达西流 - 有限差分解

计算科学 流体动力学 计算物理学
2021-12-11 03:45:17

我想使用有限差分来模拟通过多孔介质的流体流动。由于我是这种数值技术的新手,所以我有一个简单的问题。

我使用以下一组方程来计算水量或孔隙率随时间的变化。

qx=KdPdx

qy=K(dPdy+φg)

dϕdt=qxdx+qydy

在哪里K,P,g,q,φ,ϕ是常数、压力、重力、流速、流体密度和孔隙率。

我知道如何求解沿 x 轴的流体流动的地下水流动方程:

dϕi,jdt=KPi1,j2Pi,j+Pi+1,jdx2+???

但是如何将重力项纳入沿 y 轴的流体流动?这会是正确的解决方案吗?

dϕi,jdt=KPi1,j2Pi,j+Pi+1,jdx2+KPi,j12Pi,j+Pi,j+1+φgdy2

2个回答

不,这是不对的。

首先,我假设你的意思是你写过的任何地方的偏导数d. 其次,你的公式:

dϕdt=qxdx+qydy
应该是:
ϕt=qxx+qyy
接下来,我假设你用写重力项的地方你打算写,否则,你需要给出的定义。
ϕt=q
φϕφ

最后,鉴于以上所有,你可以看到你的方向项应该有的一阶导数: 在这里我假设应该只乘以定义中的第一项,但如果两者都是,那么你应该在第二项的系数中也有一个yϕ

qyy=y(KPy+ϕg)=y(KPy)+gϕy
KqyK

基于此,您的公式中鉴于这使这个问题成为对流扩散问题,您可能需要非常小心如何实现它。ϕ

首先,比尔在他的回答中所说的一切都是正确的。你必须对这里的命名相当严格。您看到的“达西定律”的老派表达类似于以下内容:

Q=KAμ(PbPa)L

它更经常以以下形式呈现

Q˙=KμP

它提供了一个简单的刺激响应关系,类似于电子学中的欧姆定律和菲克扩散定律。的方向上产生体积流速,并将标量粘度和介质渗透率联系起来。将重力视为产生压力梯度的力。 Q˙P

达西流本质上是稳定的状态,通过一些环向跳跃,您可以获得一对可解的方程,以获得达西流定律和连续性的满足。省略数学和符号杂耍,你重新排列得到一对这样的方程:

~P~=~2v~

~2P~=0

您可以相当干净地将其描述为稀疏矩阵或通过其他一些方法解决。所有这些都在我的论文中进行了概述,恰好标题为“随机流动的性质和随机多孔介质的渗透性”我还实现了一个有限差分求解器,可以在 2、3 和更高维度上求解这些方程。

秘密可怕的困难部分是让所有 BC 的权利:)