流体输运动力学

孔隙介质中流体渗流-组分扩散-化学反应耦合过程的动力学~

岩石、土壤和疏松沉积物(下面统称为固体介质)均可以视为孔隙介质或多孔介质。孔隙介质中的流体渗流-组分扩散-化学反应耦合的动力学系统是最常见,也是最重要的地球化学动力学系统。微细裂隙可视为孔隙度和渗透率较大的孔隙区带。现在见到的较大裂隙系统,如脉型矿床系统,可能是在漫长的地质历史中随着矿脉的充填逐渐扩张的,可近似地处理为高孔隙度和渗透率的区带。对于地下溶洞、地表溪流和江河内营养元素和污染元素的迁移富集的环境则不能视为多孔介质。
多孔介质中热流体渗流、化学组分扩散和反应的动力学体系可表示为:

地球化学

上述式中v为孔隙流体的实际流速,q为渗透速率,v=q/φe,φe为有效孔隙度,即连通孔隙度;κ=κ/μ,κ为渗透率系数,μ为流体的粘度系数;g为重力加速度;ρ为流体总密度;z为垂直方向上的坐标;p为流体内压力;t为时间;T表示流体的温度;CE=(1-φ)cmρmφCfρ,为等效热容,cm、cf分别为多孔介质和流体的比热,ρm和ρ则分别为多孔介质和流体的密度,φ为介质总孔隙度;同样,κE=(1-φ)κm+κφf为等效热传导系数,κm、κf则分别为多孔介质和流体的热传导系数;a代表热源(或汇,即去向、聚集区、汇聚区)的强度,如放射性蜕变热、化学反应热等,无热源或汇时a=0;ci、Di和Ri分别代表流体中组分i的浓度、扩散系数和单位时间单位体积内由于流体中或流体与围岩介质反应所导致的组分i的生成(源)或损耗(汇),当主要为溶解-沉淀反应时,Ri的表达式参见式(4.127);ρ0为当流体温度为T0、组分浓度均为零(纯水)时流体的参照密度,α为热膨胀系数,βi为组分i的溶质膨胀系数。
式(4.129a)表明体系内流体速度的散度处处为零,这是不可压缩流体的质量守衡定理的数学表述。式(4.129b)是渗透定律的微分形式,即渗透速率q的大小与水头梯度呈正比,但方向相反,由高水头流向低水头;水头由流体内压力p和流体的重力势gpz构成。式(4.129c)表明流体微团内热能随时间的变化率,可归结为热对流项▽·(ρqcfT)、热传导▽·(κE▽T)和热源项。热对流项前面的负号表示速度梯度方向(由低流速指向高流速)为“流出”方向,导致热的减少。式(4.129d)为流体内组分守恒表述式。组分浓度的变化率同样可归结为对流项▽·(qci)、扩散项▽·(φDi▽ci)和反应项。式(4.129e)为流体本构方程,说明流体密度随温度的增大而减小,随溶解其中的组分浓度的增大而增大。
当测定了待研究系统的各种动力学参数,如孔隙度、渗透率、扩散系数等,并确定了初始条件和边界条件后,即可应用有限元、有限差分等数学方法进行计算机编程和求解,称为计算机模拟。
地质流体输运-反应过程动力学是地球化学动力学的一个十分重要的方面。各种地球化学作用的动力学过程虽千差万别,但几乎均与流体的运动(或称输运)和流体与介质(土壤、岩石等)的化学反应有关。许多地质作用必须有流体参与,另一些地质作用则由于流体的参与而大大加快了。流体的作用往往既涉及流体的输运又涉及流体与周围介质的反应,两者是相互耦合的。无论地幔对流、壳幔交换、岩浆房动力学、热液成矿作用动力学,或表生及环境地球化学动力学等均归属为地质流体输运-反应过程的动力学。所以,地质流体输运-反应过程动力学具有很重要的理论意义。
简单地说,地质流体输运-反应过程的动力学是研究在不同温压条件下地质流体在土壤或围岩介质中的流动与反应。地质流体的输运-反应过程动力学不同于水文学研究的地下水动力学:首先地质流体不限于水,它可以是溶液、气体、甚至粘度很大的岩浆;其次,地下水动力学较少考虑热对流体的驱动作用,也很少涉及流体内各种组分的扩散运动,更少考虑流体与周围介质的化学反应。地质流体的输运-反应动力学也不同于水-岩反应动力学和地质流体力学。水-岩反应动力学相对忽略地质流体对能量和物质的输运,而侧重于流体与周围介质的化学反应机制、反应速率测定;地质流体力学则相对忽略地质流体与周围介质的化学反应,而着重考察流体在地质体中的运动。在许多地质过程中,例如岩浆动力学过程和热液成矿过程中,热(岩浆热)对流体的驱动作用、流体的运动、流体内各种组分的扩散运动以及流体与周围介质(围岩)的化学反应是相互耦合、不可分割的,对这类地质过程动力学的研究属于地质流体输运-反应过程的动力学的范畴。因此,地质流体输运-反应动力学是地球化学动力学和地质流体力学的综合,是今后地学发展的前沿领域。
於崇文近年来提出了“广义地球化学动力学”研究的对象、理论和方法论,指出地球化学系统是复杂的动力系统,地球化学的任务及最终目的是探索地球化学系统的复杂性,阐明复杂性的涌现机制与发展规律。广义地球化学作用可理解为地球物质的运动,广义地球化学动力学的研究涵盖了化学运动、力学运动和磁学运动。於崇文提出了广义地球化学动力学的三大基础理论问题:①广义地质过程的非线性动力学;②“广义地质作用与时-空结构”耦合系统的复杂性;③广义地质学系统的自组织临界性与混沌边缘。这里的广义地质学系统和广义地质过程指所有地质、地球化学、地球物理的系统和作用过程。可见,广义地球化学动力学包含了地球物质运动的全部动力学研究内容。

对含油气盆地的流体动力学研究表明，盆地沉积物沉降过程中会产生流体饱和的减密带。当岩层沉降和温度增高时，矿物和岩石的物性相应地会发生转变，一些矿物转变为另一些矿物，其中结合得最差的组分从矿物结构中被排挤出去。换言之，挥发性组分丢失，首先是水，以及二氧化碳、石油、酸类、烃类和其他气体。岩石发生脱水作用，因此出现减密带，即溶液和熔融体饱和带。产生的流体，首先是水，由于从结合状态转变为游离相，不仅使易溶盐类，而且还使石英、方解石、铝硅酸盐等造岩矿物溶解。流体包裹体成分研究表明，成矿流体为含有少量CO2和CH4、H2的高盐度卤水，且 ＞＞Cl-(表6-4，表6-6)，由此可见，成矿溶液成分中以硫氢络合物占绝对优势。流体包裹体测温研究表明：成矿流体的早期温度高达200～250℃，这对于溶解有少量 和H2S的硫氢络合物溶液搬运成矿金属Pb、Zn是极为有利的。
地壳中含矿流体运移是在岩石孔隙和断裂裂缝中进行，其流体动力学特征有所不同。岩石孔隙包括原生和次生两种类型。它们在岩层中分布密集，比较均匀，相互连通，且主要存在于沉积岩中。因此，孔隙水的分布比较均匀连续，含水层内水力联系密切，且常为具有统一水位的含水层。矿液沿岩石的孔隙运移，在运移过程中，经常有两个主要因素在相互作用，一个是矿液的运移趋势；另一个是岩层对矿液的屏蔽作用。矿液由于有内压力的作用，其运移趋势主要是向上流动，但局部也可以出现向下流动的情况，矿液向上运移时遇到阻挡，而其侧下方又有低压带存在时，则矿液可以局部地向下运动。
岩石中断裂和裂隙的存在是矿液运移的主要通道。网脉状裂隙导水系统中，不同大小的岩石裂隙具有不同的水传导能力。小裂隙张开度小，导水能力弱，但数量多，且密集，因而常有较大的储水量。张开度大但分布较稀疏的大型断裂裂隙具有很强的导水能力，它们在裂隙网络中起着汇水管道的作用。当这些大型断裂裂隙与区域中主要的构造通道连接时，能将矿液集中起来并输送到主要的构造通道中去，并进一步向地壳浅部的低压带流动。并且根据构造在矿液流动和堆积中所起的作用，可以将成矿构造分为导矿构造和储矿构造。导矿构造是沟通矿液并引导它进入矿田、矿床范围内的通道。储矿构造则是矿质沉淀成矿的场所。除断裂构造外，岩层中的层面和层间错动也是矿液运移的良好通道和沉淀场所。当渗透性良好的岩层与导矿断裂交接时，常作为次级导矿构造，而决定了矿液流动的方向和路线。
成矿流体包裹体测温表明，早期石英沉淀时，流体处于相对较高的温度、盐度状态，可以产生巨大的化学梯度变化，使过饱和度急剧增加；而到了后期白云石、方解石等沉淀时，流体的温度、盐度已经有了较大的降低，难以产生太大的化学梯度变化，过饱和度也变化较小，正是这种物理、化学条件的变化导致了后期粗粒闪锌矿和方铅矿的大量形成。这种变化可能与成矿后期另一流体的混入有关。
成矿作用过程中是存在有多种流体的参与的。成矿物质在流体介质中被携带、输运一定距离后，最后在有利的构造-化学条件下沉淀堆积形成矿床。成矿物质自流体中沉淀的基本原因可归结为含矿流体内部出现不平衡状态或是流体与所处环境之间发生不平衡状态。二者都可导致成矿流体相对平衡态的失稳，致使成矿物质大量堆积。目前关于成矿金属元素的迁移形式，主要有三种观点：即混合模式、还原模式和共同迁移模式。研究工作所采样品的包裹体气液相成分分析结果表明，西昆仑地区铅锌矿床成矿流体中以硫氢配合物形式存在的铅锌量远远大于以其他配合物形式存在的铅锌量，从而证实了共同迁移模式的合理性：即成矿金属以硫氢配合物形式迁移，在成矿部位，由于氧逸度的升高，Ph值降低，还原态硫浓度降低，造成硫化物沉淀。
含矿流体P-V-T-X(压力、体积、温度、组分等)以及pH值，Eh值，f(S2)等任何一种条件的改变，都可能导致某些组分从溶液中沉淀下来。在流体密度一定的条件下，它们从高温、高压地区向低温、低压地段迁移，若流体由于外来组分或另一流体的参与而密度发生变化时，流体的流向就会发生改变。如高温、高压的流体(密度较小)中，加入了下渗的大气水(密度大)，则原本向上运移的流体，此时将由于密度的加大而可能改变流向，由密度大向密度小的地段运动，从而改变了成矿的部位或成矿的时间。其次，流体的不混熔和相分离(气-液分离、液-液分异等)、流体的浓缩、流体的混合都是很重要也很常见的成矿机理。大量的矿床地质、矿床地球化学资料表明，很多热液矿床的形成与两种或两种以上成矿流体的混合有关，主要是下渗大气降水与上升深源流体的混合有关。不同流体的混合使体系的温度、组分浓度、Eh值、pH值等发生显著变化，成矿流体的平衡状态遭到破坏，从而引发成矿物质的沉淀。流体的混合受所在地质构造条件的制约，容易发生流体混合的有利构造因素是：①不同方向的两组或更多的断裂交汇处；②断裂或褶皱构造的转折部位；③断层与透水层的交汇处；④沉积盆地底部封闭-半封闭洼地等。

（1）多孔介质中的均质流体动力学模型

多孔隙介质中的流体可当作连续介质处理。当流体的流速较慢时，流体的运动服从达西定律，此时，流体渗流速度与压力梯度呈线性关系。这种流动称为达西型流，把所有偏离这种线性关系的流动称为“非达西型流”，显然非达西型流是非线性的。

均质流体在孔隙介质中的运动，当其为稳定的慢速流动时，可用达西定律来描述，其动力学方程如下：

质量守恒方程：

地球化学原理与应用

动量守恒方程（达西定律）：

地球化学原理与应用

能量守恒方程

地球化学原理与应用

式中：Ф为孔隙度；ρ为流体密度；K为渗透率；μ为流体黏度；P为流体内压力；g为重力加速度；C_E为等效热容；C_j为流体的定压比热容；K_E为等效热传导系数；T为温度；q为流体速率。

在上述动力学方程中，与介质有关的参数如介质热导率、渗透率和孔隙度等在一定规模的地球化学区域内是可变的；但在实际研究工作中，我们可以采用Boussinesq近似法（於崇文等，1993）进行研究，即将研究区划分成若干个小区，在每一个小区中上述参数视为确定的值。也就是说，上述参数是分片定常的，可以从微分号中移出。由于研究区内温度的不均匀性所导致的流体密度的变化率ρ/t或▽ρ均较小，也可从微分号中移出。于是（5.29）式、（5.31）式分别变为：

▽·q＝0 （5.32）

地球化学原理与应用

地球化学原理与应用

（5.34）式表明，热液流体的驱动力除内压梯度▽P外，尚有由密度变化引起的热浮力gρK。

此外，流体密度是温度的函数：

ρ＝ρ₀［1－α（T－T₀）－β（T－T₀）²］ （5.35）

式中：ρ₀为T₀时的参照密度；α，β为常数（热膨胀系数）。

（5.32）式、（5.33）式、（5.34）式、（5.35）式构成了多孔介质中热液运动的完整动力学方程。不同的热液成矿作用体系，除表征热液和介质特征的动力学参数不同外，还在于不同的边界条件和初始条件。

（2）断裂裂隙中的流量动力学模型与双扩散对流理论

双扩散对流是指由于热扩散和物质扩散的双重扩散所引起的流体对流运动。当流体中受热不均匀而存在温度梯度、成分不均匀而存在组分的浓度梯度，并且由于温度梯度引起的密度梯度和由于浓度梯度引起的密度梯度方向相反时就会产生双扩散对流。流体沿陡倾断裂裂隙的流动可简化为两个直立无限大平板之间的运动。热液流体的温度和浓度梯度均平行于此平板。此时，热液流体运动的动力学方程组如下：

连续性方程（质量守恒方程）：

divυ＝0 （5.36）

运动方程（Navier-Stokes方程）：

地球化学原理与应用

热传导方程：

地球化学原理与应用

扩散方程：

地球化学原理与应用

状态方程：

ρ＝ρ₀［1－α（T－T₀）＋a_C（C－C₀）］ （5.40）

上述动力学方程组中包含一系列表征热流体物理特征的参量，如流体的密度ρ，黏度系数υ，扩散系数D，定压比热容C，热导率K，热膨胀系数α，溶质膨胀系数a_C，在实际研究工作中，根据NaCl电解质水溶液的性质，并利用动力学参数的偏摩尔数或表观摩尔数及矿物气液包裹体的成分计算可得到上述动力学参数的值。

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固阳县18536429244： 流体力学的几个基本问题是什么 - ？
大叔药达爽： 流体力学是连续介质力学的一门分支,是研究流体(包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学.可按研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学,还可按应用范围分为水力学,空气动力学等等.理论流体力学的基本方程是纳维-斯...

固阳县18536429244： 流体动力学的应用领域 - ？
大叔药达爽： 流体动力学研究的对象是运动中的流体(流体指液体和气体)的状态与规律. 流体动力学底下的小学科包括有空气动力学(研究气体)和 hydrodynamics(研究液体) 流体动力学(Fluid dynamics)是流体力学的一门子学科. 流体动力学有很大的应用,在预测天气,计算飞机所受的力和力矩,输油管线中石油的流率等方面.其中的的一些原理甚至运用在交通工程.交通运输本身被视为一连续流体,解决一个典型的流体动力学问题,需要计算流体的多项特性,包括速度,压力,密度,温度.

固阳县18536429244： 流体动力学的介绍 - ？
大叔药达爽： 流体动力学是流体力学的一个分支,研究作为连续介质的流体在力作用下的运动规律及其与边界的相互作用.广义地说,研究内容还包括流体和其他运动形态的相互作用.流体动力学与流体静力学的差别在于前者研究运动中的流体;流体动力学与流体运动学的差别在于前者考虑作用在流体上的力.流体动力学包括液体动力学和气体动力学两大部分.它的研究方法也和流体力学一样有理论、计算和实验三种.三种方法取长补短,相互促进.

固阳县18536429244： 流体动力学主要研究什么? - ？
大叔药达爽： 这个不用流体动力学也能解决.压强是是高度的函数,然后对压强乘以对ds,s是面积,的积分就能得到.而流体力学是主要研究在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用...

固阳县18536429244： 什么是流体动力学?？
大叔药达爽： 流体动力学(Fluid dynamics)是流体力学的一门子学科.流体动力学研究的对象是运动中的流体(流体指液体和气体)的状态与规律.流体动力学底下的小学科包括有空气动力学(研究气体)和 hydrodynamics(研究液体).流体动力学有很大的应用,在预测天气,计算飞机所受的力和力矩,输油管线中石油的流率等方面.其中的的一些原理甚至运用在交通工程.交通运输本身被视为一连续流体,解决一个典型的流体动力学问题,需要计算流体的多项特性,包括速度,压力,密度,温度.==流体动力学的方程式==理想气体方程式PV=nRTP是压力,V是气体所占体积,n是摩尔数,R是 理想气体常数,T是温度

固阳县18536429244： 流体力学的本质是什么? - ？
大叔药达爽： 流体力学,是力学门分支,是研究流体(包含气体、液体及等离子体)现象以及相关力学行为的科学.流体力学可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学,前者研究处于静止状态的流体,后者研究力对于流体运动的影响.流体力学按照应用范围,分为水力学及空气动力学等等.流体力学是连续介质力学的一门分支,是以宏观的角度来考虑系统特性,而不是微观的考虑系统中每一个粒子的特性.流体力学(尤甚是流体动力学)是一个活跃的研究领域,其中有许多尚未解决或部分解决的问题.流体动力学在数学上非常复杂,最佳的处理方式是利用电脑进行数值分析.

固阳县18536429244： 流体动力学原理是什么意思? - ？
大叔药达爽： 流体力学概念 流体力学是力学的一个独立分支,是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学. 流体力学所研究的基本规律,有两大组成部分.一是关于流体平衡的规律,它研究流体处于静止(或相对平衡)状态时,作...

固阳县18536429244： 流体力学公式 - ？
大叔药达爽： 流体力学中用于解决问题的方程主要有 1、连续性方程 2、动量方程,三个维度,有三个 3、能量方程 4、以上五个方程并不能使方程组封闭,所以还需要一个经验公式(一般是一些湍流模型) 有了以上四组方程,再用数值计算方法编个 程序就可以算出流场的数值解了

固阳县18536429244： 什么是流体力学? - ？
大叔药达爽： 流体力学是力学的一个分支,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律. 流体力学中研究得最多的流体是水和空气.它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律,常常还要用到热力学知识,有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识.

固阳县18536429244： 水力学的三大方程是什么 ？
大叔药达爽： 一、水力学(流体动力学)三大方程分别指:1、连续性方程--依据质量守恒定律推导得出.2、能量方程(又称伯努利方程)--依据能量守恒定律推导得出.3、动量方程--...