PDF《地下水流模块》

6 | 地下水流模块物理场接口 地下水流模块中包含很多预定义的方程和设置来分析地球科学领域的问题.实 际建模中可以选择、修改这些接口中的方程和变量,或者将它们与 COMSOL Multiphysics 中其他的物理场接口相互耦合. 图1中列出了在本模块和 COMSOL Multiphyscis 基本模块中可以调用的接 口.通过这些接口可以模拟化学物质传递、流体流动、传热和固体力学,为了 便于理解,后续章节中会有详细描述.请参考物理场接口空间维度和研究类型 列表. 图1:地下水流模块三维建模时可选的物理场接口列表 本模块处理一维、二维、三维几何模型以及一维、二维轴对称模型的瞬态、稳 态分析问题.预定义物理场主要包含四大类:化学物质传递 ( ),流体 流动 ( ),传热 ( ),以及结构力学 ( ),在后面章节会有详细论述. |

7 化学反应和质量传递 稀物质传递接口 ( ) 用来描述对流 (与流体流动耦合) 、扩散和反应中的化 学物质传递,其中在这种混合物中溶剂占绝大部分. 多孔介质稀物质传递接口 ( ) 用来描述饱和与部分饱和多孔介质中的稀物质 传递.它用来表征单个物质或相互作用的多组分在流、固、气系统中的物质传 递和变化速率.其中的方程包含预定义的选项来描述对流、吸附、分散、扩散 和反应.对流速度既可以耦合其他接口中得到的速度,也可以指定一个预定义 的速度大小. 裂隙中的稀物质传递接口 ( ) 用于模拟溶质物质沿薄多孔裂隙的传输,同时 还分析扩散、分散、对流以及各种化学反应.裂隙由二维和三维中的边界定 义,并且假定溶质物质存在于溶剂中.沿裂隙求解的质量输运方程是对流 - 扩散-反应方程的切向微分形式. 单相流体流动 一般多孔介质流动中对应的雷诺数很小.雷诺数 (Re)可表示为流体粘度与 惯性力之间的比值:Re=?UL/?,其中 ? 表示流体密度, U 表示特征速度, L 表示特征长度尺寸,? 表示动态粘度. 层流接口 ( ) 一般描述雷诺数低于

1000 的流体流动,不包含湍流,主要用来 求解不可压缩或马赫数 (Ma)小于 0.3 的弱可压缩流体 Navier-Stokes 方程, 其中马赫数 (Ma)可表示为:Ma=U/c,c 表示流体中的声速大小. 当雷诺数远小于

1 时,蠕动流接口 ( ) 可以近似地代替 Navier-Stokes 方程. 这种情况同样适用于粘滞力占优势的流动,也可以称为 Stokes 流动. 值得注意的是,模型中的材料属性,如密度和粘度,均可表示为其他参数的函 数,如物质浓度,压力,温度等.软件提供的材料库 (需要材料库许可证)中 很多内置的材料属性就是温度和压力的函数值. 多孔介质流 达西定律接口 ( ) 用于描述饱和多孔介质流体流动.流体在孔隙中流动时, 由于摩擦阻力作用损失了大部分的机械能,因此流速很慢.达西定律一般用于 描述蓄水层、河堤、储油层以及火山口附近岩浆等流体的渗流流动.您也可以 使用两相达西流接口来描述多相渗流.

8 | 达西定律接口一般用于描述低速流动的流体,其中压力梯度为主要驱动力,孔 隙对流体的摩擦阻力为主要影响因素.典型特点就是流速低、孔隙率和渗透率 非常小. 裂隙流接口 ( ) 相当于达西定律的修正形式,一般用于描述流体沿多孔 (固体)介质内部裂隙中流动的情况. 理查兹方程接口 ( ) 用于描述变饱和多孔介质流体流动.在变饱和流体中, 流动属性随流体在多孔介质中的填充或排出发生变化.理查兹方程形式上与描 述饱和流动的达西定律类似,但前者具有强非线性.这里的非线性主要是流体 从非饱和向饱和状态变化时会引起材料和流动属性的变化.软件内置了一些描 述变饱和流动属性的本构模型,包括 van Genuchten 解析公式和 Brooks-Corey 解析公式.在达西定律和理查兹方程中默认求解的因变量均为压力,另外也提 供求解压力头和水头的接口. 两相达西定律接口 ( ) 用于模拟流经多孔介质空隙的流体流动.其中求解达 西定律来得到总压以及一种流体相流体含量的传递.该物理场接口可用于对低 速流动或多孔介质的渗透率和孔隙率都非常小的情况建模,这时,压力梯度是 主要驱动力,流动主要受孔隙内摩擦阻力的影响. Brinkman 方程接口 ( ) 用于描述快速流动的多孔介质流,这种流动可以是马 赫数小于 0.3 的可压缩流,也可以用它来模拟不可压缩流动,简化要求解的方 程形式.当雷诺数远小于