模拟地下或其他多孔介质中的流体流动在许多工程领域中是常见的，例如农业、化学、土木和核工程。为了帮助工程师和科学家模拟不同类型的多孔介质流，COMSOL Multiphysics软件提供了一套全面的物理接口。今天，我们将讨论您可以使用的各种接口，并讨论如何为您的应用程序选择最佳接口。

　　在宏观尺度上模拟微观流动

　　在19世纪世纪，一位名叫亨利·达西的法国工程师开创了流体通过多孔介质流动的研究。当在沙子上进行实验时，他发现多孔介质中流体的流速与施加在其上的水力成正比。这后来被称为达西定律。

　　毛细流动通过多孔介质(砖)的实验。汉王的形象——自己的作品。根据许可抄送-服务协议，通过维基共享空间。

　　在宏观尺度上模拟多孔介质流涉及数值求解达西定律，包括后来的扩展，如边缘克曼方程。即使有可能在微观层面上模拟多孔介质的流动，比如在这里孔隙尺度流动示例，宏观方法更有效。这种方法忽略了孔隙的详细结构，并通过两个关键的宏观量来表示多孔介质的性质:孔隙度和渗透率。这大大降低了计算成本。我们将在今天的文章中关注宏观方法。

　　COMSOL多物理中正确选择多孔介质流动界面

　　COMSOL Multiphysics提供了几个物理接口来模拟多孔介质和地下流动。在本节中，我们用一个河岸的例子来帮助解释这些界面以及如何在它们之间进行选择。

　　模型树，显示多孔介质和地下流动界面。

　　现在，让我们想象在阳光明媚的日子里，有一条河流流经农村，如下图所示。在我们的例子中，河水浸透了河岸的土壤，其中包含一条深深的裂缝。水位将河岸分成两个区域，一个是完全被水饱和的潜水区域，另一个是不饱和的渗流区域。

　　河岸的横截面图和适用于各种流态的控制方程。

　　让我们来看看每个流动状态及其适用的物理界面。

　　自由流动:纳维尔-斯托克斯方程

　　河道中的流体流动受纳维尔-斯托克斯方程。根据雷诺数，您可以通过选择单相流界面之一(例如层流接口)。这些界面计算速度和压力。

　　多孔介质中的快速流动边缘克曼方程连接

　　河床附近的潜流区的潜流通常用边缘克曼方程来描述。边缘克曼方程解释了多孔介质中快速流动的流体，流体速度、压力和重力的动能驱动流动。与纳维尔-斯托克斯方程相似，这些方程扩展了达西定律，描述了粘性剪切对动能的耗散。因此边缘克曼方程界面非常适合模拟多孔介质中的快速流动，包括达西定律控制的多孔介质中的慢速流动和纳维尔-斯托克斯方程描述的通道中的快速流动之间的过渡。这边缘克曼方程接口计算速度和压力。

　　请注意自由多孔介质流界面求解多孔区域的边缘克曼方程和流体区域的纳维尔-斯托克斯方程。或者，您可以添加一个层流接口并打开启用多孔介质域，它给出了与自由多孔介质流界面。

　　显示的设置启用多孔介质域中的选项层流界面，它解决了多孔区域中的边缘克曼方程。

　　在我们的Forchheimer Flow教程模型自由区的纳维尔-斯托克斯方程和多孔区的边缘克曼方程描述了流动。

　　福克海默流动教程模型，演示了如何耦合开放通道和附加多孔块中的流体流动。

　　多孔介质中的缓慢流动达西定律连接

　　达西定律描述了主要由压力梯度驱动的完全饱和多孔介质中流体通过空隙的运动。我们可以使用达西定律模拟含水层或河流中流动的水的界面。在多孔介质中，孔壁阻碍动量传递到单个孔外部的流体。因此，流体中剪应力引起的动量传递可以忽略不计。虽然达西定律界面仅计算压力，速度场由压力梯度、流体粘度和渗透率决定。

　　这老年问题通过将达西定律和溶质运输接口。

　　可变饱和多孔介质理查兹方程连接

　　到目前为止，我们讨论的所有控制方程都假设多孔介质完全饱和，而理查兹方程描述水在非饱和土壤中的运动。因此，我们可以使用理查兹方程模拟部分饱和多孔介质的界面，如地下水位附近河岸的流体运动。

　　我们可以用理查兹方程来检验可变饱和土壤中的饱和水平，如下所示教程模型。

　　这种界面解释了流体通过介质时水力性质的变化，填充一些孔隙，排出另一些孔隙。流体保留模型(例如范基诺登或布鲁克斯-科里模型)被构建在这个界面中。类似于达西定律界面中，仅计算压力理查兹方程界面。理查兹方程是非线性的，因为水力特性随饱和度而变化，这使得数值计算具有挑战性。

　　沿着表面流动断裂流连接

　　我们可以使用断裂流模拟固体或多孔介质中裂缝流动的界面。在这个界面上，达西定律沿着表面(或者沿着2D模拟中的一条线)求解。裂缝性多孔介质中的流动通常沿着裂缝移动得更快。它也能以慢得多的速度流过周围基质块中的微孔。因此断裂流接口可以与达西定律或者理查兹方程界面。这在离散断裂教程，它在多孔区域将断裂流动与达西定律耦合。

　　两相多孔介质流两相达西定律连接

　　研究两相多孔介质流动，例如油藏中的流动，通常是石油工业中的人们感兴趣的。为了模拟这个概念，我们可以使用两相达西定律接口，它扩展了达西定律界面。除了计算压力之外两相达西定律界面求解一个流体相的流体含量的传输方程。流体性质，如密度和粘度，根据每相的饱和度和性质进行平均。

　　我应该选择哪个界面?

　　在下表中，我们总结了可用的多孔介质流动界面。看到了吗产品规格图有关每个接口所需附加模块的更多详细信息。

　　关于多孔介质和地下水流界面的总结性思考

　　在这篇文章中，我们讨论了COMSOL Multiphysics中可用的不同多孔介质和地下流动界面。你也可以很容易地把这些接口和其他物理结合起来学习孔隙弹性,地热过程,农药径流,含水层特征，等等。