孔隙尺度下反应性溶质运移和矿物溶解过程的水平集界面追踪模拟

• 作者: 李晓义 黄海
• 来源期刊: 南京大学学报（自然科学版）
• 学科: 地球科学
• 关键词: 水平集 溶解 裂隙 多孔介质 渗透率-孔隙度关系
• 年，卷（期）: 2011,（3）
• 所属期刊栏目: 庆贺薛禹群院士八十华诞暨地下水模拟专栏
• 页码范围: 235-251
• 分类号: P641
• 语种: 中文

摘要

我们开发了一种水平集模拟方法用来模拟反应性溶质在裂隙和多孔介质中的运移,以及由于矿物溶解引起的裂隙和孔隙的空间几何形状的变化过程.该方法同时处理(考虑)了流体流动,发应性溶质运移以及固液相界面溶解的耦合.水平集方法用来追踪由于化学反应导致的固液界面的演化.该文中,对于耦合作用的模拟是在不同水流条件和反应速率下围绕几种相对简单的裂隙和多孔介质的几何形状来展开的.我们从模拟的结果中导出了渗透率和孔隙度在各种水流动条件和反应速率下的定量关系,并与传统的本构方程(比如传统的立方关系和Carman-Kozeny关系)进行了比较.比较的结果显示数值解与解析理论关系有很大的区别.模拟结果显示出在裂隙和孔隙中存在相当大的反应溶质浓度梯度,以及由于这些非均匀分布的浓度场导致的同液表面溶解反应的不均匀分布和复杂的裂隙和孔隙形状变化过程.我们的模拟结果支持了基于简化的孔隙几何形状和溶质运移一反应条件下推导出来的传统本构关系在野外大尺度模型应用中有相当大的局限性这一论点,并且进一步证明考虑微观尺度下的物理化学过程的重要性.