COMSOL Multiphysics模拟多孔介质流动

COMSOL Multiphysics多孔介

质流动: 裂隙流

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模型背景

在多孔介质的裂缝中，流体流动得较快，而在周围的多孔介质岩体当

中，流体也会进入微孔，尽管速度非常慢。由于裂缝和岩体之间存在

着流体的传质，所以在裂缝和岩体的界面上压强是连续的。精确模拟

岩体和裂缝中的流动在一些案例中是很有关键的，例如估计井的流

率，描述污染物的迁移，设计污染物清除策略等。

本算例说明了联合求解裂缝和岩体流动的一种高效而精确的方法。模

型建立为一个立方体岩体，它的内部边界为裂缝。Darcy定律是岩体

中速度的控制方程，裂缝中的流动设定与裂缝厚度有关。将裂缝定义

为内部边界是一种高效的方法，因为这样就不需要为狭窄的裂缝体积

来建立面积-厚度比非常高的精细网格。

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模型几何、控制方程及边界条件

流体流动—岩体

流体流动—裂缝

几何体为一块断裂多孔介质立方体，边长1m。裂缝对流体的透过性远好于岩体，而厚度为0.0001m，

也比岩体的尺度小得多。除了裂缝的边界之外，立方体的其它边界都是不可穿透的。流体在岩体内

从左至右流动，从下表面进入裂缝，从上表面流出。初始时，岩体内的流体并不流动。在模拟过程

中进口边界的压强保持不变，出口边界的压强随着时间降低。模拟时间为1000s。结束模拟之后会做

出数据列表。

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模型数据

Variable Units Description Value

θs m3/m3Porosity of matrix blocks0.3

χf s2·m/kg Compressibility of the fluid 4.4·10-10

χs s2·m/kg Compressibility of the fluid10-8

κm m2Permeability of matrix blocks10-11

df m Thickness of the fracture0.0001

Sf s2·m/kg Storage coefficient of the fractureχf

κf m2Permeability of fracture10-7

ηkg/m·s Viscosity0.001

gr m/s2Gravity9.82

ρf kg/m3Fluid density1000

pinlet kg/m·s2Pressure at the fracture inlet10e5

poutlet kg/m·s2Pressure at the fracture outlet p0 −10t

p0kg/m·s2Initial pressure distribution10e5

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分析结果

表现了时间终点

1000s的流体压强等

表面输出结果。在

两块岩体之间穿过

裂缝的压强是连续

的。尽管如此，等

表面的弯曲表明了

裂缝和岩体流场的

不同。箭头表现了

裂缝上的流速。

由于流体没有流出岩体，唯一的流动源就是

裂缝。箭头显示在裂缝进口之外也存在着流

动。岩体中的流动可以补充到裂缝出口。速

度的范围显示岩体中的速度大小比裂缝上的

速度要小几个数量级。

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