考虑组分活度的多组分污染物扩散模型

在处置固体废弃物时多采用具有隔离和屏障作用的压实黏土衬垫体系,其渗透性极低,渗滤液溶质在其中的主要运移方式为扩散。针对各类堆场渗滤液中多组分污染物并存的实际工程现象,研究了多组分污染物在防渗黏土垫层中的扩散规律。基于混合物组分线性动量平衡,引入可考虑组分有效浓度的活度系数,建立了多组分污染物在黏土垫层中的一维扩散模型。使用有限元软件COMSOL Multiphysics对所建扩散模型进行求解,揭示了多组分污染物在黏土垫层中的扩散规律。结果表明:与单组分污染物扩散相比,多组分污染物共存时组分活度的引入对独立组分的扩散起到了阻滞作用。研究结果能够为各类堆场设计合理经济的防渗隔污屏障提供理论依据。     

带电性黏土介质多离子体系扩散模型

污染物在黏土防渗层中扩散时，不仅需考虑污染物离子自身活性，还须考虑黏土介质自身带负电特性这一离子存在环境对扩散进程的影响。通过对电场作用下的活度系数进行修正并引入电化学势描述方程，建立了适用于带电性黏土介质的基于动量平衡的多离子体系扩散模型。由于所建模型的复杂性，选用多物理场仿真软件ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ开展数值模拟，揭示了多离子体系在黏土垫层中的运动规律。数值结果表明:随着污染物离子初始浓度的增大，考虑土体带电特性及离子活性对扩散进程的阻滞效果越来越明显。     

一维非饱和溶质随机运移模型的谱分析

本文根据宏观尺度条件下溶质运移的随机特征，在不考虑孔隙弥散的条件下，对一维非饱和溶质运移方程进行了简化。假设流速场及溶质浓度无普空间平稳随机函数，通过对一维非饱和溶运移的简化方程进行平均处理，导出了与小尺度对流一弥散方程相似的宏观尺度溶质运移的基本方程，并由谱分析导出了宏观弥散系数及溶质浓度方差的表达式。应用宏观尺度溶驼移方程为基础的数学模型对野外盐分迁移过程进行了模拟。模拟所得的溶质平均浓度及浓     

应用多重尺度法推导浅水波方程和悬沙扩散方程

根据潮流、波浪及湍流运动尺度不同的特点，引入奇异摄动理论中的多重尺度法，应用导数展开法分离Navier-Stokes方程和质量传输方程，导出了波浪作用下的浅水环流方程、潮位和潮流作用下的浅水波方程及波流联合作用下的悬水扩散方程，用数学方法解释了潮流波浪的相互作用和影响。并与雷诺方程进行了比较。为研究海岸动力因素运动规律和诸动力因素与海岸相互作用奠定了理论基础。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。     

考虑扩散势作用的多离子扩散模型及影响因素分析

扩散是成岩作用、溶质在沉积物和地下水中运移等过程中的重要机制。实际工程中主要是多离子共存系统,已有研究忽略了离子带电产生的静电效应对扩散进程的影响,使得各离子间的相互作用在扩散模型中未得到体现。基于经典Fick定律,考虑离子间静电效应产生的扩散势作用,借助电中性约束条件,通过推导建立了考虑扩散势作用的多离子扩散模型,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对多离子的扩散行为开展了数值模拟,重点分析了扩散势影响因素的作用。结果表明:扩散势对阳离子的扩散具有加速作用,对阴离子的扩散具有阻滞效果。当阴离子扩散系数相同时,扩散势对离子的加速作用随阳离子扩散系数的减小逐渐增强。当溶液中阴、阳离子扩散系数均固定时,扩散势对离子的加速作用随离子价位的增加略有提高。     

考虑弥散系数尺度效应的溶质运移模型研究

基于多空介质溶质运移的基本方程,利用erfc(x)的近似公式反求地下水溶质运移的纵向弥散参数,分析了其与尺度之间的相关关系,并运用分维理论确定了尺度效应的分维数,导出了弥散参数的表达式.结果表明:①弥散系数与尺度之间呈幂相关关系;②考虑弥散系数尺度效应的方法可较好地模拟均质的溶质迁移.     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

二维非恒定空化流的数学模型

本文提出了一个新的数学模型,用于预测高Reynolds数的二维紊流场中非恒定空化流的形成与发展过程及其内部结构。将空化流看成是泡-液两相流动,采用宏观与微观两个尺度来描述其流动形态与内部结构。宏观尺度主要用于空化区及其外部紊流场的计算,微观尺度用于确定气核在紊流场中的运动及生长过程,宏观与微观两种分析相互结合,前者应用两相流模型及现有紊流场分析技巧,后者采用泡动力学理论,应用这一模型,可对二维紊流场中空化流的演变过程及其非恒定特性给出比较清楚的数值描述。     

稀薄气—固两相流中相间的相互作用模型

本文以稀薄气－固两相湍流流动为研究对象，推导并模化了考虑固体颗粒存在时，气相的湍流模型方程，在拉格郎日方法中实现了气－固两相间动量、湍动能的相互作用。尤其是提出当量密度及当量耗散系数两个概念后，使模型方程的型式等同于标准Ｋ－ε模型，很适合工程应用。而气相对粒子湍流扩散的影响则由类似于布朗粒子扩散的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法来描述，实现了对确定性轨道模型的修正。最后，对颗粒在网格后均匀湍流中的扩散规