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高性能孔隙尺度水流运动与溶质运移模拟方法及应用

周鸿翔  
【摘要】:研究孔隙尺度上的土壤水流与溶质运移过程对于了解植物根际养分吸收、微生物活动、地下水污染过程有重要意义。由于在微观尺度上进行实验研究具有较大难度,利用微观CT技术获取较高精度的土壤孔隙结构信息,再基于CT图像进行直接建模已成为孔隙尺度研究的热点方法。在孔隙结构给定的情况下,水流过程的模拟可以通过计算流体力学方法求解Navier-Stokes(N-S)方程实现。传统的数值模拟手段主要通过有限元法、有限体积法、有限差分法等对N-S方程进行离散求解。但是,这些方法在处理多孔介质的复杂边界时常常遇到困难,模拟结果难以收敛。格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种联系宏观与微观,具有动力学背景的介观数值模拟方法,可有效解决在多孔介质复杂边界内模拟的难题。本文基于格子Boltzmann法在同步辐射X射线显微CT获取到的高精度多孔介质结构中进行水流运动和溶质运移的模拟,实现了对真实三维土壤团聚体(分辨率3.7μm,节点数达64,000,000)中水流运动和溶质运移过程的直接模拟,探究了多孔介质空间异质性对土壤水力学特性以及溶质运移特性的影响,并利用发展起来的模型方法量化分析了生物质炭在改良土壤团聚体结构中的水力学效应及对溶质运移的影响。具体工作如下:(1)开发了一套基于LBM和GPU(Graphics Processing Unit)并行技术的孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法。利用基于BGK(Bhatnagar、Gross、Krook)近似的单松弛度模型进行孔隙水流和溶质的模拟。这一方法采用了格子Boltzmann法D3Q19模型分别对N-S方程和对流-扩散方程进行回溯,并基于GPU架构实现水流和溶质运移的并行模拟。(2)我们采用开发的方法首先对人工构建多孔结构中的水流运动和溶质运移过程进行模拟,并在异质性程度不同的孔隙结构内进行测试,得到了渗透率、迂曲度、纵向弥散系数等宏观参数以描述多孔介质的水力学特性。随后,将三维格子Boltzmann法应用于真实土壤样品结构的水流运动和溶质运移模拟中。经过多次GPU并行优化之后,计算效率得到极大提升,实现了更大尺度样品的模拟,为后续进行更深入的研究提供了有力支持。(3)将该方法用于研究生物质炭添加对于土壤团聚体水力学性质的影响。为探明生物质炭用于黏土改良时对土壤饱和水力学特性的影响的微观机理,我们选择红壤和砂姜黑土作为低产土壤的代表,利用杂木炭来进行培育改良。在由同步辐射X射线显微CT获取生物质炭添加前后的团聚体结构图像的基础上,直接进行三维格子Boltzmann法的孔隙水流模拟,得到了完整的流场;进而研究了生物质炭改良引起的渗透率、迂曲度的变化情况,发现弯曲无定向的孔隙结构造成了测试样品的渗透率和迂曲度的各向异性,这种特性较难通过传统实验来确定。另外,我们探究了渗透率、迂曲度与样品尺寸的关系,即尺度效应。(4)最后,在流动模拟的基础上,利用LBM模拟孔隙结构中溶质的对流弥散运移过程,进一步探索生物质炭添加对于溶质运移的影响。研究发现,生物质炭改良降低了黏土孔隙水流速的空间变异性,在改良团聚体内部的弥散系数提高了一个数量级,这不仅与溶质的扩散有关,更由孔隙结构变化引起的流场变化直接决定。我们观察到在相同的水力梯度下,生物质炭改良后的土壤中更容易发生反常弥散,即弥散通量与浓度梯度之间的关系偏离菲克(Fick)关系。而这一现象的产生,是由机械弥散、分子扩散等不同机制所主导,可通过不同Pe数下的弥散系数分区进行进一步界定。本研究开发了一套高性能孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法,首次结合同步辐射X射线显微CT和孔隙尺度物理模型研究了生物质炭改良对土壤团聚体水力学特性和其内部的溶质运移过程的影响。论文中提出的理论和方法对于认识多孔介质中水流运动和养分迁移的微观机制有着重要意义。


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