基于孔隙尺度模拟的土壤中流体运移研究

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1、分类号：密级：公开研究生学位论文论文题目（中文）基于孔隙尺度模拟的土壤中流体运移研究THERESEARCHOFFLUIDMIGRATIONINSOIL论文题目（外文）USINGTHEPORE-SCALEMODELLINGMETHOD研究生姓名胡五龙学科、专业力学·工程力学研究方向环境流体力学学位级别博士导师姓名、职称黄宁教授论文工作起止年月2011年9月至2015年10月论文提交日期2015年10月论文答辩日期2015年11月学位授予日期校址：甘肃省兰州基于孔隙尺度模拟的土壤中流体运移研究摘要土壤中水盐及气体运移直接影响农业生产、生态环境、动植物及微

2、生物生命活动等，研究土壤中流体运移有着非常重要的意义。由于技术条件的限制，以前人们在研究土壤中流体运动时只能基于实验提出一些经验或半经验的公式，并在此基础上构建模型。而这些模型及参数往往都只是宏观平均化的结果，没有真正反映出土壤结构的空间变异性，更无法从细节处描述流体运动状态。因此从微观孔隙尺度上对流体运动进行模拟研究，揭示宏观层面土壤中流体运动现象的微观机理非常必要。土壤中含有很多不同直径的孔隙，这些孔隙是水盐运移和气体交换的主要通道，从孔隙尺度对不同直径的土壤孔隙中流体运移进行模拟研究，有利于理解土壤中流体运移规律，对改善土壤生态坏境、提高农业林

3、业生产及防治污染物扩散等有非常重要的指导意义。本文采用X线断层扫描摄影和孔隙尺度模拟方法直接计算流体在土壤中的运移过程，对流体在土壤中运移的一些特性进行了分析和研究。通过模拟不同饱和度条件下溶质从团聚体间孔隙通过分子扩散进入团聚体内部的过程，得到团聚体内外质量交换率随时间的变化；基于质量交换率与记忆函数的关系，利用记忆函数描述溶质质量交换率，提出记忆函数模型并推广至反应性溶质；模拟不同平均孔隙直径条件下气体在土壤中的扩散过程，得到了气体有效扩散系数随孔径的变化；结合尘气模型提出一种求孔隙介质中气体有效扩散系数的新方法。本文主要研究成果如下：1.提出并

4、验证了孔隙尺度模拟团聚体内外溶质质量交换过程的方法，并利用该方法模拟了不同饱和度条件下溶质从团聚体间孔隙通过分子扩散进入团聚体内部的过程，得到团聚体内外溶质质量交换率随时间的变化规律，探讨了饱和度对质量交换率的影响。2.利用记忆函数来描述溶质质量交换率，得到了记忆函数的理想表达式，并将结果推广至线性衰减的反应性溶质；证明了饱和度对质量交换率的影响实质上是团聚体表面与水接触面积的作用。3.提出了孔隙尺度模拟土壤中气体扩散过程的方法，利用该方法分别模拟了（1）只考虑克努森扩散；（2）只考虑分子扩散；（3）同时考虑克努森扩散和分子I扩散，三种情况下氧气在不

5、同孔径土样中扩散过程，研究了三种情况下气体有效扩散系数之间的关系及平均孔隙直径对气体有效扩散系数的影响。4.提出并验证了可用于求多孔介质中气体有效扩散系数的尘气模型一般形式，并得到了由平均孔径求有效克努森扩散系数的表达式，由此提出了一种非常简单且精确的求孔隙介质中气体有效扩散系数的新方法。本文得出的记忆函数表达式可以用来模拟实际非饱和土壤中溶质质量交换率；而尘气模型一般形式及有效克努森扩散系数表达式可以应用于实际求解任意多孔介质中气体有效扩散系数。另外，通过本文研究，从微观机理方面揭示了土壤中溶质质量交换及气体扩散过程中的规律及影响因子，为更好地描述

6、和预测土壤中流体运移奠定了基础。关键词：孔隙介质，孔隙尺度模拟，两区模型，质量交换率，有效扩散系数，克努森扩散IITHERESEARCHOFFLUIDMIGRATIONINSOILUSINGTHEPORE-SCALEMODELLINGMETHODAbstractThetransportofwater,saltandgasinsoilisdirectlyaffectagriculturalproductionandecologicalenvironment,animalandplantandmicrobiallifeactivities,andsoth

7、ereisasignificantimportancetostudythefluidmigrationinsoil.Duetotechnicallimitations,itwasimprobabletogetthegeometricfeaturesofsoil,sothestudyoffluidmovementinthesoilwasusuallybasedonexperimentsandtoextractsomeempiricalorsemi-empiricalmodels.Howeverwhetherthesemodelsortheparamet

8、ersofthesemodelsaretheaverageofallthefluid,notreflectt