考虑扩散势作用的多离子扩散模型及影响因素分析

扩散是成岩作用、溶质在沉积物和地下水中运移等过程中的重要机制。实际工程中主要是多离子共存系统,已有研究忽略了离子带电产生的静电效应对扩散进程的影响,使得各离子间的相互作用在扩散模型中未得到体现。基于经典Fick定律,考虑离子间静电效应产生的扩散势作用,借助电中性约束条件,通过推导建立了考虑扩散势作用的多离子扩散模型,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对多离子的扩散行为开展了数值模拟,重点分析了扩散势影响因素的作用。结果表明:扩散势对阳离子的扩散具有加速作用,对阴离子的扩散具有阻滞效果。当阴离子扩散系数相同时,扩散势对离子的加速作用随阳离子扩散系数的减小逐渐增强。当溶液中阴、阳离子扩散系数均固定时,扩散势对离子的加速作用随离子价位的增加略有提高。     

带电性黏土介质多离子体系扩散模型

污染物在黏土防渗层中扩散时，不仅需考虑污染物离子自身活性，还须考虑黏土介质自身带负电特性这一离子存在环境对扩散进程的影响。通过对电场作用下的活度系数进行修正并引入电化学势描述方程，建立了适用于带电性黏土介质的基于动量平衡的多离子体系扩散模型。由于所建模型的复杂性，选用多物理场仿真软件ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ开展数值模拟，揭示了多离子体系在黏土垫层中的运动规律。数值结果表明:随着污染物离子初始浓度的增大，考虑土体带电特性及离子活性对扩散进程的阻滞效果越来越明显。     

基于动量平衡的多离子体系扩散模型

多组分溶质共存是实际固废堆场渗滤液的典型特征。与单种离子的扩散过程相比,不同离子间的相互作用以及离子与土体骨架间的相互作用会影响离子在黏土防渗垫层中的扩散进程及规律。在两尺度框架内(微观尺度和宏观尺度),基于有效浓度描述的离子微观质量平衡方程和动量平衡方程,采用体积平均技术,推导了离子的宏观质量和动量平衡方程,构建了一个适用于多孔介质材料的可考虑孔隙液相组分活性的多组分溶质非线性扩散理论框架。从理论层次实现了对离子在黏土垫层中的扩散机制以及相关驱动力的全面描述,所建理论框架具备理性化和系统化。通过给定相关驱动力具体的本构方程,建立了多离子体系在黏土垫层中的扩散模型。     

考虑尿素浓度对SWCC影响的VG模型

利用Tempe压力膜仪,进行了不同浓度尿素溶液的土-水特征曲线(SWCC)试验,得出了不同SWCC的Van Genuchten(VG)拟合模型。结合各VG模型,采用线性回归分析,确定了模型中各参数与尿素浓度的关系,进而建立了能够考虑尿素浓度影响的VG模型。所得模型中各参数拟合相关度均较高。由所建模型可知,尿素浓度对参数α影响较小,而对参数n影响较大;浓度越大,参数α越小,而参数n越大。所得结果弥补了其他方法不能考虑尿素浓度对SWCC的影响,对补充和发展SWCC试验和理论具有一定的意义。所建SWCC模型未考虑尿素浓度对溶质吸力的影响,也未开展尿素溶液对土体SWCC影响机理研究;这两方面有待以后的工作进一步研究。     

考虑组分活度的多组分污染物扩散模型

在处置固体废弃物时多采用具有隔离和屏障作用的压实黏土衬垫体系,其渗透性极低,渗滤液溶质在其中的主要运移方式为扩散。针对各类堆场渗滤液中多组分污染物并存的实际工程现象,研究了多组分污染物在防渗黏土垫层中的扩散规律。基于混合物组分线性动量平衡,引入可考虑组分有效浓度的活度系数,建立了多组分污染物在黏土垫层中的一维扩散模型。使用有限元软件COMSOL Multiphysics对所建扩散模型进行求解,揭示了多组分污染物在黏土垫层中的扩散规律。结果表明:与单组分污染物扩散相比,多组分污染物共存时组分活度的引入对独立组分的扩散起到了阻滞作用。研究结果能够为各类堆场设计合理经济的防渗隔污屏障提供理论依据。     

T型微通道中电渗流及混合的浓度效应分析

电渗流及混合在微流控芯片中具有广泛的应用。该文采用Laplace方程、Navier-Stokes方程和Nernst-Plank方程描述微通道中的外加电场、速度流场和离子浓度场,基于有限元法研究了离子浓度对微通道中电渗流及其混合过程的影响。讨论了电导率、ζ电势和介电常数对微通道内不同物理场的影响规律,定量分析了T型微通道内的混合效率。结果表明,在考虑离子浓度影响的变量模型中,微通道内电场、流场和离子浓度呈非对称分布;常量模型中,电场、流场和离子浓度呈对称分布。微通道入口溶液浓度差相同时,常量模型的混合效率比变量模型的低得多。变量模型中,溶液的混合效率随着入口溶液浓度差的增加而增大。     

非恒定非均匀泥沙数学模型的建立和应用

应用圣维南方程以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙的计算公式，并根据沙量平衡方程和河床变形方程推求出了三门峡库区河底高程的变化规律。结果表明：①计算结果与实际资料符合良好，表明此模型在非恒定输移计算方面具有较好的精度；②模型不仅能够模拟上、下游的流量、水位、沙量过程线，还可以计算各时段河底高程的变化；③模型还需要在应用中不断利用实际资料进行检验和修正。     

圆射流在非恒定横向流中的掺混扩散

运用RNG k-ε湍流模型对圆射流在非恒定横向流中的的混合、扩散行为进行了数值模拟研究。采用计算流体动力学程序FLUENT解控制方程。选择了与前期实验模拟相同的2组参数进行数值计算，浓度场的数值与实验结果符合得很好。计算和实验结果显示，射流在非恒定横向流中的扩散行为与在恒定流中的情形存在显著差别，横向流的不稳定性有效地提高了射流的掺混扩散能力。     

混凝土中硫酸根离子扩散系数劣化效应研究

鉴于硫酸根离子在扩散过程中会与混凝土材料的水化产物发生化学反应,在扩散方程中引入关于扩散系数的化学反应劣化效应系数,建立了考虑化学反应因素影响的混凝土硫酸根粒子扩散确定性理论模型。该模型解决了Fick第二定理在混凝土中的适应性问题,通过与实验结果进行比较,验证了确定性理论模型可以较好地预测硫酸根离子浓度均值。考虑到混凝土材料在其形成之初的微孔洞、微裂缝等初始缺陷具有随机性,采用高斯随机分布来描述初始扩散系数,研究建立了考虑化学反应因素影响的混凝土硫酸根离子扩散随机性理论模型。通过与实验值对比,验证了随机性理论模型能够较好地预测出硫酸根离子浓度的分布范围。     

非粘性悬沙垂向浓度分布的数值模拟及水槽试验

本文应用Ｋ－ε紊流模型，通过对悬沙运动扩散方程的数值求解，建立了计算悬沙浓度水深分布的数学模型。该模型未对扩散方程本身作任何简化，并采用速度场和浓度场耦合求解，因此精度较高，该模型应用方便、其结果与实验值吻合较好，是一种研究河流非粘性泥沙垂向浓度发布的新的尝试。     

盐渍土氯离子在混凝土中运移的耦合模型研究

通过Comsol Multiphysics模拟了盐渍土氯离子在混凝土内的运移机制。基于Fick第二定律,研究了考虑电迁移场作用、结合作用以及毛细作用的氯离子运移规律。研究表明:结合作用阻碍氯离子向混凝土内部运移,电势场和毛细作用促进氯离子向混凝土内部运移;随着氯离子向混凝土内运移,结合作用逐渐减小,初期的电场作用先增加后减小;随时间增加,结合作用与电场迁移作用减小;毛细作用仅在离子侵入初期约1.5 h内影响明显。在结构寿命期内忽略毛细作用,建立综合扩散、电场迁移及结合作用的耦合模型,预测了混凝土结构寿命,模型得到了较好的验证。     

混凝土箱梁氯离子扩散效应分析与寿命预测的CA模型

为了准确地模拟混凝土箱梁中氯离子的侵蚀过程,预测截面内任意时刻任意位置的氯离子浓度以及结构耐久性使用寿命。基于2D元胞自动机原理建立了混凝土氯离子扩散的元胞自动机模型(CA模型),模型同时考虑了材料和龄期对氯离子扩散效应的影响。以某箱形截面梁为例,根据箱梁中氯离子扩散的元胞自动机模型,编写了MATLAB计算程序,分析了氯离子在截面内的扩散规律,并根据模型对该结构耐久性使用年限进行了预测。研究结果表明:与氯离子浓度解析解和试验值相比,建立的元胞自动机模型能够有效地模拟混凝土箱梁氯离子扩散过程,且计算精度较高;根据截面倒角形式的不同,氯离子呈现出不同的扩散规律,不同位置氯离子浓度达到钢筋锈蚀临界浓度所需的时间不同;通过与寿命预测解析解进行对比,证明了该模型能有效预测混凝土结构耐久性使用寿命。利用该模型对氯盐侵蚀环境混凝土箱梁耐久性使用寿命进行预测,分析得出服役51 a左右该结构将达到耐久性极限设计状态。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。     

侵蚀性流体作用下石灰岩渗透性变化规律

为研究侵蚀性流体渗透过程中完整石灰岩石渗透性的变化规律,设计3组不同的渗透溶液化学侵蚀条件和应力条件下的石灰岩芯渗透实验,通过测量每种工况下不同时刻渗出液流量、渗出液中含有的离子浓度等数据,分析完整石灰岩渗透特性的主要影响因素和演化机理。实验结果表明:渗透液体侵蚀和应力施加对岩石渗透性演变存在不同作用。由于加压(围压、轴压、渗透压)对岩芯渗透性具有时效性,在实验初期(0~50 h)3种工况下岩芯渗透率都急剧下降,应力作用是引起岩石渗透率变化的主要因素;随着实验过程的进展,岩芯内部孔隙喉道逐渐闭合,大约50 h之后,渗透流体的化学侵蚀作用开始显现,在之后的330 h中,渗透液为蒸馏水时岩芯渗透率基本趋于稳定,渗透溶液为p H=6的硫酸钠溶液或硫酸溶液时岩芯渗透率则持续下降,表明实验后期渗透液的化学侵蚀作用对岩芯渗透率演变起主要作用。3种工况实验过程中岩芯渗出液中始终有离子溶出,但是不同的渗透液体对岩芯矿物质的溶解效果有差异,显著改变渗出液的离子浓度和离子浓度比值。当渗透溶液中存在促进矿物质溶解的成分并且渗透压力较小时,渗透液中离子逐渐积累变多但不能及时被运移到岩芯外,从而可能产生沉淀堵塞岩芯渗透通道。实验过程中,完整石灰岩石渗透性的演变特性是渗透溶液的侵蚀作用、应力作用和溶质运移沉淀共同作用的结果。     

混凝土中氯离子二维扩散规律的解析研究

在综合考虑混凝土初始暴露龄期和时变扩散系数的基础上研究氯离子侵入混凝土的时变扩散模型,并据此推导了氯离子二维扩散微分方程的封闭解,分析了混凝土初始暴露龄期、持续暴露时间、时变扩散系数等因素对混凝土中氯离子二维扩散和分布规律的影响。研究并比较了本文与其他文献中的氯离子二维扩散模型,并对这些计算模型的特点和适用性给出说明。     

Meso-scale modeling of chloride diffusion in concrete with consideration of effects of time and temperature

A meso-scale truss network model was developed to predict chloride diffusion in concrete.The model regards concrete as a three-phase composite of mortar matrix,coarse aggregates,and the interfacial transition zone (ITZ) between the mortar matrix and the aggregates.The diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ can be analytically determined with only the water-to-cement ratio and volume fraction of fine aggregates.Fick's second law of diffusion was used as the governing equation for chloride diffusion in a homogenous medium (e.g.,mortar);it was discretized and applied to the truss network model.The solution procedure of the truss network model based on the diffusion law and the meso-scale composite structure of concrete is outlined.Additionally,the dependence of the diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ on exposure duration and temperature is taken into account to illustrate their effect on chloride diffusion coefficient.The numerical results show that the exposure duration and environmental temperature play important roles in the diffusion rate of chloride ions in concrete.It is also concluded that the meso-scale truss network model can be applied to chloride transport analysis of damaged (or cracked) concrete.     

碳化作用对水泥净浆中游离氯离子浓度的影响

以探究碳化作用对水泥净浆中游离氯离子浓度的影响为目标,并借助XRD衍射图谱、SEM扫描电镜图等微观手段,研究了碳化作用下水泥净浆内游离氯离子浓度的影响规律以及微观结构特征。结果表明:水灰比对碳化作用前游离氯离子浓度的影响变化受总氯离子浓度的影响,总氯离子浓度越高,水灰比对游离氯离子浓度的影响越大;碳化不利于氯离子的结合,一方面是因为碳化作用不利于Friendel盐的生成和稳定,减少了离子化学固化量。另一方面水化产物中的C-S-H凝胶的生成量也减少,大量的Ca~(2+)被消耗,Ca/Si比也减小,削弱了物理吸附作用,减少了离子物理吸附量,从而增大了水泥净浆中游离氯离子浓度;碳化能显著细化孔隙结构,减少孔隙率,有利于减弱游离氯离子的扩散与侵蚀。     

重金属污染物在土壤中的扩散规律及埋置策略研究

为了探索重金属污染物在土壤中的扩散规律,本文基于三维扩散方程,推导出了空间、时间和扩散系数等因素对埋置点周围重金属污染物浓度的影响规律。在此基础上,分析比较了集中埋置和分散埋置方法对重金属污染物浓度分布影响的异同。结果表明:在其他条件相同时,某一空间位置的浓度随扩散时间和扩散系数的增大先增大后逐渐减小,最后曲线趋于平缓;相同扩散时间情况下,浓度随着扩散半径的增大而减小,当扩散半径大于一定值时,浓度趋于零。对同量的污染物的三种不同的埋置方案进行分析发现:埋置点越少,其附近的浓度越高,而埋置点越多,远处的浓度越低。