A single-domain approach for modeling flow in and around porous media applied to buoyant reacting plume formation and ignition
本文提出覆盖多孔固体与周围流体的单域平均建模方法，无需界面边界条件，揭示浮力反应羽流不稳定性及界面形貌对点火的影响。
2024-12-21 physics.flu-dyn
Transition from diffusion to advection controlled contaminant adsorption in saturated chemically heterogeneous porous subsurfaces
我们表明，标量结构的变形和混合的命运羽状水污染物通过化学异质性，部分吸附多孔介质。通过孔隙尺度模拟，我们遵循动态的被动标量注入填充床组成的化学惰性和吸附球形颗粒的混合物。通过改变吸附剂$ξ$的分数，随机分布在多孔体积中，我们发现，水性溶质形成浓度羽流之间出现的吸附颗粒对。这种变形是不同的运输机制的结果，其特征在于相对于吸附剂，扩散和平流，分别在近端和远端孔中的分子的运输。嵌入羽流的等弧面以与平均孔隙尺度速度$U$成正比、与吸附剂颗粒间无量纲距离（即$γ\propto U/\ell_ξ$）成反比的速率增长。我们提供了一个量化的特征扩散的时间尺度的羽$t_η\propto \ell_ξ^2/D_m$，消散的浓度差异在附近的吸附器。因此，通过量化的相对重要性的平流持续的拉伸速率$γ$和羽流混合速率$1/t_η$的吸附剂$ξ$的分数的不同值，我们建立了一个过渡从扩散到平流为主的宏观吸附，其时间演化尺度为$\propto \sqrt{t}$和$\propto t$，分别。这种过渡是由介质内的吸附剂的量，与扩散和平流分别在高和低馏分占主导地位。我们的数值分析提供了$\ell_ξ/d \approx 4/\ln(2) \textit{Pe}^{-1}$作为设置转变的吸附器之间的临界距离，即$d$孔径。
2023-02-14 physics.flu-dyn
Consistent SPH simulations of the anisotropic dispersion of a contaminant plume
溶质在非均质多孔介质中的运移受流体平流、分子扩散和各向异性弥散的控制。假设色散服从Fick定律，色散系数定义为二阶张量。然而，这个问题已被发现是一个非常困难的，因为独立的数值方法，解决方案被认为是表现出人为的振荡和负浓度时，分散性变得各向异性。在这里，我们报告一致的SPH模拟的各向异性扩散的高斯污染羽在多孔介质中使用的开源代码DualSPHysics。SPH方法的一致性是通过增加空间分辨率以及插值核紧支持内的邻域数来恢复的。该解决方案表明，作为邻居的数量增加的分辨率，完全收敛的数值解是保证无论色散。然而，尽管一致性得到恢复，但仍然存在负浓度，尽管水平较低。这表明，必须保证邻居的数量和平滑长度的大小之间的折衷，以便保持足够的隐式数值扩散来抑制非物理振荡。
2021-08-21 physics.flu-dyn
Gravity currents in a porous medium at an inclined plane
我们考虑释放从一个点源的相对较重的流体进入一个多孔饱和介质以上的不可渗透的斜坡。我们考虑的情况下，所产生的重力流的体积随着时间的增加，如$t^α$和显示，$α<3$，在短时间内，电流传播轴对称，半径$r\sim t^{(α+1)/4}$，而在长时间内，它主要是下坡传播。特别地，对于长时间，电流的下坡位置像$t$一样缩放，而电流在斜坡上延伸距离$t^{α/3}$。对于$α>3$，这种情况正好相反，扩散主要发生在下坡处，持续时间很短。控制方程承认相似的解决方案，其缩放行为，我们确定，与完整的相似形式进行评估的数值计算的偏微分方程。我们发现，这些分析的结果与一系列的实验室实验是在良好的定量协议。最后，我们简要地讨论了我们的工作的影响，封存二氧化碳的含水层与倾斜的，不可渗透的上限。
2006-05-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection in porous media with dispersion
通过在二维Rayleigh-Darcy域中进行直接数值模拟，研究了弥散对多孔介质中对流的影响。控制方程的标度分析表明，该系统的动力学不仅由基于分子扩散的经典Rayleigh-Darcy数、$Ra_m$和畴纵横比控制，而且还由另外两个无量纲参数控制：色散瑞利数$Ra_d = H/α_t$和色散率比$r = α_l/α_t$，其中$H$是畴高，$α_t$和$α_l$分别是横向和纵向色散率。对于$Δ= Ra_d/Ra_m > O(1)$，机械弥散的影响很小;然而，对于$Δ\ll 1$，流型由$Ra_d$控制，而对于大的$Ra_m$，对流通量为$F\sim Ra_m$，但具有对$Ra_d$具有非单调依赖性的前因子。我们的DNS结果还表明，机械弥散的增加，即减少$Ra_d$，将粗糙的对流模式，通过增加烟羽间距。此外，固有的各向异性的机械分散打破了柱状结构的巨型羽在大$Ra_m$，如果$Ra_d < 5000$。这导致了减少对流通量的扇流几何形状。
2018-03-04 physics.flu-dyn
Traveling spatially localized convective structures in an inclined porous medium
该研究针对带非理想导热顶边界的二维倾斜多孔层，分析多脉冲局域行波对流结构，通过DNS探究对称参数对漂移速度、脉冲尾部形态及相互作用的影响，提出简化模型并揭示束缚态到等间距扩散的转变机制。
2025-03-19 nlin.PS physics.flu-dyn
Buoyancy driven dissolution of inclined blocks: Erosion rate and pattern formation
物体溶解到静水中导致界面处的密度分层，从而驱动浮力流。在层结不稳定的地方，流动不稳定成对流溶质羽流。通过与浓度代替温度的瑞利-贝纳德不稳定性类比，这种现象被称为溶质瑞利-贝纳德不稳定性。在这里，我们报告的实验，由盐，焦糖或石膏制成的倾斜矩形块在不同浓度的水溶液中的溶解。溶质沿着块体流动，同时在它们分离和下沉之前形成羽状物。沿着块体的这种流动将羽流的发射组织在具有明确定义的毫米尺度波长的纵向平行条纹内。流动的不稳定性反映在边界层中的浓度场上，该浓度场在块体上刻出纵向凹槽。这些凹槽与流动相互作用，并变成三维杯状图案的铺路，其尺寸增大并向上游传播。这些底形使人想起在洞穴或冰山壁上观察到的扇贝底形。虽然块体界面是高度动态的，并随着时间的推移而演变，但它在全球范围内保持平坦，并以固定的速度后退。我们推导出比例律的后退速度和图案成因在倾斜的界面，是基于浓度边界层的恒定厚度，这是控制的流动不稳定性，但其中的图案，也没有沿块流不起任何作用。我们将这些结果应用于升华图案的形成。
2020-05-31 cond-mat.soft nlin.PS physics.flu-dyn
Passive scalar dispersion along porous stratum with natural convection
研究地热梯度引发Rayleigh-Darcy对流的多孔地层中被动标量水平扩散，发现扩散系数在$Ra \gtrsim 2500$时饱和，揭示了低高Ra下主导标量迁移机制的转变，并给出饱和扩散系数的理论比例关系。
2025-04-04 physics.flu-dyn
Numerical investigation of buoyancy-aided mixed convective flow past a square cylinder inclined at 45 degrees
本研究通过直接数值模拟，在Re=100、Ri=0-1范围内探究45度倾斜方柱的浮力辅助混合对流，发现临界Ri在0.65-0.7之间，并揭示了尾流-羽流双重特性及远场不稳定性机制。
2025-08-07 physics.flu-dyn
Flux scaling and plume structure in high Ra - high Sc turbulent convection
本文采用盐水在水面上穿过微孔渗透膜的方法研究了高瑞利数（$10^{11}- 10^{10}$）、高施密特数（650）的湍流对流。近壁相干结构为线羽流时，通量表现出4/3的$^{rd}$标度。多个大尺度流动池的移位导致大纵横比的近膜平均剪切方向的改变。较低的纵横比显示单个大尺度流动池和恒定的平均剪切方向。
2004-08-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Rayleigh fractionation in high-Rayleigh-number solutal convection in porous media
本文研究了两组分在混合气体和饱和对流多孔层之间的分馏。地质二氧化碳（CO $_2$）存储的动机，我们假设对流仅由第一个组件的溶解浓度驱动，而第二个作为示踪剂与扩散性增加。在高瑞利数对流的直接数值模拟表明，分区的组件，在一般情况下，不遵循瑞利分馏的趋势，因为通常假设。最初，示踪剂扩散率的增加也会增加其通量，因为扩散性边界层更深地渗透到流动中。然而，对于$D_2\geq 10\, D_1$，其中$D_1$和$D_2$分别是CO $_2$和示踪剂在水中的扩散系数，示踪剂在上升和下降羽流之间的横向泄漏降低了示踪剂通量。组分之间的瑞利分馏仅在两种气体的溶解度和气体中的初始浓度差异非常大的情况下实现。
2018-01-09 physics.flu-dyn
Spatial and temporal features of dense contaminant transport: experimental investigation and numerical modeling
我们研究了多孔材料中密集污染羽流动力学的空间和时间特征。我们的分析是支持新的实验结果，关于污染物浓度分布在垂直柱设置。我们描述的实验方法，并阐明了显着的测量结果，重点是在均匀饱和介质中的混溶流体。通过采用有限元方法，我们数值求解的方程，规则的污染物迁移和比较模拟结果与实验数据。最后，我们定性地探讨了稠密的污染物羽流和较轻的居民流体饱和柱之间的界面动力学行为。
2009-05-11 physics.flu-dyn
Effects of Pore-scale on the Macroscopic Properties of Natural Convection in Porous Media
多孔介质中的自然对流是深部咸水层长期储存CO2的基本过程。通常情况下，多孔介质中的传质的细节推断从体积平均Darcy-Oberbeck-Boussinesq（DOB）方程的数值解，即使这些方程不考虑多孔介质的微观特性。根据DOB方程，多孔介质中的自然对流由瑞利数唯一决定。然而，与实验相反，DOB模拟产生了舍伍德数与瑞利数（Ra）的线性标度（Ra>> 1，300）。在这里，我们进行直接数值模拟（DNS），完全解决孔隙内的流场。我们表明，边界层厚度是由孔径，而不是瑞利数，如前所述。大羽流和原始羽流的尺寸随着孔隙尺寸的增大而增大.我们的DNS结果表现出非线性缩放的舍伍德数在高孔隙度，并为相同的瑞利数，较高的舍伍德数预测DNS在较低的孔隙度。结果表明，舍伍德数的尺度依赖于孔隙率和孔隙尺度参数，这与实验研究结果一致。
2021-04-27 physics.flu-dyn
Scaling of Rayleigh-Taylor mixing in porous media
将两种不同密度的流体相互推挤，会导致界面处瑞利-泰勒不稳定性的发展，并进一步演化为复杂的混合层。在多孔介质中，该过程受到在流动通过孔隙时经历的粘性阻力的影响，该粘性阻力由达西定律描述。本文通过三维和二维的直接数值模拟研究了Darcy-Rayleigh-Taylor系统在大Péclet数极限下的混合性质。在混合区中，重力和粘性力之间的平衡导致细长羽流的非自相似增长，其长度随时间线性增加，而其宽度遵循扩散增长。传质努塞尔数被发现与达西-瑞利数线性增加，支持在多孔对流在高Ra数的普遍缩放。最后，我们发现，混合过程中显示重要的定量差异之间的二维和三维。
2020-06-12 nlin.CD physics.flu-dyn
How pore-scale disorder controls fluid stretching in two-dimensional porous media
University of Oslo（奥斯陆大学）；University of Rennes（雷恩大学）；Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eiffel, ISTerre（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、萨瓦蒙布朗克大学、法国国家科学研究中心、法国发展研究所、居斯塔夫埃菲尔大学、ISTerre研究所）；Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）
研究通过实验、模拟和分析探讨多孔介质中流体拉伸的控制机制，发现无序结构显著影响拉伸统计特性，揭示了无序介质加速混合的潜力。
2026-09-30 physics.flu-dyn
Chaotic Advection at the Pore Scale: Mechanisms, Upscaling and Implications for Macroscopic Transport
饱和多孔介质中溶质羽流的宏观扩散和混合最终由孔隙尺度的过程控制。虽然孔尺度的机械分散和分子扩散导致持久的流体动力学分散的传统图片是公认的，这种范式本质上是二维（2D）的，忽略了重要的三维（3D）现象。我们讨论了如何在孔隙尺度稳定的三维流动的运动学产生混沌平流，涉及指数拉伸和折叠的流体元素，它的产生机制和影响的微观混沌宏观分散和混合。由于拓扑约束，这些现象在稳定的2D流动中被禁止，由于所有3D多孔介质固有的拓扑复杂性，这些现象是普遍存在的。因此，三维多孔介质流动产生了与二维流动完全不同的流体变形和混合过程。混沌平流和广泛的过境时间分布的相互作用，可以纳入一个连续时间随机游走（CTRW）框架来预测宏观溶质混合和扩散。我们展示了如何通过流体变形的CTRW模型将这些结果推广到真实的多孔结构，从而产生宏观分散和混合的随机模型，这些模型既尊重孔隙尺度运动学，又直接取决于孔隙尺度层析成像。
2016-02-17 physics.flu-dyn
Impact of porous media heterogeneity on convective mixing in a Rayleigh-Bénard instability
本研究通过数值模拟揭示多孔介质非均质性增强热通量但降低混合效率，并改变流动结构与界面拉伸特性。
2025-10-06 physics.flu-dyn
Non-invasive imaging of solute redistribution below evaporating surfaces using 23Na-MRI
Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心）；University of Stuttgart（斯图加特大学）
利用23Na-MRI研究蒸发表面下溶质再分布，揭示高渗透性和低渗透性多孔介质中溶质积累与再分布的差异。
2026-01-23 physics.flu-dyn
Pore-scale statistics of temperature and thermal energy dissipation rate in turbulent porous convection
本文通过高分辨率直接数值模拟研究二维多孔瑞利-贝纳德对流中温度与热能耗散率的孔隙尺度统计特性，揭示不可渗透固体多孔基质对羽流动力学、温度涨落及耗散间歇性的影响，并指出其在地球物理和能源环境工程中的潜在应用。
2023-09-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Physics-Constrained Deep Learning Model for Simulating Multiphase Flow in 3D Heterogeneous Porous Media
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
在这项工作中，开发了一种有效的物理约束深度学习模型，用于求解3D非均质多孔介质中的多相流。该模型充分利用了卷积神经网络的空间拓扑预测能力，并与高效的基于连续性的平滑器相结合，以预测需要空间连续性的流量响应。此外，瞬态区域被惩罚以引导训练过程，使得模型可以准确地捕获这些区域中的流。该模型采用包括多孔介质性质、流体性质和井控在内的输入，并预测状态变量（压力和饱和度）的时空演化。在保持流体流动连续性的前提下，将三维空间域分解为二维图像，减少了训练代价，增加了训练样本数，提高了训练效率。此外，代理模型被单独构建为后处理器，以基于来自深度学习模型的状态变量的预测来计算井流量。我们使用CO2注入盐水层的例子，并应用物理约束的深度学习模型，该模型是从基于物理的模拟数据中训练出来的，并模拟物理过程。与基于物理的模拟相比，该模型的预测速度提高了约1400倍，预测的压力和饱和羽流的平均时间误差分别为0.27%和0.099%。此外，利用井流量替代模型对产水生产率进行了有效预测，平均误差小于5%。因此，凭借其独特的方案来应对多孔介质中流体流动的保真度，物理约束的深度学习模型可以成为计算要求高的逆问题或其他耦合过程的有效预报模式。
2021-04-30 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Stability of convection in dry salt lakes
干旱地区常见的干涸湖泊，表面覆盖着盐壳，形成美丽的狭窄山脊网络。在这里，我们认为最初的不稳定性和最终的命运浮力驱动的对流，可能会导致这种模式。具体来说，我们看对流在一个水平表面上，这类似于下面的蒸发盐湖发现的情况下，一个恒定的通流边界条件的深层多孔介质。该系统被缩放到只有一个自由参数，瑞利数，其特征在于对流的相对驱动力。然后，我们解决由此产生的线性稳定性问题的对流的发病。进一步探索这个模型的非线性制度与伪谱数值方法，我们演示了如何增长的小下降流羽流本身是不稳定的粗化，作为系统发展到一个动态的稳定状态。在这个成熟的状态下，我们展示了对流羽流的典型速度和长度尺度如何与强迫条件和瑞利数成比例。有趣的是，一个强大的长度尺度出现的图案波长，这在很大程度上是独立的驱动参数。最后，我们引入了一个空间不均匀的边界条件-调制蒸发率-模仿任何之间的反馈不断增长的盐壳和干燥的盐湖蒸发。我们展示了如何这个边界条件可以引入相位锁定的下降流羽低于网站的低蒸发，如在脊盐多边形。
2021-03-25 nlin.PS physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection in a mushy-layer along a heated wall
受海冰、火山和外太阳系冰冷卫星的糊状区的启发，我们对有界理想糊状区中沿垂直加热壁的边界层对流进行了理论和数值研究。糊状物是由一个多孔的和反应性的二元合金与盐液体的混合物在固体基质中，并在近共晶近似进行了研究。在这里，我们证明了存在的四个区域，并研究他们的行为渐近。从壁的底部开始，这四个区域是（i）各向同性拐角区域;（ii）浮力主导的垂直边界层;（iii）各向同性连接区域;以及（iv）在顶部边界处的水平边界层，其具有强的压力和浮力梯度。从数值模拟的比例与理论预测是一致的。靠近加热的壁，在糊状层的对流是类似的上升浮力羽突然停止在顶部，导致在上部区域，其影响被讨论为一个有效的熔化机制的压力和温度增加。
2021-03-13 physics.flu-dyn
Direct comparison of numerical simulations and experiments of CO$_2$ injection and migration in geologic media: Value of local data and predictability
地质CO $_2$封存数值模型的准确性和鲁棒性几乎从未就提供地面真相的直接观察进行量化。在这里，我们进行CO $_2$注入实验在米级，准2D坦克与多孔介质代表地层部分的地下，并将它们与这些实验的数值模拟。我们评估（1）系统的先验知识的价值，以罐砂的多相流特性（本地数据）的非现场测量表示，以获得准确的模拟;和（2）匹配的数值模型的预测能力，当应用于不同的设置。我们匹配三个不同的模拟模型-每个访问本地数据的增加水平-一个CO $_2$注射实验在坦克1（89.7 $\times$ 47 $\times$ 1.05厘米）。匹配基于来自时移图像分析的不同时间的CO $_2$迁移的定量比较。接下来，我们在罐1中模拟不同的注入方案，并且最后在罐2中模拟不同的注入方案（2.86 $\times$ 1.3 $\times$ 0.019 m），其代表完全不同的地层剖面。我们的模型可以定性地匹配CO $_2$烟羽迁移和对流混合的实验真相。定量地说，模拟在注射阶段是准确的，但其性能随时间而下降。使用本地数据减少了历史匹配所需的时间。匹配模型的预测能力，但是，被发现是相似的。砂-水-CO $_{2(\mathrm{g})}$系统对有效渗透率和毛细管压力变化非常敏感;在存在非均质结构的情况下，不可能对CO $_2$迁移进行精确的确定性估计。
2023-01-21 physics.flu-dyn
