Convective dissolution of carbon dioxide in deep saline aquifers: Insights from engineering a high-pressure porous Hele-Shaw cell
我们提出了第一个实验的溶解驱动的对流二氧化碳（CO $_2$）在封闭的盐水饱和多孔介质在高压下。我们设计了一种新的Hele-Shaw细胞，允许视觉和定量分析，并解决对流溶解的自由相CO $_2$和盐水组合物的影响。气体体积的视觉检查结合压力的测量，两者都随着溶解而变化，使我们能够在更密切地反映地质条件的条件下深入了解对流的动态。我们发现和分析不同的溶解事件，包括扩散，早期和晚期对流，和关闭制度。我们的实验表明，在中间制度，所谓的“准稳态”实际上从来没有发生。溶解通量连续下降，在这个制度，这是由于负反馈回路：对流溶解后的压力迅速降低，反过来，降低了CO $_2$在气体-盐水界面的溶解度，从而降低了不稳定强度。我们引入了一个新的比例因子，不仅补偿了通量的减少，而且还补偿了不同盐类型引起的非线性。我们提出了强大的缩放关系的补偿通量和过渡时间之间的连续制度的系统与NaCl（Ra $\sim$ 3271--4841）和NaCl+氯化钙$_2$混合物（Ra $\sim$ 2919--4283）。NaCl+CaCl $_2$混合体系在溶解停止前有较长的过渡期，但溶解通量较NaCl盐水体系低。
2018-12-20 physics.flu-dyn
Convective carbon dioxide dissolution in a closed porous medium at high-pressure real-gas conditions
我们结合建模和测量来研究在压力-体积-温度单元中对流二氧化碳（CO $_2$）溶解的动力学，扩展了Wen等人（J. Fluid Mech.，第854卷，2018年，pp. 56- 87）在低压理想气体条件下到高压和真实气体条件下。压力依赖的压缩性和溶解度包括模拟CO $_2$浓度的演变在气相中和界面处，分别。简单的常微分方程模型的开发，以捕捉在大瑞利数的对流系统的平均行为，然后通过使用数值模拟和实验室实验进行验证。对流CO $_2$溶解的线性缩放的前置因子进行评估-第一次-通过使用压力衰减实验珠包在油藏条件下。结果表明，我们的模型可以定量预测的对流CO $_2$的溶解过程中的压力衰减实验。此外，研究结果还表明，在封闭系统中的气体压力增加，压力下降的负反馈-从溶解的CO $_2$在液体中-由于在真实气体条件下的溶解度常数的降低而减弱。该分析为多孔介质体系中CO $_2$对流溶解通量的测定和验证提供了新的方向。
2021-05-17 physics.flu-dyn
Structural barriers to complete homogenization and wormholing in dissolving porous and fractured rocks
University of Warsaw（华沙大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）；University of Minnesota（明尼苏达大学）
研究通过三种网络模型量化了多孔和裂隙介质中溶解过程的异质性影响，揭示了流体流动路径演变的统一度量标准，强调结构异质性对流体均质化的根本限制。
2026-02-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Dynamics of convective carbon dioxide dissolution in a closed porous media system
受CO2（CO $_2$）地质封存的影响，近年来许多研究对多孔介质中溶质对流的流体动力学进行了研究。在这里，我们研究对流溶解CO $_2$在一个封闭的系统中，在气体中的压力下降对流进行。这引入了负反馈，其甚至在盐水变得饱和之前降低对流溶解速率。我们分析的情况下，理想气体的溶解度由亨利定律，在非常低和非常高的瑞利数的限制。该系统中的平衡态由无量纲溶解容量$Π$确定，该容量给出了可溶解到下层盐水中的气体的分数。用$Π>0$对纯扩散问题进行了解析近似，结果表明扩散基态不再是自相似的，扩散传质随时间迅速下降。在高瑞利数的直接数值模拟表明，没有恒定的通量制度存在的$Π> 0$，然而，量$F/C_s^2$保持不变，其中$F$是溶解通量和$C_s$是溶解浓度在顶部的域。本文建立了简单的数学模型，用以预测封闭系统中高瑞利数对流的$C_s$和$F$的演化。限制封闭系统中对流的负反馈可以解释自然CO $_2$积累在千年时间尺度上的持续性。
2018-01-08 physics.flu-dyn
Mixing and spreading of gravity currents in heterogeneous porous media
Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）；Spanish National Research Council（西班牙国家研究委员会）
研究重力流在异质多孔介质中的混合、迁移与扩散，通过高保真数值模拟分析异质性对溶解速率和流体速度的影响，揭示不稳定性与各向异性对溶解效率的相互作用。
2026-10-22 physics.flu-dyn
Fluid flow channeling and mass transport with discontinuous porosity distribution
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（约翰内斯·古腾堡美因茨大学）
本研究提出了一种空间-时间方法，用于模拟多孔介质中不连续孔隙率分布对流体流动和痕量元素传输的影响，揭示了通道化流动与不同层间相互作用对元素富集的作用。
2025-10-02 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Reactive transport under stress: Permeability evolution in deformable porous media
我们研究反应性运输在一个强调的多孔介质中，固体基质的溶解导致两个同时，竞争的影响：孔隙扩大（化学变形），和孔隙压实由于机械弱化。一种新的，机械孔隙尺度模型模拟固定的围压下的样品的洪水，表明增加应力抑制渗透率提高，增加所需的注入量达到一定的渗透率，在最近的实验一致。我们解释这种行为的应力集中下游，在较少溶解（因此更硬）的区域。由于该区域的导电性也较低，即使其小的压实也具有抑制渗透性的强烈瓶颈效应。我们的研究结果还阐明，应力的影响取决于溶解制度。在虫孔条件下（缓慢注入，即高Damkohler，$Da$），急剧溶解前沿和高孔隙度对比度的发展加剧了瓶颈效应。这降低了传输的异质性，促进了虫洞竞争。一旦出口开始侵蚀，极端集中的运输和溶解-虫洞的特征-成为主导，削弱了瓶颈效应，从而减少了压力的影响。相比之下，在低$Da$下，上游不完全反应允许试剂穿过样品，导致更均匀的溶解。连续的溶解作用和下游压实作用的部分抵消作用使应力作用稳定而逐渐增加。因此，应力的影响在早期阶段（低渗透率）在高$Da$下更明显，在接近突破的低$Da$下更明显。我们的工作促进了对流体力学性质演化的理解，对从岩石的成岩作用和风化到油井增产和碳地质封存的过程具有重要意义。
2018-01-20 physics.flu-dyn
Solutal convection in porous media: Comparison between boundary conditions of constant concentration and constant flux
我们数值研究溶质对流多孔介质中，驱动溶解的二氧化碳（CO2）到水中-一种有效的机制，CO2存储在含盐含水层。溶解与自由相CO2缓慢扩散到下面的水相，然后通过密度驱动的对流混合的CO2在整个水饱和层。我们研究了单一水相区CO2对流的流体动力学。在地层顶部的两种不同的边界条件之间进行比较：（i）恒定的、最大的CO2水相浓度，和（ii）恒定的、低的CO2注入速率，使得所有CO2立即溶解并且系统保持在单相。后一种模型被发现涉及到一个非线性演化的CO2组合物和相关的水相密度，这取决于地层渗透率。我们在一个封闭的域中模拟水-CO2混合物的完全非线性相行为，考虑溶解和流体的可压缩性，并放松常见的Boussinesq近似。我们发现了新的流动制度，并提出了全球性的传播，混合和溶解通量在二维和三维介质中的边界条件的特征的定量标度关系。我们还重新审视了舍伍德数（Sh）与瑞利数（Ra）的标度行为，这在多孔介质对流中一直存在争议。在1，500<Ra<135，000范围内对溶质对流的测量表明，在定浓度情况下，经典的线性标度Sh ~ Ra是渐近的。同样的线性标度恢复恒定通量模型问题。
2018-09-06 physics.flu-dyn
Convective mixing in porous media: A review of Darcy, pore-scale and Hele-Shaw studies
本文综述了多孔介质中对流混合的Darcy、孔隙尺度和Hele-Shaw研究，重点分析重流体层溶解行为，揭示有限尺寸效应的关键作用，并展望未来研究方向。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Towards the understanding of convective dissolution in confined porous media: thin bead pack experiments, two-dimensional direct numerical simulations and physical models
本文通过薄珠床实验、二维直接数值模拟和物理模型，研究均质多孔介质中由 Rayleigh-Taylor 不稳定性驱动的对流溶解过程，揭示混合长度线性增长、三种混合状态及由扩散尺度、孔隙尺寸和区域高度控制的自相似演化规律。
2024-08-01 physics.flu-dyn
High-fidelity simulation of pebble beds: Toward an improved understanding of the wall channeling effect
本文通过高保真模拟分析卵石床中固体表面积体积比与湍动能产生，揭示了壁面沟流效应下形状损失系数随局部孔隙率变化的机理，为改进多孔介质压降模型提供依据。
2023-08-09 physics.flu-dyn
Numerical simulations of viscous fingering in fractured porous media
本文通过高分辨率数值模拟研究了裂缝性多孔介质中非均质性对黏性指进的影响，发现裂缝与基质间的渗透率差异会促使低黏度流体优先在裂缝中流动，从而稳定驱替前缘并抑制黏性指进。
2023-09-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Steadily translating parabolic dissolution fingers
溶蚀指（或虫孔）是多孔岩石在溶蚀过程中由于流动、运移和孔隙表面化学反应之间的非线性反馈而形成的。我们分析的形状和增长速度的薄前近似，其中反应被假定为瞬间发生的反应物完全消耗在溶解前内的手指。我们集中在的情况下，当主流是由恒定的压力梯度远离手指，和手指的内部和外部之间的渗透率差是有限的。使用Ivantsov变换和保角变换，我们发现家庭的稳定平移手指的特点是由一个抛物线形状。我们推导出的反应物浓度场和压力场的内部和外部的手指，并表明，他们内的流动是均匀的。手指的前进速度被证明是成反比的曲率半径在小的Péclet数限制和常数为大的Péclet数。
2015-07-22 nlin.PS physics.flu-dyn physics.geo-ph
Mixing across fluid interfaces compressed by convective flow in porous media
本文研究了多孔介质中存在对流时的混合问题。对流的特征在于形成涡流和停滞点，其中流体界面被拉伸和压缩以增强混合。我们分析了在不同的情况下，使用界面变形模型的混合动力学的行为。我们表明，标量耗散率，这是有关的溶解通量，控制界面过程，特别是界面压缩和扩散之间的平衡，这取决于流场配置。我们考虑了复杂性不断增加的不同情况。首先，我们分析了双回旋合成速度场。第二，瑞利-贝纳德不稳定性（Horton-Rogers-Lapwood问题），其中驻点位于固定界面。随着瑞利数的增加，该系统经历了从扩散控制混合到混沌对流的转变。最后，瑞利-泰勒不稳定性与移动界面，其中混合经历三个不同的制度：扩散，对流为主，对流关闭。界面压缩模型正确地预测了系统的行为。它显示了压缩率对扩散的依赖性如何解释标量耗散率的标度行为的变化。该模型表明，滞止点之间的相互作用和速度场的相关结构也是负责制度之间的过渡。我们还显示了溶解通量和混合状态的系统之间的行为的差异。我们观察到，而溶解通量与瑞利数减少，系统变得更加均匀。也就是说，通过减少扩散来增强混合。这一观察结果可以通过不稳定模式的影响来解释。
2017-12-01 physics.flu-dyn
Dynamic Evolution of Pore-scale Heterogeneity and Transport Conditions Control Mineral Dissolution Regimes
Imperial College London（帝国理工学院）；China University of Petroleum (East China)（中国石油大学（华东））
本文通过三维微连续体模拟研究了孔隙尺度异质性和传输条件对矿物溶解制度动态演化的影响，揭示了初始流体异质性如何控制反应物的可接近性，从而影响溶解制度的动态演变，发现通道化溶解是结构和流体同时重新组织的过程，其渗透率-孔隙率关系不能用单一幂律描述，有效幂律指数随异质性和时间变化，最大可达9.8、18.0和40.9，导致有效反应速率比均匀溶解预测低一个到三个数量级，因通道化溶解中的质量传递限制而被抑制。
2026-05-18 physics.flu-dyn
Inertia onset in disordered porous media flow
本文研究了三维无序高孔隙率介质孔隙层面流体流动中惯性区域的起始，发现通过曲折度和参与数导数可观测到惯性在Re~0.1时即显现，比传统摩擦系数分析低一个数量级，且涡流结构出现得更晚。
2024-09-24 physics.flu-dyn
Controlled Ion Transport in the Subsurface: A Coupled Advection-Diffusion-Electromigration System
本文提出耦合对流-扩散-电迁移系统，结合Lattice-Boltzmann-Poisson方法模拟多孔介质离子输运，并基于Pe数和电扩散指数EDI划分四种输运状态，为地下水污染修复提供优化控制依据。
2023-08-09 physics.flu-dyn
GeoChemFoam: Direct Modelling of flow and heat transfer in micro-CT images of porous media
GeoChemFoam是一个基于OpenFOAM的开源数值建模工具箱，包括一系列自定义软件包，用于解决复杂的流动过程，包括界面传输的多相输送，多尺度多孔介质中的单相流动以及矿物溶解的反应输送。在本文中，我们提出了GeoChemFoam的新的数值模型，用于模拟多孔介质的微观CT图像中的共轭传热。GeoChemFoam使用微连续体方法来描述流体-固体界面，使用每个计算单元中流体和固体的体积分数。使用Brinkman方程求解速度场，使用Kozeny-Carman方程计算渗透率，导致固相渗透率接近零。共轭传热，然后解决与热对流的速度是非零的，和导热系数计算为相的体积分数加权的相电导率的调和平均值。我们的模型进行了验证，一个简单的二维几何形状的标准的两种介质的方法进行比较。然后，我们模拟共轭传热和计算不同的流动制度和注入流体的传热系数类似于注入到地热储层中的Bentheimer砂岩的微CT图像，并进行灵敏度分析，在多孔换热器与随机球填料。
2021-10-07 physics.flu-dyn
Diffusiophoretic transport of colloids and emulsions in complex environments
Yale University（耶鲁大学）
本文综述了多孔介质中化学梯度驱动胶体和乳液扩散泳的机制，重点分析了溶质前沿对死端孔中泳动去除的增强作用以及跨流线迁移对宏观穿透和分散的显著影响。
2026-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
On the statistical properties of fluid flows with transitional power-law rheology in heterogeneous porous media
在这项工作中，我们研究非牛顿流体在非均质多孔介质中的流动。我们感兴趣的是呈现特定流变变化的流体：在一定剪切速率以下为牛顿流体，在一定剪切速率以上为幂律流体。由于多孔介质一般表现出强烈的空间非均匀性在大的地质尺度，我们研究这种不均匀性和流体的非线性流变学之间的相互作用。渗透率非均质与非线性流变之间的耦合对渗流有显著影响。我们特别关注速度场的统计特性（均值、方差、相关性等）。根据施加的平均压力梯度，三个宏观流态被确定。对于低或高的平均压力梯度，平均流率分别线性地或根据幂律增加。在后者的制度，我们观察到的速度场是更不均匀的剪切变稀流体比剪切增稠流体。这对应于剪切稀化流体的沟道效应。中间制度对应于一个渐进的和不均匀的局部流变变化。然后，根据压力梯度范围来表征该瞬态状态。并对流场进行了统计分析。流变阈值以上的区域的空间分布显示出有趣的统计特性。例如，它们表现出多尺度特征（分形），类似于其他临界系统（渗流，雪崩等）。更令人惊讶的是，即使一些统计特性是独立的参数，一个有趣的突然旋转的相关性被发现为一组特定的参数。这是通过使用问题的一些对称性来解释的。
2022-03-25 physics.flu-dyn
Percolation and conductivity in evolving disordered media
针对键电导随时间演化的无序介质，提出两种渗流模型，研究其电导率演化规律，发现其一属传统普适类，另一产生非普适标度指数。
2023-07-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Dynamics of contaminant flow through porous media containing random adsorbers
针对含惰性与反应性材料的多孔介质的空间化学异质性问题，结合实验与模拟研究绿色屋顶土壤基质中生物炭吸附污染物的动力学特性，提出分析模型，发现均匀粒径床层吸附效果更优，为提升生物炭性能提供依据。
2025-08-26 physics.flu-dyn
Solute dispersion boosts the phoretic removal of colloids from dead-end pores
Yale University（耶鲁大学）
研究探讨了溶质分散对死端孔隙中胶体非平衡迁移的影响，发现溶质前沿的扩散增强了胶体去除，尽管局部梯度减弱，但整体迁移效率提高。
2025-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Quantifying Injection-Driven Interphase Mass Transfer within Porous Media via Time-Elapsed X-ray micro-Computed Tomography
University of Tennessee - Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校）；University of Sydney（悉尼大学）；University College London（伦敦大学学院）；Australian National University（澳大利亚国立大学）
本文通过时间序列X射线微焦点计算机断层扫描评估三种分析方法在不同溶剂注入速率下的氢溶解过程，引入体积比过滤技术以减少溶解驱动的簇再移动偏误，发现三种方法在平均质量传递系数上差异较小，但对复杂现象的估计差异显著，研究结果为研究人员提供了选择分析方法的框架。
2026-10-21 physics.data-an physics.flu-dyn physics.geo-ph
