孔隙尺度多孔介質流體流動與溶質運移高性能模擬

作者：周鴻翔,鄭延豐,吳勞生,陳鋮,曾令藻

摘要：深入探究孔隙尺度下的流體流動特性和溶質運移規律對石油開采、農田養分管理、地下水污染修復有著重要意義。以人工構建的多孔介質結構和同步輻射X射線顯微CT掃描的土壤團聚體(分辨率3.7μm)為研究對象,在空間節點數多達64 000 000的情況下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技術計算得到多孔介質流體運動和溶質運移過程的關鍵參數,并據此探究多孔介質空間異質性對水力學特性的影響。通過對3組不同結構的多孔介質比較發現,結構復雜程度最高的土壤樣品和不規則堆疊的圓球結構的滲透率在100 mD(即10^-13m^2)量級,遠低于規則堆疊的圓球結構(>20 000 mD);土壤的迂曲度為1.40~1.60,明顯高于規則堆疊的圓球結構。研究結果表明,滲透率大的樣品具有較小的迂曲度,這與結構的空間異質性有較強的關系;土壤的滲透率和迂曲度呈現各向異性;在水力梯度一定的前提下,滲透率較大的樣品,縱向彌散系數也較大;同時,結構的異質性也會影響溶質的穿透曲線。本研究提出的模擬方法可在土壤結構中進行高效的水流運動和溶質運移模擬,可用于土壤多孔介質在孔隙尺度下的水力學特性研究。

發文機構：中國計量大學計量測試工程學院 Department of Mining and Minerals Engineering 浙江大學環境與資源學院 浙江大學建筑工程學院 Department of Environmental Sciences

關鍵詞：孔隙尺度格子Boltzmann法流體流動溶質運移pore-scale modelingLattice Boltzmann Methodfluid flowsolute transport

分類號： TV139.1[水利工程—水力學及河流動力學]