Modelowanie transportu reaktywnego w ośrodkach porowatych

Modelowanie transportu reaktywnego w ośrodkach porowatych odnosi się do tworzenia modeli komputerowych integrujących reakcję chemiczną z transportem płynów przez skorupę ziemską . Takie modele przewidują rozkład w czasie i przestrzeni reakcji chemicznych zachodzących na ścieżce przepływu. Modelowanie transportu reaktywnego ogólnie może odnosić się do wielu innych procesów, w tym reaktywnego przepływu chemikaliów przez zbiorniki, reaktory lub membrany; cząstki i gatunki w atmosferze; gazy wydostające się z komina; i migracji magmy.

Przegląd

Modele transportu reaktywnego są konstruowane w celu zrozumienia składu wód naturalnych; geneza ekonomicznych złóż mineralnych ; powstawanie i rozpuszczanie skał i minerałów w formacjach geologicznych w odpowiedzi na wtłaczanie odpadów przemysłowych, pary wodnej lub dwutlenku węgla ; oraz powstawanie kwaśnych wód i wypłukiwanie metali z odpadów kopalnianych . Często polega się na nich przy przewidywaniu migracji chmur zanieczyszczeń; mobilność radionuklidów w składowiskach odpadów ; i biodegradacji chemikaliów na składowiskach . W przypadku zastosowania do badania zanieczyszczeń w środowisku znane są jako modele losu i transportu.

Rozwój reaktywnego modelowania transportu

Nowoczesne modelowanie transportu reaktywnego wyrosło z kilku odrębnych szkół myślenia. Hydrologowie zajmujący się przede wszystkim fizyczną naturą transportu masy przyjęli stosunkowo proste sformułowania reakcji, takie jak współczynniki rozkładu liniowego lub terminy rozpadu liniowego, które można było dodać do równania dyspersji adwekcji . Zakładając na przykład liniową, równowagową sorpcję , równanie adwekcji-dyspersji można zmodyfikować za pomocą prostego współczynnika opóźnienia i rozwiązać analitycznie . Takie rozwiązania analityczne ograniczają się do stosunkowo prostych układów przepływowych i reakcji.

modele geochemiczne zostały opracowane w celu zapewnienia termodynamicznych opisów układów wieloskładnikowych bez względu na transport. Modele ścieżek reakcji stworzono na przykład w celu opisania sekwencji reakcji chemicznych wynikających z chemicznego wietrzenia lub zmian hydrotermalnych w systemach wsadowych pod względem ogólnego postępu reakcji. Przyjmując ramkę odniesienia pakietu płynu i traktując postęp reakcji jako czas podróży (lub odległość wzdłuż ścieżki przepływu), model ścieżki reakcji wsadowej można by traktować jako opisujący transport adwekcyjny przez warstwa wodonośna .

Najbardziej wyrafinowane wieloskładnikowe modele transportu reaktywnego uwzględniają zarówno reakcję, jak i transport. We wczesnych badaniach opracowano teoretyczne podstawy modeli transportu reaktywnego oraz narzędzia numeryczne niezbędne do ich rozwiązania, a następnie zastosowano je do problemów związanych z transportem i przepływem reaktywnych zanieczyszczeń przez reagujące systemy hydrotermalne.

Modele transportu reaktywnego znalazły w ostatnich latach coraz większe zastosowanie wraz z udoskonaleniem mocy komputerów osobistych i oprogramowania do modelowania .

Procesy rozpatrywane w modelach transportu reaktywnego

Modele transportu reaktywnego łączą dużą liczbę reakcji chemicznych z transportem masy. Niektóre zastosowania, takie jak energii geotermalnej i modelowanie złóż rud , wymagają dodatkowych obliczeń wymiany ciepła . Ponadto w modelowaniu sekwestracji węgla i szczelinowania hydraulicznego może być konieczne opisanie deformacji skał wynikających z wzrostu minerałów lub nienormalnie wysokiego ciśnienia płynu. Opis transportu przez strefę nienasyconą i modelowanie przepływu wielofazowego w zastosowaniu do transportu ropa naftowa i gaz ziemny ; ciecze fazy niewodnej ( DNAPL lub LNAPL ); a dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym wymaga coraz bardziej złożonych modeli, które są podatne na znaczną niepewność.

W wielu przypadkach procesy symulowane w modelach transportu reaktywnego są ze sobą ściśle powiązane. Na przykład rozpuszczanie i wytrącanie minerałów może wpływać na porowatość i przepuszczalność domeny, co z kolei wpływa na pole przepływu i prędkość wód gruntowych. Transport ciepła ma duży wpływ na lepkość wody i jej zdolność do przepływu. Poniżej znajduje się wiele procesów fizycznych i chemicznych, które można symulować za pomocą modeli transportu reaktywnego.

Reakcje geochemiczne :

Transport masowy:

Transport ciepła:

Średnie odkształcenie:

  • Kompresja lub rozszerzenie domeny
  • Powstawanie pęknięć

Rozwiązywanie modeli transportu reaktywnego

Niektóre z najprostszych problemów związanych z transportem reaktywnym można rozwiązać analitycznie. Tam, gdzie równowagowa sorpcja jest opisana przez liniowy współczynnik dystrybucji, na przykład prędkość sorpcyjnej substancji rozpuszczonej jest opóźniona w stosunku do prędkości niereaktywnego znacznika; prędkości względne można opisać współczynnikiem opóźnienia. Rozwiązania analityczne to dokładne rozwiązania rządzących równań.

Złożone problemy transportu reaktywnego są częściej rozwiązywane numerycznie. W tym przypadku równania rządzące są przybliżane, aby można je było rozwiązać za pomocą algorytmów komputerowych. Równania rządzące, w tym warunki reakcji i transportu, można rozwiązywać jednocześnie za pomocą jednoetapowego lub globalnego symulatora niejawnego. Ta technika jest prosta koncepcyjnie, ale bardzo trudna obliczeniowo.

Zamiast rozwiązywać wszystkie odpowiednie równania razem, równania transportu i reakcji chemicznej można rozwiązać osobno. Rozdzielanie operatorów , jak nazywa się tę technikę, wykorzystuje odpowiednie techniki numeryczne do rozwiązywania równań reakcji i transportu w każdym kroku czasowym. Istnieją różne metody, w tym sekwencyjne podejście nieiteracyjne (SNIA), dzielenie Stranga i sekwencyjne podejście iteracyjne (SIA). Ponieważ warunki reakcji i transportu są obsługiwane oddzielnie, oddzielne programy dla reakcji wsadowej i transportu mogą być ze sobą połączone. Oprogramowanie re-entrant z możliwością łączenia krzyżowego zaprojektowane do tego celu obiekty w łatwy sposób umożliwiają budowę modeli transportu reaktywnego o dowolnej konfiguracji przepływów.

Wyzwania

Reaktywne modelowanie transportu wymaga wkładu z wielu dziedzin, w tym hydrologii , geochemii i biogeochemii , mikrobiologii , fizyki gleby i dynamiki płynów . Numeryczne sformułowanie i rozwiązanie problemów związanych z transportem reaktywnym może być szczególnie trudne ze względu na błędy powstające w procesie sprzęgania, wykraczające poza te właściwe dla poszczególnych procesów. Na przykład Valocchi i Malmstead (1992) opisali potencjalne błędy wynikające z techniki dzielenia operatorów.

Nawet przy braku trudności liczbowych ogólny brak wiedzy dostępnej praktykom powoduje niepewność. Miejsca w terenie są zazwyczaj heterogeniczne , zarówno pod względem fizycznym, jak i chemicznym, a pobieranie próbek jest często rzadkie. Przeważające założenie o dyspersji Ficka jest często niewystarczające. Stałe równowagi i kinetyczne prawa szybkości dla odpowiednich reakcji są często słabo znane. Złożoność wielu procesów wymaga wiedzy specjalistycznej w jednej lub kilku z wyżej wymienionych dziedzin. Wielu procesów, takich jak długoterminowe składowanie odpadów radioaktywnych, nie można zweryfikować eksperymentalnie; reaktywne problemy transportowe mogą jedynie próbować przewidzieć takie długoterminowe zachowanie. Obecne opisy przepływów wielofazowych i procesów odkształceń mechanicznych są wciąż rozwijane.

Programy w powszechnym użyciu

Zobacz też

Dalsza lektura

  •   Appelo, CAJ i D. Postma, 2005, Geochemia, wody gruntowe i zanieczyszczenia. Taylor i Francis, 683 s. ISBN 978-0415364287
  •   Bethke, CM, 2008, Modelowanie reakcji geochemicznych i biogeochemicznych. Cambridge University Press, 547 s. ISBN 978-0521875547
  •   Lichtner, PC, CI Steefel i EH Oelkers (red.), 1996, Reactive Transport in Porous Media. Recenzje w Mineralogii 34 , 438 s. ISBN 978-0-939950-42-3
  •   Merkel, BJ, B. Planer-Friedrich i DK Nordstrom, 2008, Geochemia wód gruntowych: praktyczny przewodnik po modelowaniu naturalnych i zanieczyszczonych systemów wodnych. Springera, 242 s. ISBN 978-3540746676
  •   Zhang, F., GT Yeh i JC Parker (red.), 2012, Modele transportu reaktywnego wód podziemnych. Wydawcy Behtham, 254 s. ISBN 9781608053063
  •   Zhu, C. and G. Anderson, 2002, Środowiskowe zastosowania modelowania geochemicznego. Cambridge University Press, 300 s. ISBN 978-0521005777
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reactive_transport_modeling_in_porous_media&oldid=1088968705 ”