多孔介质中的弥散机制

本文研究三维多孔介质孔隙空间中层流流动的弥散机制。我们关注渐近水动力弥散状态之前的预渐近输运，在该渐近状态下，溶质运动可由平均流速和水动力弥散系数描述。对类砂多孔介质出口处溶质穿透的高性能数值流动与输运模拟，揭示了与水动力弥散范式的显著偏离，并识别出两种不同的状态。第一种状态的特征是单个孔隙中平流停留时间的宽分布。第二种状态的特征是向溶质颗粒尾迹中低速区域的扩散性质量传递。这些机制在输运物质量的标记元（粒子）运动的时间域随机游走框架中被系统地量化。该模型以所考虑多孔介质的特征进行参数化，并捕获了两种预渐近状态。宏观输运由一个溶质浓度的积分-微分方程描述，其记忆核以平均孔隙速度分布和捕获时间分布给出。该方法量化了由宽分布的质量传递时间尺度（包括平流和扩散）在代表性单元体（REV）上引起的物理非平衡。因此，虽然 REV 指示了诸如孔隙度等介质性质能被唯一定义的尺度，但这并不意味着输运可由水动力弥散来刻画。