Модуль течения в грунтах

Анализируйте геофизические процессы, сопряженные с подземными течениями, с помощью модуля Течения в грунтах

В настоящее время строятся хранилища ядерных отходов, предназначенные для хранения отработанных тепловыделяющих стержней в течение примерно ста тысяч лет. Эта модель отражает гипотетический случай, когда частичное разрушение контейнера с пучком тепловыделяющих стержней приведет к утечке через трещину в окружающие горные породы и в грунт засыпанного расположенного выше туннеля.

Модуль Течения в грунтах предназначен для инженеров и ученых, которым необходимо моделировать течение жидкостей под землей или в других пористых средах и исследовать их совместно с другими явлениями, такими как пороупругость, теплопередача, химические реакции и электромагнитные поля. Его можно использовать для моделирования потоков грунтовых вод, распространения отходов и загрязняющих веществ в грунте, течения нефти и газа к скважине, а также просадки грунта из-за откачки грунтовых вод. Модуль Течения в грунтах позволяет моделировать течение подземных вод в каналах, насыщенных и переменно насыщенных пористых средах или трещинах, и комбинировать эти модели с моделями переноса растворенных веществ и теплопередачи, геохимических реакций и пороупругости. Задачи геофизики и гидрологии приходится решать во многих отраслях промышленности. Инженерам, работающим в строительстве, горной и нефтяной промышленности, сельском хозяйстве, химической и атомной промышленности, а также по охране окружающей среды, часто требуется учитывать указанные явления, поскольку отрасли, в которых они работают, прямо или косвенно (через окружающую среду) влияют на Землю, на которой мы живем.

В модуле Течения в грунтах имеется ряд специально разработанных интерфейсов, описывающих определенные физические процессы для моделирования потока и других явлений в подземных средах. Они называются физическими интерфейсами. Их можно комбинировать и напрямую объединять с другими физическими интерфейсами в модуле Течения в грунтах или с физическими интерфейсами других модулей семейства продуктов COMSOL. Сюда входит комбинирование пороупругого поведения, описываемого модулем Течения в грунтах, с приложениями в области нелинейной механики твердого тела для грунта и скальных пород в модуле Геомеханика.

Среда COMSOL предоставляет возможность ввода любых уравнений в поля редактирования физических интерфейсов модуля Течения в грунтах, ее можно использовать для определения скоростей и кинетики геохимических реакций в интерфейсах для переноса материалов. Кроме того, интеграция этих физических интерфейсов с модулем Химические реакции означает возможность моделирования многих реакций с участием нескольких веществ с помощью простых в использовании физических интерфейсов для задания химических реакций из этого модуля. Интеграция этих двух продуктов позволяет получить очень важные результаты при моделировании многочисленных этапов реакций, протекающих при распространении ядерных отходов из хранилищ в течение тысяч лет.

В модуле Течения в грунтах имеется несколько физических интерфейсов для моделирования течений в пористых средах и зависящих от них процессов:

Главной функциональной характеристикой модуля Течения в грунтах является возможность моделировать течения в пористых средах с переменным и полным насыщением. Физические интерфейсы настраиваются с использованием таких параметров, как давление и гидравлический напор, хорошо знакомых инженерам, которые моделируют гидрологию. В потоках с переменным насыщением гидравлические свойства изменяются при прохождении сквозь среду, заполнении одних пор и осушении других пор. Для моделирования потоков этого типа используется уравнение Ричардса, а для учета задержки жидкости в порах можно использовать формулы Ван Генухтена и Брукса-Кори. Имеются редактируемые поля для моделей плотности, динамической вязкости, насыщенной и остаточной жидкой фракции, гидравлической проводимости и удержания.

Течение в насыщенной пористой среде можно моделировать, используя закон Дарси или модель Дарси-Бринкмана в зависимости от конкретного размера пор. Если при данном размере пор влиянием вязкости на течение жидкости можно игнорировать, можно применять закон Дарси, и поток описывается исключительно переменной давления. Если размер поры достаточно велик, чтобы жидкость могла передавать изменения момента путем воздействия сдвига, то следует применять уравнения Бринкмана. Они позволяют находить те же переменные, что и уравнения Навье-Стокса, однако они включают в себя члены, учитывающие пористость среды, через которую протекает жидкость.

Интерфейс Fracture Flow (Поток в трещине) также позволяет рассчитывать давление на внутренних (двумерных) границах в трехмерной матрице, он автоматически связывается с физическим описанием течения в пористой среде окружающей матрицы. Такая аппроксимация позволяет отказаться от построения ячеек сетки в трещинах и сэкономить вычислительные ресурсы. Если жидкость перетекает из одной среды в другую (и обратно) в одной и той же модели, то все физические описания пористых сред автоматически связываются с описаниями свободного течения в модуле Течения в грунтах.

Каналы или большие соединяющиеся поры находятся под землей, они лучше моделируются с помощью уравнений течения жидкости. Этот подход также используется для скважин и подобных приложений при добыче нефти и т.п. Модуль Течения в грунтах поддерживает два типа течения в свободных каналах: ламинарное и течение очень вязкой жидкости. Интерфейс "Ламинарный поток" решает уравнения Навье-Стокса, а интерфейс "Поток вязкой жидкости" - их модифицированную версию, в которое пренебрегается учет инерции. Поток вязкой жидкости, также называемый потоком Стокса, используется для описания потоков с очень малыми числами Рейнольдса.

Перенос материалов может сочетаться с течением в пористых средах из-за действия конвекции и диффузии. Такие свойства как диффузия, могут описываться уравнениями, зависящими от таких переменных, как концентрация, либо их можно сделать анизотропными.

Интерфейс "Перенос растворенных веществ" добавляет в качестве механизма переноса рассеивание, а также замедление, происходящее вследствие поглощения. Рассеивание учитывает тот факт, что перенос растворенных веществ часто происходит в направлении потока; для его учета можно использовать тензор рассеивания. Поглощение описывает процесс абсорбции и последующей десорбции химических веществ на частицах в пористой среде, причем эти процессы протекают с различными скоростями. Его влияние на перенос материалов описывается имеющейся в интерфейсе изотермой Ленгмюра или изотермой Фрейндлиха, либо вашим выражением. Поглощение также влияет на замедление потока, что учитывается коэффициентом замедления. Для ненасыщенного потока предусмотрен также коэффициент потерь на испарение, или испарение химических веществ из раствора в неподвижную газовую фазу. Кроме того, пользователь может вводить собственные выражения для описания любых реакций, происходящих при переносе материалов. Интерфейс "Перенос растворенных веществ" можно связать с любым подходящим физическим интерфейсом в модуле Вычислительная гидродинамика, если требуется моделировать двухфазный поток с переносом растворенных веществ.

Теплопередача осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и рассеивания, при этом необходимо учитывать различие теплопроводности твердой и жидкой фаз. Во многих случаях твердая фаза может состоять из различных материалов с разной теплопроводностью, возможно также присутствие различных жидкостей. Для расчета эффективных характеристик теплопередачи в интерфейсе "Теплопередача в пористой среде" предусмотрены правила смешивания. Кроме того, в нем имеются выражения для рассеяния тепла, связанного с характером пористой среды, а также учитывается фоновый геотермальный нагрев. Рассеивание тепла обусловлено извилистостью пути перемещения жидкости в пористой среде, при учете только среднего конвекционного члена это обстоятельство не учитывалось бы.

Очень мощный физический интерфейс для работы с пороупругостью позволяет моделировать уплотнение и осадку. Интерфейс "Пороупругость" сочетает в себе переходную формулировку закона Дарси и линейную механику упругого твердого тела для матрицы пористой среды. Пороупругость означает, что течение жидкости влияет на сжимаемость пористой среды, а изменения объемной деформации, в свою очередь, влияют на момент, материал и теплопередачу. В этом интерфейсе имеется выражение для тензора напряжений как функции тензора деформаций и коэффициента Био-Уиллиса.