探索地球物理现象，深入分析地下过程

我们的地球是一个巨大而复杂的实验室，由各种各样的多孔结构组成，并受到复杂物理过程的支配。其中许多过程都可以通过我们的“地下水流模块”进行分析，这是 COMSOL Multiphysics® 软件的一款强大的附加产品。

“地下水流模块”具备对多孔材料中的单相流和多相流进行建模的能力，并提供先进的功能来研究地下的热量和质量传递，同时分析其多孔弹性特性。

地下水流对地球物理属性产生广泛影响

在许多行业和应用中，先进的多孔介质建模发挥着重要作用。“地下水流模块”能够帮助农业、土木、环境工程师以及各行各业的科研人员分析地下水流情况，并优化设计和工艺流程。

借助 COMSOL Multiphysics®，您可以模拟多孔介质对水文、岩土工程应用、水库工程和环境工程等领域的传递过程产生的影响。本软件提供了全面的建模功能，能够自动建立和求解与所建模地下多孔介质流动类型相关的方程。

浅水方程

可以使用浅水方程模拟水平长度尺度远大于垂直长度尺度的自由表面下的流动，例如，模拟海啸和洪水的影响。通过对纳维-斯托克斯方程进行深度平均，可以得到浅水方程，其中的因变量包括水深和动量通量。

地下水流模块的特征和功能

“地下水流模块”提供了模拟地下环境中的流动和其他现象的强大功能。

多孔介质中的缓流

达西定律可以描述完全饱和的多孔介质中流体通过间隙的流动。在这种情况下，流体的运动由压力梯度驱动，而流体的剪切应力引起的动量传递可以忽略不计。您可以使用达西定律 接口计算压力，然后根据压力梯度、流体黏度和渗透率来确定速度场。

本例基于 Terzaghi 理论和有效应力的概念对双向耦合流体流动和固体变形的建模进行分析，其中使用达西定律 接口模拟通过多孔介质间隙的流体流动。

多孔介质中的急流

在计算多孔介质中的快速流体流动时，Brinkman 方程是一种常用的数学工具，综合考虑了流体速度动势、压力和重力等因素对流动的驱动作用。通过“Brinkman 方程”接口，可以结合达西定律来计算黏性剪切引起的动能耗散，类似于纳维-斯托克斯方程的功能。此外，通过结合使用 CFD 模块，您还可以将多孔介质中的急流与湍流进行耦合分析，从而获得更全面的研究结果。

用于模拟多孔介质中的对流和传导传热的 Brinkman 方程 接口。

变饱和多孔介质流动

理查兹方程可以描述流体在部分饱和的多孔介质中的流动，阐述了流体在填充某些孔隙并从其他孔隙排出时水力属性的变化。理查兹方程 接口包含 van Genuchten 或 Brooks-Corey 等内置的流体储水模型，您可以根据需要进行选择。与达西定律 接口相似，本接口仅计算压力，而不考虑其他因素。由于水力属性随着饱和度而发生变化，因此这是一个非线性方程。

本例使用理查兹方程 接口比较两个土块中不可渗透特征周围的变饱和流动。

非达西流

达西定律和 Brinkman 对达西定律的修正仅适用于孔隙中的间隙速度足够低、使得蠕动流近似成立的情况。然而，当间隙速度较高时，可以在动量方程中引入额外的非线性校正项。“地下水流模块”提供了多种渗透率模型，可用于模拟多孔介质中的非达西流：Brinkman 方程 接口包含 Forchheimer 和 Ergun 模型，达西定律 和多孔介质多相流 接口包含 Forchheimer、Ergun、Burke-Plummer 和 Klinkenberg 模型。

本例分析开放通道中的流动，其中一个通道壁上附有多孔块。流动由自由区域中的纳维-斯托克斯方程和多孔区域中 Brinkman 方程的 Forchheimer 修正版本进行描述。

多孔介质传热

在多孔介质中，传热过程涉及传导、对流和弥散等多种机制。弥散现象是由液体在多孔介质中的曲折路径引起的，并通过包含平均对流以外的其他效应进行描述。在许多情况下，固相可以由热导率不同的多种材料组成，同时可能涉及多种不同的流体。多孔介质传热 接口能够自动分析这些因素，并提供混合规则来计算有效的传热属性。

此外，孔隙空间中的流体也可以经历一个或多个相变过程，这在模拟冻土等情况下很有意义。您可以使用专门的相变材料 特征，通过指定两种材料和多个相变属性（如相变温度、转变间隔和潜热）来模拟这一过程以及类似的现象。

本例通过将达西定律 与多孔介质传热 接口相耦合，来研究多孔介质中冰夹杂物的融化过程，其中考虑了相变材料属性。

裂隙流

多孔介质中的裂隙会影响通过多孔基体的流动属性。裂隙流 接口能够根据用户定义的孔径来求解三维矩阵内部（二维）边界上的压力问题，计算出的压力会自动与描述周围基体中的多孔介质流动的物理场相耦合。这种近似方法能够在裂隙的网格划分过程中节省时间和计算资源。

裂隙流 接口是达西定律的一种变体，可以定义沿内部边界的流动，这些边界表示多孔或固体介质中的裂隙。该模型演示通过裂缝性储层的地下水流，其中将储层作为离散裂隙网络进行建模，这些裂隙具有随机分布的位置、大小、方向和孔径。

层流和蠕动流

为了在模拟自由介质和多孔介质中的流动过程中实现最大的灵活性，“地下水流模块”提供了专门设计的功能。通过层流 和蠕动流 接口，您可以模拟雷诺数相对较低的瞬态和稳态流动。此外，流体黏度可能取决于流体的局部组成和温度，或与流体流动组合建模的任何其他物理场。

通过多孔结构基本单元的蠕动流。本例将流体流动结果用作宏观多孔介质模型的输入，与颗粒床反应器一样。

多孔介质多相流

相传递功能可以与达西定律 接口相结合，用来模拟具有任意相数的多孔介质多相流。用户可以指定多孔介质的属性，例如相对渗透率和各相之间的毛细压力。同时，通过多物理场耦合，可以实现多孔介质相传递 与达西定律 接口的无缝结合，从而在各相之间传递这些属性。

本例使用多孔介质多相流 多物理场耦合来演示含有低渗透性晶体的多孔介质中的两相流。这种耦合可以更快地模拟多相流在多孔介质中的流动和传递。

多孔弹性

本模块提供了专用的多孔弹性物理场接口，可以对压实和膨胀现象进行建模。通过将达西定律的瞬态公式与多孔基体的线弹性材料模型相结合，可以研究地下水流的影响因素。流体流动会影响多孔介质的可压缩性，而体积应变的变化又会影响质量传递。为了充分利用这些效应，多孔弹性 多物理场接口包含一个应力张量表达式（作为体积应变的函数）和 Biot-Willis 系数。

多孔弹性 多物理场耦合结合了固体力学 和达西定律 以分析多孔弹性变形。这个分支井模型着重分析泵送开始后，流体压力变化引起的弹性变形。

多孔介质和裂隙中的化学物质传递

COMSOL Multiphysics® 仿真软件提供直观易用的功能，用于定义稀溶液或混合物中通过任意数量化学物质的对流、扩散、弥散、吸附和挥发进行的物质传递。将“地下水流模块”与化学反应工程模块耦合，可以轻松地与可逆、不可逆和平衡反应动力学的定义进行相互关联。通过使用“地下水流模块”，您可以将这一功能扩展到多孔介质和裂隙仿真中。

一个模型在 16 km2 的区域内追踪指定地下水流中的溶质，历时三年，其中考虑了纵向和横向分散性。