WikiDer > Моделирование реактивного переноса в пористой среде

Reactive transport modeling in porous media

Моделирование реактивного переноса в пористой среде относится к созданию компьютерные модели интеграция химическая реакция с транспорт жидкостей через земные корка. Такие модели предсказывают распределение в пространстве и времени химических реакций, происходящих на пути потока. Моделирование реактивного переноса в целом может относиться ко многим другим процессам, включая реактивный поток химикатов через резервуары, реакторы или мембраны; частицы и виды в атмосфере; газы, выходящие из дымовой трубы; и мигрирующая магма.

Обзор

Модели реактивного транспорта построены для понимания состава природных вод; происхождение месторождения полезных ископаемых; образование и растворение горных пород и минералы в геологических формациях в ответ на закачку промышленных отходов, пара или углекислый газ; и образование кислых вод и выщелачивание металлы из шахтные отходы. На них часто полагаются для прогнозирования миграции шлейфов загрязнителей; мобильность радионуклиды в хранилища отходов; и биоразложение химикатов в свалки. Применительно к изучению загрязняющих веществ в окружающей среде они известны как модели судьбы и переноса.[1]

Разработка реактивного транспортного моделирования

Современное моделирование реактивного переноса возникло в нескольких различных школах.[2] Гидрологи в первую очередь озабоченный физической природой массопереноса, предполагал относительно простые формулировки реакции, такие как коэффициенты линейного распределения или члены линейного распада, которые можно было бы добавить к уравнение адвекции-дисперсии. Предполагая линейность, равновесие сорбция, например, уравнение адвекции-дисперсии можно модифицировать простым фактор замедления и решил аналитически. Такие аналитические решения ограничиваются относительно простыми проточными системами и реакциями.

Геохимические модели, с другой стороны, были разработаны, чтобы обеспечить термодинамический описания многокомпонентных систем без учета транспорта. Модели пути реакции были созданы, например, для описания последовательности химических реакций, возникающих в результате химическое выветривание или же гидротермальные изменения в пакетные системы, с точки зрения общего хода реакции. Однако, приняв систему отсчета для пакета жидкости и рассматривая ход реакции как время прохождения (или расстояние вдоль пути потока), модель пути пакетной реакции можно рассматривать как описание адвективного переноса через водоносный горизонт.[3]

Самые сложные многокомпонентные модели реактивного переноса учитывают как реакцию, так и перенос.[4][5] Ранние исследования позволили разработать теоретические основы моделей реактивного переноса и численные инструменты, необходимые для их решения, и применили их к задачам переноса реактивных загрязнителей.[6] и протекает через реагирующие гидротермальные системы.[7]

Модели реактивного транспорта нашли все более широкое применение в последние годы с улучшением мощности персональных компьютеров и программное обеспечение для моделирования.[5][8]

Процессы, рассматриваемые в моделях реактивного переноса

В моделях реактивного переноса большое количество химических реакций сочетается с переносом массы. Некоторые приложения, например геотермальная энергия производство и рудное месторождение моделирования, требуют дополнительного расчета теплопередача. В моделировании связывание углерода и гидроразрывкроме того, может возникнуть необходимость описать деформацию горных пород в результате роста минералов или аномально высокого давления флюида. Описание транспорта через ненасыщенная зона и многофазный поток моделирование применительно к транспортировке нефть и натуральный газ; жидкости в неводной фазе (DNAPL или же LNAPL); и сверхкритический диоксид углерода требует все более сложных моделей, которые подвержены значительной неопределенности.

Во многих случаях процессы, моделируемые в моделях реактивного переноса, сильно взаимосвязаны. Растворение минералов и осаждение, например, могут повлиять на пористость и проницаемость области, что, в свою очередь, влияет на поле течения и скорость грунтовых вод. Теплоперенос сильно влияет на вязкость воды и ее способность течь. Ниже приведены многие физические и химические процессы, которые можно моделировать с помощью моделей реактивного переноса.

Геохимический реакции:

Массовый транспорт:

Тепловой транспорт:

Средняя деформация:

  • Сжатие или расширение домена
  • Образование трещин

Решение реактивных транспортных моделей

Некоторые из простейших задач реактивного транспорта могут быть решены аналитически. Когда равновесная сорбция описывается коэффициентом линейного распределения, например, скорость сорбирующего растворенного вещества замедляется по сравнению со скоростью инертного индикатора; относительные скорости можно описать с помощью фактора запаздывания. Аналитические решения - это точные решения основных уравнений.

Сложные задачи реактивного транспорта чаще решаются численно. В этом случае определяющие уравнения аппроксимируются так, чтобы их можно было решить с помощью компьютерных алгоритмов. Основные уравнения, включающие как реакции, так и условия переноса, могут быть решены одновременно с использованием одношагового или глобального неявного симулятора. Этот метод концептуально прост, но очень сложен в вычислительном отношении.[9]

Вместо того, чтобы решать все соответствующие уравнения вместе, уравнения переноса и химической реакции можно решать отдельно. Операторное разделение, поскольку этот метод известен, используются соответствующие численные методы для решения уравнений реакции и переноса на каждом временном шаге.[1] Существуют различные методы, включая последовательный неитеративный подход (SNIA), Расщепление Strang, и последовательный итерационный подход (SIA).[9] Поскольку условия реакции и переноса обрабатываются отдельно, отдельные программы для реакции партии и переноса могут быть связаны вместе. Сшиваемый реентерабельное программное обеспечение объекты, предназначенные для этой цели, позволяют легко построить модели реактивного переноса любой конфигурации потока.[10][11]

Вызовы

Моделирование реактивного транспорта требует ввода данных из множества областей, в том числе гидрология, геохимия и биогеохимия, микробиология, физика почвы, и динамика жидкостей.[2] Численная постановка и решение задач реактивного переноса могут быть особенно трудными из-за ошибок, возникающих в процессе соединения, помимо тех, которые присущи отдельным процессам. Валоччи и Мальмстед (1992), например, сообщили о потенциальных ошибках, возникающих из-за техники разделения операторов.[12]

Даже при отсутствии численных трудностей общий недостаток знаний, доступных практикам, создает неопределенность. Полевые участки обычно неоднородныйкак физически, так и химически, и отбор проб часто бывает редким. Преобладающее предположение Фикиан разброс часто бывает неадекватным. Константы равновесия и кинетические законы скорости соответствующие реакции часто малоизвестны. Сложность многих процессов требует опыта в одной или нескольких из вышеупомянутых областей. Многие процессы, такие как долгосрочное хранение ядерных отходов, невозможно проверить экспериментально; проблемы реактивного транспорта могут только попытаться предсказать такое долгосрочное поведение. Текущие описания процессов многофазного течения и механической деформации все еще находятся в стадии разработки.

Программное обеспечение общего пользования

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Бетке, К.М., 2008 г., Моделирование геохимических и биогеохимических реакций. Издательство Кембриджского университета, 547 стр.
  2. ^ а б Стифел, С.И., Д.Дж. ДеПаоло и П. Лихтнер, 2005 г., Моделирование реактивного переноса: важный инструмент и новый исследовательский подход для наук о Земле. Письма по науке о Земле и планетах 240, 539-558
  3. ^ Лихтнер П.К., 1988, Приближение квазистационарного состояния для связанного переноса массы и взаимодействия флюид-порода в пористой среде. Geochemica et Cosmochemica Acta 52, 143-165
  4. ^ Лихтнер П.С., 1985, Модель Contiuum для одновременных химических реакций и массопереноса в гидротермальных системах. Geochemica et Cosmochemica Acta 49, 779-800
  5. ^ а б c Gharasoo, M., Centler, F., Regnier, P., Harms, H., Thullner, M., 2012. Подход к моделированию реактивного переноса для моделирования биогеохимических процессов в пористых структурах с неоднородностями в масштабе пор. Экологическое моделирование и программное обеспечение 30, 102-114.
  6. ^ Ага, Г. и В. Tripathi, 1989, Критическая оценка последних достижений в моделях гидрогеохимического переноса реактивных мультихимических компонентов. Исследование водных ресурсов 25, 93-108
  7. ^ а б Стифел, К. и A.C. Lasaga, 1994, Совместная модель переноса множества химических веществ и кинетических реакций осаждения / растворения в применении к реактивному потоку в однофазных гидротермальных системах. Американский журнал науки 294, 529-592
  8. ^ Брэди, П. и К. Бетке, 2000 г., Помимо подхода Kd. Грунтовые воды 38, 321-322
  9. ^ а б Стифел, К. и К.Т.Б. MacQuarrie, 1996, Подходы к моделированию реактивного переноса в пористых средах. В P.C. Лихтнер, К. Стифел, Э. Элкерс (ред.), 1996, Реактивный перенос в пористой среде. Обзоры в Минералогии 34, 85-129
  10. ^ «Водные растворы запускают ChemPlugin». Researchpark.illinois.edu. Исследовательский парк Иллинойского университета. Получено 7 июн 2013.
  11. ^ "ChemPlugin.ORG". ООО "Водные Растворы". Получено 3 мая 2013.
  12. ^ Валоччи, А.Дж. и М. Мальмстед, 1992 г., Точность расщепления операторов для задач адвекции-дисперсии-реакции. Исследование водных ресурсов 28(5), 1471-1476
  13. ^ ван дер Ли, Дж. и Л. Де Виндт, 2000, ШАХМАТЫ, другой компьютерный код видообразования и комплексообразования. Технический отчет № LHM / RD / 93/39, Ecole des Mines de Paris, Фонтенбло
  14. ^ Стифел К.И., 2001, GIMRT, версия 1.2: Программное обеспечение для моделирования многокомпонентного, многомерного реактивного транспорта, Руководство пользователя. Отчет UCRL-MA-143182, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Ливермор, Калифорния.
  15. ^ Бетке, К.М., и С. Йикель, 2011 г., Руководства пользователя Geochemist's Workbench, Версия 9.0. ООО «Водные растворы», Шампейн, Иллинойс
  16. ^ Ченг, Х. и Г. Yeh, 1998, Разработка трехмерной модели подземного потока, теплопередачи и химического переноса в реакциях: 3DHYDROGEOCHEM. Журнал гидрологии загрязнителей 34, 47-83
  17. ^ Parkhurst, D.L., 1995, Руководство пользователя PHREEQC, компьютерной модели для видообразования, пути реакции, адвективного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет по исследованию водных ресурсов Геологической службы США 95-4227.
  18. ^ Parkhurst, D.L. и C.A.J. Appelo, 1999, Руководство пользователя PHREEQC (версия 2), компьютерной программы для видообразования, периодической реакции, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет о исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 99-4259.
  19. ^ Паркхерст, Д.Л., Кипп, К.Л., и Чарльтон, С.Р., 2010, PHAST, версия 2 - программа для моделирования потока подземных вод, переноса растворенных веществ и многокомпонентных геохимических реакций: методы и методы геологической разведки США 6 – A35, 235 с.
  20. ^ Leal, A. M. M. et al. (2018). Reaktoro, унифицированный фреймворк с открытым исходным кодом для моделирования химически реактивных систем, https://github.com/reaktoro/reaktoro
  21. ^ Сюй Т., Э. Sonnenthal, N. Spycher и K. Pruess, 2004, руководство пользователя TOUGHREACT: программа моделирования неизотермического многофазного реактивного геохимического переноса в геологических средах с переменной насыщенностью. Отчет LBNL-55460, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

дальнейшее чтение

  • Appelo, C.A.J. и Д. Постма, 2005 г., Геохимия, подземные воды и загрязнение. Тейлор и Фрэнсис, 683 стр. ISBN 978-0415364287
  • Бетке К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций. Издательство Кембриджского университета, 547 стр. ISBN 978-0521875547
  • Lichtner, P.C., C.I. Стифел, Э. Элкерс (ред.), 1996, Реактивный перенос в пористой среде. Обзоры в Минералогии 34, 438 с. ISBN 978-0-939950-42-3
  • Меркель, Б.Дж., Б. Планер-Фридрих, Д.К. Nordstrom, 2008 г., Геохимия подземных вод: Практическое руководство по моделированию природных и загрязненных водных систем. Спрингер, 242 стр. ISBN 978-3540746676
  • Чжан Ф., Г. Йе, и Дж. К. Паркер (ред.), 2012, Модели реактивного переноса грунтовых вод. Behtham Publishers, 254 стр. ISBN 9781608053063
  • Чжу, К. и Дж. Андерсон, 2002, Экологические приложения геохимического моделирования. Издательство Кембриджского университета, 300 стр. ISBN 978-0521005777