地下水流モジュール

地球物理現象を理解し, 地下のプロセスを解析する

私たちの地球は, 複雑な物理プロセスによって支配されている, 複雑な多孔質構造からなる巨大な実験室です. これらのプロセスの多くは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンである地下水流モジュールで解析できます.

地下水流モジュールには, 多孔質材料の単相および多相流をモデル化する機能が含まれています. また, 地下の熱と物質移動を説明し, その多孔弾性挙動を解析するための高度な機能も提供します.

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Aurora Borealis カラーテーブルで速度を示す破砕された貯留層モデル.

地下水流は多くの地球物理特性に影響を与える

高度な多孔質媒体モデリングの必要性は, 多くの業界とアプリケーションに及びます. 地下水流モジュールは, さまざまな業界の農業, 土木, 環境のエンジニアや科学者が地下の流れを解析し, その設計とプロセスを最適化するのに役立ちます.

COMSOL Multiphysics® を使用すると, 多孔質媒体が水文学, 地盤工学アプリケーション, 貯留層工学, および環境工学の輸送プロセスに与える影響をシミュレートできます. このソフトウェアは, モデル化されている地下の多孔質媒体の流れのタイプに固有の方程式を自動的に設定して解く包括的なモデリング機能を提供します.

浅水方程式

浅水方程式を使用すると, 水平方向の長さのスケールが垂直方向の長さのスケールよりもはるかに大きいという条件下で, 自由表面の下の流れをモデル化できます. たとえば, 方程式を使用して, 津波と洪水の影響をモデル化できます. ナビエ・ストークス方程式を深さ平均することで方程式を得ることができます. 従属変数は, 水深と運動量流束です.

地下水流モジュールの特徴と機能

地下水流モジュールは, 地下環境における流れやその他の現象をモデル化する機能を提供します.

多孔質媒体ノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図とグラフィックスウィンドウの 2D プロット.

多孔質媒体中の遅い流れ

ダルシーの法則は, 圧力勾配によって駆動される完全に飽和した多孔質媒体の隙間を通る流体の動きを説明しており, 流体のせん断応力による運動量の輸送は無視できます. ダルシー則インターフェースは圧力を計算し, 速度場は圧力勾配, 流体粘度, 透過性によって決定されます.

多孔質マトリックスノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図と, グラフィックス ウィンドウ内の3Dモデル.

可変飽和多孔質媒体流れ

Richards 方程式は, 部分的に飽和した多孔質媒体を通る流体の流れを記述し, 流体がいくつかの細孔を満たし, 他の細孔から流出する際の水力特性の変化を説明します. Richards 方程式インターフェースには, van Genuchten モデルや Brooks-Corey モデルなどから選択できる組み込みの流体保持モデルが含まれています. ダルシー則インターフェースと同様に, 圧力のみが計算されます. Richards 方程式は, 水理特性が飽和に基づいて変化するため, 非線形です.

相変化材料ノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図と, グラフィックスウィンドウ内の氷包含モデル.

多孔質媒体中の熱伝導

多孔質媒体内の熱伝達は, 伝導, 対流, および分散によって発生します. 分散は, 多孔質媒体内の液体の曲がりくねった経路によって引き起こされ, 平均対流以外の追加の効果を含めることによって説明されます. 多くの場合, 固相は導電率の異なる複数の材料で構成されている可能性があり, 多数の異なる流体が存在する可能性もあります. 伝熱 (多孔質媒体) インターフェースはこれらの要因を自動的に考慮し, 効果的な伝熱特性を計算するための混合則が提供されます.

細孔空間内の流体は, 1つまたは複数の相転移を起こすこともできます. これは, 土壌の凍結プロセスをモデル化する際に重要です. 特殊な相変化材料機能を使用すると, 2つの材料と相変化特性 (相変化温度, 遷移間隔, および潜熱) を指定することにより, このプロセスおよび類似のプロセスをモデル化できます.

ハイライトされたクリープ流れノードと, クリープ流れモデルと多孔質媒体流れモデルの一部を示すモデルビルダーの拡大図.

層流およびクリープ流れ

最大限の柔軟性を得るために, 地下水流モジュールには, 自由媒体および多孔質媒体の流れをシミュレートする機能が含まれています. 比較的低いレイノルズ数での非定常および定常流のモデル化は, 層流およびクリープ流れインターフェースを使用して可能です. 流体の粘度は, 局所的な組成と温度, または流体の流れと組み合わせてモデル化されたその他の場に依存する場合があります.

多孔弾性ノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図. グラフィックスウィンドウにはレインボーカラーテーブルに多面井戸モデルが表示されています.

多孔質弾性

圧縮と膨張は, 多孔質マトリックスの線形弾性材料モデルとダルシーの法則の非定常定式化を組み合わせた, 多孔質弾性専用のフィジックスインターフェースでモデル化できます. 流体の流れは多孔質媒体の圧縮率に影響を与え, 体積ひずみの変化は物質輸送に影響を与えます. これらの効果を有効にするために, 多孔質弾性マルチフィジックスインターフェースには, 体積ひずみの関数としての応力テンソルの式と, Biot-Willis 係数が含まれています.

ブリンクマン方程式インターフェースが選択されたモデルビルダーの拡大図. グラフィックスウィンドウのレインボーカラーテーブルに多孔質媒体モデルが表示されています.

多孔質媒体中の高速流れ

ブリンクマン方程式は, 流体の速度, 圧力, および流れを駆動する重力による運動ポテンシャルを使用して, 多孔質媒体内の高速で移動する流体を説明します. ブリンクマン方程式インターフェースは, ダルシーの法則を一般化して, ナビエ・ストークス方程式と同様に, 粘性せん断による運動エネルギーの散逸を計算します. さらに, CFD モジュール を使用すると, 多孔質媒体内の高速流れと乱流を組み合わせることができます.

グラフィックスウィンドウ内の多孔質マトリックス設定と 2つの 2D プロットの拡大図.

非ダルシー流れ

ダルシーの法則とダルシーの法則に対するブリンクマンの修正は, 細孔内の格子間速度が十分に低く, クリープ流れの近似が成り立つ場合にのみ適用されます. 格子間速度が高い場合は, 追加の非線形補正を運動量方程式に含めることができます. 多孔質媒体内の非ダルシー流れをモデル化するために, 地下水流モジュールで利用できる複数の浸透率モデルがあります. ブリンクマン方程式インターフェースには, Forchheimer モデルと Ergun モデルが含まれ, ダルシー則インターフェースと多孔質媒体内多相流インターフェースには, Forchheimer, Ergun, Burke–Plummer, Klinkenberg モデルが含まれます.

流体および亀裂プロパティノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図と, 亀裂のある貯留層モデルを含む 2 つのグラフィックスウィンドウ.

亀裂流れ

多孔質媒体内の亀裂は, 多孔質マトリックスを通過する流れ特性に影響を与えます. 亀裂流れインタフェースは, ユーザー定義の開口に基づいて, 3D マトリックス内の内部 (2D) 境界の圧力を求解します. 計算された圧力は, 周囲のマトリックス内の多孔質媒体の流れを記述するフィジックスと自動的に連成されます. これにより, 亀裂のメッシュ作成に必要な時間と計算リソースを節約できます.

多孔質媒体内の多相流設定の拡大図. 連成インターフェースセクションが展開され, グラフィックスウィンドウ内のレンズモデルが表示されます.

多孔質媒体内の多相流

相輸送の機能をダルシー則インターフェースと組み合わせて, 任意の数の相を持つ多孔質媒体内の多相流をシミュレートできます. ユーザーは, 相間の相対浸透率や毛細管圧などの多孔質媒体の特性を指定できます. これらの特性は, 多孔質媒体の相輸送インターフェースをダルシー則インターフェースに接続するマルチフィジックスカップリングを使用して相間で受け渡されます.

流体ノードが強調表示されたモデルビルダーの拡大図と, グラフィックスウィンドウ内の溶質輸送モデル.

多孔質媒体および破砕における化学種輸送

COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェア は, 任意の数の化学種の対流, 拡散, 分散, 吸着, および揮発による希薄溶液または混合物の物質輸送を定義するための直感的に使用できる機能を提供します. これらの機能は, 地下水流モジュールと化学反応工学モジュールを組み合わせることで, 可逆, 不可逆, および平衡反応速度論の定義に簡単に関連付けることができます. 地下水流モジュールを使用すると, この機能を多孔質媒体と亀裂に拡張できます.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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