模拟低渗镜头多孔介质中的多相流

2018年12月13日

地下水是灌溉和饮用水的重要来源,因此保持纯净至关重要。但是,一旦污染物进入,将它们取出并不是那么容易 - 创建从地下水中去除污染物的系统需要了解复杂的不混溶液在土壤中移动。为了深入了解这种行为,工程师可以使用COMSOL®软件中的相运输功能。

预测地面上的流体运输

在广泛的行业中,流体,尤其是不混溶的液体在地面上移动的方式很重要。从历史上看,研究人员已经调查了这种运输,以改善油的提取和恢复方法。如今,研究人员更加重视不混溶的流体如何对环境产生负面影响。例如,废物管理和环境保护等行业的工程师正在设计系统,可以更好地预防,检测和清理土壤中的污染物。如果没有选中,污染物可以进入地下水并影响农作物的质量。

地下水和土壤的插图
地下水的插图。

然而,由于涉及的过程的复杂性和非水相液体(NAPL)的性质,理解流体流是一个挑战。油和其他NAPL污染物的密度通常与水的密度不同,即使在混合时,它们也会分开流动(多相流)。napls也可能被困在渗透性低的土壤区域,例如淤泥和粘土,使它们更难检测和去除。另外,不混溶的流体如何流经土壤(和任何低渗透性区域)取决于土壤饱和度。

为了更好地了解流体通过土壤的流动,工程师可以转向数值模拟。例如,让我们看一个模型,该模型模拟了包括低渗透镜头的多孔介质的多相流。

在多孔介质中模拟多相流

该模型由一个圆形域组成,该圆形域代表中间具有低渗透镜头的多孔介质。请注意,通过利用轴向对称性,您只需要对2D横截面进行建模,这有助于降低模拟的计算成本。首先,比NAPL轻的液体(例如水)填充了整个域。一旦模拟开始,顶部的一个小孔就可以以恒定且均匀的质量通量100分钟进入域中较重的NAPL流体。

虽然我们在这里没有进入所有建模细节,但您可以找到液体和土壤的特性低渗透镜头教程上的两相流。请注意,如果您拥有COMSOL访问帐户和有效的软件许可证,也可以下载相关的MPH文件。

为了轻松模拟两相流,您可以使用两个相位传输功能CFD模块地下流量模块从ComsolMultiphysics®软件的5.4版开始。使用多孔介质中的相运输界面,您可以分析土壤中的不混溶流体如何流动,这使您能够确定饱和度,解释在接口处发生的微观现象,并包括重力的影响。您还可以将此接口的功能与达西定律通过多孔介质中的多相流多物理耦合。这样做可以更轻松地模拟多孔介质中多相流体的流量和运输。

虽然在此示例中未使用,但第三阶段运输功能,但相运输界面,也可用。该界面有助于模拟自由流动中的多相流体,而无需跟踪它们之间的接口,从而使其比其他方法少。

在ComsolMultiphysics®中具有低渗透镜头的多孔介质中多相流的模拟。
模拟显示围绕低渗透镜的两相流。

起初,预计重阶段将在低渗透率区域周围流动,但不会渗入。原因是镜头的入口毛细管压力高于周围土壤的压力,这意味着较密集的毛细管,无染色的流体只有当其饱和度达到临界值时才能进入该镜头。为了建模此过程,您可以使用多孔培养基不连续边界条件,允许在土壤末端界面处于不连续性,并有助于确定临界饱和度。

可视化结果

运行模拟后,您可以看到重阶段的流量如预期。仅当其周围的土壤达到临界饱和度时,液体并没有立即渗入镜头,而是进入大约12分钟的临界饱和度。到一个小时左右的时间,重阶段到达镜头的底部。

如本示例所示,工程师可以使用COMSOL多物理学中的相传输功能分析单相传输介质的单相和多相流体的传输。有了更好地了解所涉及的物理过程,他们可以设计系统,从而更有效地消除地下水污染,从地下恢复石油等等。

下一步

要尝试通过低渗透镜头教程的两相流,请单击以下按钮进入应用程序库。在那里,您可以检查此示例的文档并下载MPH文件。

进一步的资源


评论(3)

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Zhang
Zhang
2019年1月10日

嗨,布里奇特:

感谢您分享我们这个有趣的话题。当在非常低的渗透介质中对两个相流进行建模时,我遇到了一种虚假压力振荡的现象(导致严重的收敛问题)。一些文献报道说,这可能是由于标准有限元方法无法在元素级别符合本地质量对话的事实,并且他们建议有限体积方法模拟流体流量。因此,我想知道是否可以在Comsol的框架中处理这个问题。

非常感谢您的时间和帮助。

YU

布里奇特·保罗斯(Bridget Paulus)
布里奇特·保罗斯(Bridget Paulus)
2019年1月11日

嗨,你,

谢谢你的评论!

我建议查看此博客文章,该文章将有限元方法与CFD模拟的有限卷方法进行比较://www.dvdachetez.com/blogs/fem-vs-fvm/

有关与您的建模有关的问题,请联系我们的支持团队。

在线支持中心://www.dvdachetez.com/support
电子邮件:support@comsol.com

Enze MA
Enze MA
2019年4月14日

你好布里奇特:
感谢您在多孔媒体中对两相流的有趣建模。我对Comsol多孔介质中的多相流模块有一些疑问。Multiphase flow in porous media is a “Phase transport in porous media” coupled with a “Darcy’s law”, I’d like to know that the pressure of “Darcy’s law” is the pressure of the wetting phase fluid (Phase s1) or some other pressure. Second, for the “phase transport in porous media”, if we use the “mass flux” boundary, we can only choose “Phase s2” (non-wetting). How can I do if I want to inject “Phase s1” fluid in the porous media?
非常感谢
Enze

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