[發明專利]一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法

有效

• 申請號: 201611146515.8
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN106596335B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 戴云峰;周志芳;韓江波;林錦
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院;河海大學
• 主分類號: G01N11/00
• 分類號: G01N11/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

1.一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法，其特征在于，具體包括：確定污染物種類和溶解性；利用分形理論建立粗糙單裂隙模型；基于有限單元法建立無填充粗糙單裂隙數值模型；針對可溶性污染物利用對流-彌散方程評價污染物在裂隙中的運移過程；針對非水相液體污染物利用水平集法評價污染物在裂隙中的運移過程；

針對非水相液體污染物利用水平集法評價污染物在裂隙中的運移過程包括：改變裂隙平均隙寬和粗糙度，通過水平集法計算非水相液體污染物在無填充二維粗糙單裂隙中兩相界面的運移過程，即在固定的二維粗糙裂隙有限單元網格中使用輔助方程追蹤兩相不混溶液體界面，同時考慮污染物和水兩種流體的密度差、粘滯性差別以及界面張力和重力作用；

針對非水相液體污染物利用水平集法評價污染物在裂隙中的運移過程還包括：調用流體動力學模塊中的水平集法流體運移控制方程，水平集法使用Navier-Stokes方程的非壓縮流體公式計算液體流動；當非水相液體污染物在無填充裂隙中與裂隙面接觸時，污染物和水兩種液體界面存在毛細壓力差：

式中p_c表示毛細壓力，p_nw表示非水相液體中的壓力；p_w表示水相液體中的壓力；σ表示界面張力；θ_w表示兩種液體界面與裂隙面的接觸角；r_f表示裂隙中平均曲率半徑；

當追蹤非水相液體污染物和水在粗糙裂隙中的界面時，水平集法增加了一項輔助函數項：

式中φ為表示界面的輔助水平集函數，φ<0.5說明其代表區域為非水相液體，φ＝0.5說明其代表區域為兩相界面，φ>0.5說明其代表區域為水相液體；γ為重新初始化參數，單位為m/s；ε表示界面厚度；t_i表示時間，單位為s。

2.根據權利要求1所述的一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法，其特征在于，所述利用分形理論建立粗糙單裂隙模型包括利用人造二維裂隙；所述人造二維裂隙的建立由控制裂隙面特性的系統生成，改變粗糙裂隙的平均隙寬，通過增加分形維數生成一系列粗糙度增加的單裂隙模型。

3.根據權利要求1所述的一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法，其特征在于，所述基于有限單元法建立無填充粗糙單裂隙數值模型包括利用有限單元法基于多物理場數值計算平臺COMSOL中的計算流體動力學模塊建立無填充粗糙單裂隙二維數值模型，所述無填充粗糙單裂隙二維數值模型使用三角單元進行剖分。

4.根據權利要求1所述的一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法，其特征在于，針對可溶性污染物利用對流-彌散方程評價污染物在裂隙中的運移過程包括如下步驟：改變裂隙平均隙寬和粗糙度，在建立的無填充粗糙單裂隙數值模型中利用Navier-Stokes水流控制方程模擬無填充二維粗糙單裂隙中水流，再將Navier-Stokes水流控制方程與溶質對流-彌散方程耦合，最終評價平均隙寬和裂隙粗糙度對污染物穿透曲線的影響。

5.根據權利要求1所述的一種評價無填充粗糙單裂隙中污染物運移特性的方法，其特征在于，利用水平集法計算非水相液體污染物運移需要輸入的主要參數包括：非水相液體污染物密度、水的密度、非水相液體污染物動力粘滯系數、水的動力粘滯系數、重力加速度、界面張力系數、以及兩相流體界面與裂隙面的接觸角；同時需設定裂隙中非水相液體污染物分布的初始條件和邊界壓力值，通過記錄裂隙中不同時刻污染物的體積分數，繪制非水相液體污染物運移過程曲線，評價裂隙平均隙寬和粗糙度對非水相液體污染物運移過程的影響。