双螺带式搅拌器。采用ANSYS软件进行了化制罐内物料与搅拌器流固耦合建模与仿真分析,研究不同搅拌速度下化制容器内的物料流动速度与分布规律,并结合干化容器内物料流线分布进行了搅拌器结构优化。试验和数值优化结果表明,双螺带式搅拌器在10r/min的搅拌转速下,化制容器内超过80%的物料流动速度均达到0.419 m/s以上。相比单螺带搅拌器提升物料流动性能20%,一种新型双螺带式搅拌器提升了病死动物干化化制处理的效率和质量。

表面反应和扩散迁移联合控制的粗糙单裂隙渗流–溶解耦合模型

裂隙渗流–溶解耦合模型可用于刻画流场、化学场以及裂隙开度等的变化,而溶解速率的表达以及裂隙开度的初始分布对模拟结果皆有影响。在探讨表面反应和扩散迁移联合控制溶蚀机制的基础上,采用分形方法模拟粗糙裂隙,建立此类条件下的渗流–溶解耦合模型,并进行数值求解。结果表明:(1)裂隙开度、流速、Ca2+浓度等在空间上呈"虫洞"状非均匀分布,尤其是中后期形成相对集中的渗流通道;(2)通过裂隙的流量在某一"临界点"后出现激增,即流量在此时刻之前增长相对较缓,而之后明显增大;(3)裂隙各部位反应受控主因素具有时变性,初始时以表面反应控制为主,而后在上游处转为扩散迁移控制,并逐渐向下游延伸扩大。