[发明专利]一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法

权利要求书

1.一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，具体包括：确定污染物种类和溶解性；利用分形理论建立粗糙单裂隙模型；基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型；针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程；针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程；

针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程包括：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，通过水平集法计算非水相液体污染物在无填充二维粗糙单裂隙中两相界面的运移过程，即在固定的二维粗糙裂隙有限单元网格中使用辅助方程追踪两相不混溶液体界面，同时考虑污染物和水两种流体的密度差、粘滞性差别以及界面张力和重力作用；

针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程还包括：调用流体动力学模块中的水平集法流体运移控制方程，水平集法使用Navier-Stokes方程的非压缩流体公式计算液体流动；当非水相液体污染物在无填充裂隙中与裂隙面接触时，污染物和水两种液体界面存在毛细压力差：

式中p_c表示毛细压力，p_nw表示非水相液体中的压力；p_w表示水相液体中的压力；σ表示界面张力；θ_w表示两种液体界面与裂隙面的接触角；r_f表示裂隙中平均曲率半径；

当追踪非水相液体污染物和水在粗糙裂隙中的界面时，水平集法增加了一项辅助函数项：

式中φ为表示界面的辅助水平集函数，φ<0.5说明其代表区域为非水相液体，φ＝0.5说明其代表区域为两相界面，φ>0.5说明其代表区域为水相液体；γ为重新初始化参数，单位为m/s；ε表示界面厚度；t_i表示时间，单位为s。

2.根据权利要求1所述的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，所述利用分形理论建立粗糙单裂隙模型包括利用人造二维裂隙；所述人造二维裂隙的建立由控制裂隙面特性的系统生成，改变粗糙裂隙的平均隙宽，通过增加分形维数生成一系列粗糙度增加的单裂隙模型。

3.根据权利要求1所述的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，所述基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型包括利用有限单元法基于多物理场数值计算平台COMSOL中的计算流体动力学模块建立无填充粗糙单裂隙二维数值模型，所述无填充粗糙单裂隙二维数值模型使用三角单元进行剖分。

4.根据权利要求1所述的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程包括如下步骤：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，在建立的无填充粗糙单裂隙数值模型中利用Navier-Stokes水流控制方程模拟无填充二维粗糙单裂隙中水流，再将Navier-Stokes水流控制方程与溶质对流-弥散方程耦合，最终评价平均隙宽和裂隙粗糙度对污染物穿透曲线的影响。

5.根据权利要求1所述的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，利用水平集法计算非水相液体污染物运移需要输入的主要参数包括：非水相液体污染物密度、水的密度、非水相液体污染物动力粘滞系数、水的动力粘滞系数、重力加速度、界面张力系数、以及两相流体界面与裂隙面的接触角；同时需设定裂隙中非水相液体污染物分布的初始条件和边界压力值，通过记录裂隙中不同时刻污染物的体积分数，绘制非水相液体污染物运移过程曲线，评价裂隙平均隙宽和粗糙度对非水相液体污染物运移过程的影响。