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《中国地质大学(北京)》 2006年
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地下水系统中多相流体数值模拟

崔学慧  
【摘要】:地下储油罐和加油站轻质非水相流体(LNAPL,例如汽油、柴油)的泄漏和溢出对地下水系统造成很大威胁。这是一个水-油-气三相流动、多物理量耦合的非线性物理化学过程。针对这类污染问题,分析和模拟其动力学过程,预测其污染范围和浓度分布是必要的工作,为污染的治理和风险评价提供依据。 本文系统总结了水—油—气三相流体的动力学机制、压力—饱和度—相对渗透系数之间本构关系的最新成果。借鉴油层物理、油藏数值模拟和地下水数值模拟的相关理论,在等温和其它假设条件下,应用质量守恒定律和连续介质力学方法,建立了水—油—气三相流数学模型,使得数学模型的构造过程更加完整、清晰。再将控制方程用压力水头表示。然后,应用J.C.Parker等的研究成果,将饱和度用压力水头表示,将流动方程统一到压力水头上来。 在数值计算方法上,本文从广义Galerkin变分原理出发,得到多孔介质中多相流方程的广义变分形式,进而应用广义差分法求解上述的水—油—气三相流流动方程和浓度方程,得到半离散和全离散广义差分格式。 由于得到的全离散广义差分格式是隐式非线性常微分方程组,必然要求进行线性化。从基本的Newton-Raphson方法出发,引入阻尼参数Newton下降法求解非线性常微分方程组,有效地避免了经典Newton方法中的Jacobi矩阵奇异或病态时,迭代无法继续进行的缺点,并将局部收敛推广到全局收敛。最后,应用Krylov子空间投影方法求解得到稀疏线性方程组。 为验证数学模型和计算方法的有效性,应用上述方法和过程对一个实例进行数值模拟,得到了多孔介质中泄漏的轻质油的基本渗流规律:在泄漏事故发生后,泄露的油在重力的作用下垂直下渗。同时,渗漏的油沿着地表横向扩展。少量的泄漏油基本全部截留在毛细带以上的多孔介质中,且横向扩展范围不大。这时,虽然只有少量的油进入了毛细带,但在毛细作用下,污染组分沿毛细带上缘横向扩散,对毛细带造成污染,毛细带截留大多数的污染组分,毛细带是石油类污染物的主要富集区。当有大量的油泄漏时,除被毛细带上部的多孔介质截留少量的油以外,泄漏的油将克服油-水界面的进气压力,进入毛细带,同时油沿毛细带上缘横向扩散。最后穿过非饱和带,漂浮在地下水面上。如果存在水力坡度,漂浮的油也随地下水的流动而流动,污染面积逐步扩大,形成一个拉长的透镜体。本文侧重数值计算方法的工作,丰富了发展方程的数值计算方法,促进多相流数学理论研究。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:X523

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【引证文献】
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2 李永涛;LNAPLs在包气带中运移机理及模拟研究[D];长安大学;2010年
【参考文献】
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【共引文献】
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8 刘华林;熊伟;高树生;;矩形五点井网稳定注采压力系统的建立[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
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10 邵九姑;许友生;;Forchheimer型非达西渗流系统的数值模拟[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
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10 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
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1 刘炎昊;高煤级煤储层条件下的气体运移机理[D];河南理工大学;2010年
2 桑培淼;注水强化松软煤壁稳定性的规律及工艺参数研究[D];河南理工大学;2010年
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4 余波;惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
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7 吕小凡;渑池县段村—雷沟铝土矿开采对矿区地下水影响模拟与评价研究[D];郑州大学;2010年
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10 李翔;1.5级涡轮非定常流动研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 郝中军;扈晓翔;;基于拉丁超立方抽样的导弹快速精度分析与误差补偿方法[J];兵工自动化;2009年06期
2 王洪涛,周抚生,宫辉力;数值模拟在评价含油污水对地下水污染中的应用[J];北京大学学报(自然科学版);2000年06期
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5 于晗;钟志勇;黄杰波;张建华;;采用拉丁超立方采样的电力系统概率潮流计算方法[J];电力系统自动化;2009年21期
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1 薛强;石油污染物在地下环境系统中运移的多相流模型研究[D];辽宁工程技术大学;2004年
2 张文静;佳木斯地区地下水、土中硝基苯迁移转化机理及其模拟预测[D];吉林大学;2007年
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1 史红星;石油类污染物在黄土高原地区环境中迁移转化规律的研究[D];西安建筑科技大学;2001年
2 王锐;非水相流体在土壤中运移规律研究[D];西北农林科技大学;2004年
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4 邢巍巍;LNAPLs在土体中的运移特性研究[D];清华大学;2005年
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7 刘洁雪;基于响应面法的集装箱船优化设计研究[D];天津大学;2008年
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【二级引证文献】
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1 李志伟;咸水层CO_2地质封存的长期稳定性分析及控制[D];北京交通大学;2012年
【二级参考文献】
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4 张亮;马振民;于玮玮;李玲玲;;某炼油厂地下水系统石油烃污染机制[J];济南大学学报(自然科学版);2009年03期
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5 郭永海;王驹;刘淑芬;苏锐;吕川河;;应用同位素方法识别高放废物处置库预选场址地下水的形成[A];2005年全国无机质谱、同位素质谱和质谱仪器学术报告会论文集[C];2005年
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8 张发旺;;淄博盆地岩溶地下水系统的分析[A];中国地质科学院水文地质工程地质研究所文集(5)[C];1989年
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1 本版编辑 唐克旺 中国水利水电科学研究院水资源所 教授级高级工程师 陈家军 本报记者 汪栋;科学评估地下水系统的模拟技术[N];中国水利报;2006年
2 张晓松;全国一半地区浅层地下水遭污染[N];新华每日电讯;2006年
3 本报记者 武永清永清 李佳丽 佳丽 张洪才;救救龙城地下水[N];太原日报;2007年
4 孙宇浩段金平;北京:水资源也要战略储备[N];中国矿业报;2008年
5 本报记者 赵京燕;爬到顶峰的人[N];中国矿业报;2005年
6 霍再林 冯绍元 中国农业大学水利与土木工程学院;地下水管理中的人工智能技术[N];中国水利报;2006年
7 记者  牟明善;开采济西地下水不影响泉喷[N];济南日报;2006年
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2 魏连伟;基于人工智能技术的地下水系统参数识别研究[D];天津大学;2004年
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4 陈宗宇;从华北平原地下水系统中古环境信息研究地下水资源演化[D];吉林大学;2001年
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6 郭龙珠;三江平原地下水动态变化规律与仿真问题研究[D];东北农业大学;2005年
7 桂祥友;厚风积砂覆盖区水资源预测与优化管理研究[D];辽宁工程技术大学;2005年
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3 冯美生;废弃煤矿对地下水污染研究[D];辽宁工程技术大学;2007年
4 李颖智;安徽省霍邱县李楼铁矿矿坑涌水量预测研究[D];石家庄经济学院;2008年
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7 宋辉;沂源县城区地下水系统污染机理初步研究[D];中国海洋大学;2004年
8 张学润;渗流带中油类污染物的迁移转化模型及其数值模拟[D];吉林大学;2007年
9 李艳;两类发展方程的特征混合元法和广义差分法[D];山东师范大学;2002年
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