中級地球科學溶質運移.ppt

COMSOL Multiphysics“地球科學模塊” 中級培訓 溶質運移,溶質運移,“Saturated Porous Media”模式 “Variable Saturated Porous Media”模式,“Saturated Porous Media”模式偏微分方程 “Variable Saturated Porous Media”模式偏微分方程 應用模式屬性（Application Mode Properties） 求解域控制方程設定（Subdomain Settings） 邊界條件設定（Boundary Settings） 點、邊設定（Point and Edge Settings）,內容,對流 吸附和阻滯 水里擴散 反應 保守和非保守公式,c = solute concentration cP = adsorbed concentration qs = fluid volume fraction u = fluid velocity rb = bulk density DL = dispersion tensor RL = aqueous reactions RP = solid reactions Sc = solute source,Fluid and Solid rxns,水動力彌散,對流,吸附,“Saturated Porous Media”模式,Advection 水平對流,溶質隨著運動著的流體移動的過程稱為對流。,追蹤溶質粒子的位置是通過平均線性流速 the vector of average linear fluid velocities,s代表流體體積含水率，對于自由流體其值為1，對于多孔介質，為孔隙率，值在0.1-0.5之間。,對于溶質輸送應用模式，用戶提供的是通過多孔介質單位面積的流體速度，比如特定的或者達西定律計算出的流網的流速。而不是孔隙內流體的流速ua,Sorption and Retardation 吸附、解吸以及阻滯,cP adsorbed concentration,應用模式提供三種預定義的計算方式,滯留因子RF 表征污染物在遷移過程中相對于水流被滯后的程度,Hydrodynamic Dispersion 水動力彌散,機械彌散與分子擴散共同作用的結果，形成了水動力彌散。,反應 Reactions,環(huán)境中的化學反應會影響溶質運移，比如生物降解、放射性衰退、變質、發(fā)熱、吸熱反應等。用戶可以指定偏微分方程等式右端的反應項。,通常的反應包括：,保守和非保守形式,在地球科學溶質運移應用模式有保守和非保守形式的控制方程可以選用,保守形式的控制方程適用可壓縮流體，流體的密度在空間是變化的,非保守形式的控制方程適用不可壓縮流體，不可壓縮流體對流項速度的散度是0,“Variable Saturated Porous Media”模式,c = aqueous concentration cP = adsorbed concentration cG = gas concentration qs = fluid volume fraction rb = bulk density av = gas volume u = fluid velocity,Fluid, Solid, and Gas rxns,DL = liquid dispersion tensor DG = gas dispersion tensor RL = aqueous reactions RP = solid reactions RG = gas reactions Sc = solute source,對流、吸附和阻滯 同飽和溶質運移應用模式,水動力彌散 在前述基礎上補充了流體-氣體彌散張量,2D system,反應 增加了氣相,保守非保守形式,應用模式屬性（Application Mode Properties）,求解域控制方程設定,邊界條件設定（Boundary Settings）,點、邊設定（Point and Edge Settings）,Example：Variably Saturated Flow and Transport,算例描述：如右圖所示，帶有化學品的圓環(huán)內的水向下方的土柱中移動，當流動穿過非飽和的土柱的時候，化學物黏附在土體顆粒上，減緩了溶質相對于水的輸送。另外，化學品濃度在水體和土體中發(fā)生生物降解而衰退。通過模擬追蹤溶質的運移過程。是一個2D軸對稱模型。,控制方程,Fluid Flow,van Genuchten formulas,地下水流動和溶質運移通過流體流速耦合在一起,Solute Transport,為了求解更方便，展開上式左項,建模步驟：,PhysicsConstants,Physics the Scalar Variables,定義幾何模型,DrawSpecify ObjectsRectangle,DrawSpecify ObjectsRectangle,DrawSpecify ObjectsLine,r - 0 0.25, z - 0 0.,求解域控制方程、邊界條件設定,Multiphysics - Richards Equation (esvr).,van Genuchten,邊界條件Richards Equation,Multiphysics - Solute Transport (esst).,邊界條件Solute Transport,網格剖分,求解設定,-0.1 0 logspace(-3,-1,21) 0.1:0.1:1 1:1:5,結果查看,Estimates of effective saturation (surface plot), pressure head (contours), and velocity (arrows) in variably saturated soil