地下水流熱質(zhì)（或污染物示蹤劑）遷移數(shù)值方法

地下水流-熱-質(zhì)遷移

數(shù)值方法

提綱1.地下水流動(dòng)基本方程連續(xù)性假設(shè)及滲流理論達(dá)西定律基本方程2.含水層中溶質(zhì)（示蹤劑、污染物）遷移方程溶質(zhì)對(duì)流彌散機(jī)理Fick定律基本方程3.含水層中地?zé)徇w移規(guī)律控制方程熱對(duì)流擴(kuò)散機(jī)理Fourier定律基本方程2可混溶流體兩種或兩種以上的流體在同一儲(chǔ)集空間中不存在明顯的突變界面，見(jiàn)下圖。如濱海含水層中海水入侵地下淡水。（示蹤劑）不可混溶流體多種（兩種或兩種以上）的流體在同一儲(chǔ)集空間中存在著明顯的突變界面，見(jiàn)下圖。如油、氣、水或其它有機(jī)物流體。（多相流體）二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法3可混溶流體石油污染物在含水層中運(yùn)移不可混溶流體不同性質(zhì)溶體之間無(wú)明顯的突變界不同性質(zhì)溶體之間有明顯的突變界油水污染物水二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法4對(duì)流作用-由于孔隙平均速度引起引起的溶質(zhì)遷移。彌散作用-由于濃度梯度作用引起的溶質(zhì)遷移。包括分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散作用。1、可混溶流體遷移機(jī)理二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法5水動(dòng)力彌散分子擴(kuò)散機(jī)械彌散由濃度高的方向向濃度底的方向運(yùn)動(dòng)，趨于均一由于微觀多孔介質(zhì)中流速分布的不均一而引起的示蹤劑（水質(zhì)點(diǎn)）濃度在地下水含水層中不均勻分布的現(xiàn)象。1、水動(dòng)力彌散理論兩部分二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法61、水動(dòng)力彌散理論：機(jī)械彌散原因同一空隙中不同部位的流速分布不均勻不同空隙的流速大小不同固體骨架導(dǎo)致流速分布的不均勻（1）（2）（3）地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的差異是產(chǎn)生水動(dòng)力彌散的根本原因二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法7平行于平均流速方向上的彌散垂直于平均流速方向上的彌散縱向彌散橫向彌散Fick定律1、水動(dòng)力彌散理論：機(jī)械彌散原因描述溶質(zhì)彌散規(guī)律Fick定律二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法82、Fick定律對(duì)于上有溶質(zhì)、溶劑兩種組分構(gòu)成的二元體系，α組分在等溫條件（忽略熱擴(kuò)散）相對(duì)于質(zhì)量平均速度的擴(kuò)散通量對(duì)于低濃度溶液，濃度C的改變并不明顯地影響密度。為彌散系數(shù)，C為質(zhì)量濃度，定義為單位體積溶液所含α組組分物質(zhì)的質(zhì)量。二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法9

單位時(shí)間由于濃度梯度引起的溶質(zhì)通過(guò)單位斷面的質(zhì)量與斷面處的濃度梯度成正比，比例系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)或彌散系數(shù)。質(zhì)量守恒原理:在時(shí)間△t內(nèi)，組分α在這個(gè)單元體中的凈流入（或流出）量以及均衡區(qū)內(nèi)部的質(zhì)量產(chǎn)生和消失的質(zhì)量，應(yīng)等于這個(gè)單元中α組分濃度變化所需的質(zhì)量二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法5、Fick定律和質(zhì)量守恒原理10二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法

6、差分方程考慮三維空間某節(jié)點(diǎn)i，j，k為中心的均衡區(qū)在時(shí)期內(nèi)的質(zhì)量守恒。均衡區(qū)為由連接節(jié)點(diǎn)i，j，k的六條線段的垂直平分面圍成的區(qū)域。顯式差分格式11二、溶質(zhì)（污染物）運(yùn)移理論方法

6、差分方程考慮三維空間某節(jié)點(diǎn)i，j，k為中心的均衡區(qū)在時(shí)期內(nèi)的質(zhì)量守恒。均衡區(qū)為由連接節(jié)點(diǎn)i，j，k的六條線段的垂直平分面圍成的區(qū)域。隱式差分格式12

地下熱水既是水資源又是能源，開(kāi)發(fā)利用地下熱水資源具有重要的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，因此，科學(xué)合理地評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源具有十分重要的實(shí)際意義。地源熱泵制熱模式

三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法131、我國(guó)地?zé)豳Y源現(xiàn)狀地?zé)豳Y源豐富地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用取得了明顯成效淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用發(fā)展迅速三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法14地源熱泵制熱模式2、熱運(yùn)移的機(jī)理

Fourier（傅立葉）定律是傳熱學(xué)中的一個(gè)基本定律，它的文字表述是：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。（1）Fourier定律（2）能量守恒原理（3）兩個(gè)參數(shù)：熱傳到系數(shù)和比熱三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法153、Fourier定律其中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m*k)，T為溫度，單位為K，x為在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，單位為m，q是沿x方向傳遞的熱流密度（嚴(yán)格地說(shuō)熱流密度是矢量，所以q應(yīng)是熱流密度矢量在x方向的分量），單位為W/m2。物體沿x方向的溫度梯度，即溫度變化率三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法16熱傳導(dǎo)彌散分子擴(kuò)散機(jī)械彌散由溫度高的方向向濃度底的方向運(yùn)動(dòng)，趨于均一由于微觀多孔介質(zhì)中流速分布的不均一而引起的水流溫度在含水層中不均勻分布的現(xiàn)象。4、熱傳導(dǎo)彌散理論兩部分三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法17熱機(jī)械彌散原因（1）同一空隙中不同部位的流速分布不均勻（2）不同空隙的流速大小不同（3）固體骨架導(dǎo)致流速分布的不均勻（1）（2）（3）地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的差異是產(chǎn)生熱傳導(dǎo)彌散的根本原因與水動(dòng)力彌散類似三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法18熱縱向彌散與橫向彌散平行于平均流速方向上的彌散垂直于平均流速方向上的彌散縱向彌散橫向彌散三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法19能量守恒原理:在時(shí)間△t內(nèi)，在這個(gè)單元體中的凈流入（或流出）量+內(nèi)部的熱量產(chǎn)生和消失，應(yīng)等于這個(gè)單元中溫度變化所需的熱量。三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法

5、能量守恒原理

單位時(shí)間由于溫度梯度引起的通過(guò)單位斷面的熱量與斷面處的溫度梯度成正比，比例系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)或水動(dòng)力熱彌散系數(shù)。20三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法

6、差分方程根據(jù)能量守恒原理，可得顯示格式：顯式差分格式考慮三維空間某節(jié)點(diǎn)i，j，k為中心的均衡區(qū)在時(shí)期內(nèi)的質(zhì)量守恒。均衡區(qū)為由連接節(jié)點(diǎn)i，j，k的六條線段的垂直平分面圍成的區(qū)域。21三、熱對(duì)流-擴(kuò)散理論方法

6、差分方程隱式差分格式根據(jù)能量守恒原理，可得顯示格式：考慮三維空間某節(jié)點(diǎn)i，j，k為中心的均衡區(qū)在時(shí)期內(nèi)的質(zhì)量守恒。均衡區(qū)為由連接節(jié)點(diǎn)i，j，k的六條線段的垂直平分面圍成的區(qū)域。22小結(jié)：達(dá)西定律-Fick定律-Fourier定律達(dá)西定律Fick定律Fourier定律區(qū)別聯(lián)系23小結(jié)1.地下水流動(dòng)基本方程連續(xù)性假設(shè)及滲流理論達(dá)西定律基本方程2.含水層中溶質(zhì)（示蹤劑、污染物）遷移方程溶質(zhì)遷移機(jī)理：對(duì)流-彌散Fic