在COMSOL 中简化地下水流建模
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在 COMSOL Multiphysics® 软件中，地下水流模块提供了一些实用功能，帮助高效设置复杂模拟任务。例如，在井建模时，使用井功能能简化网格划分，使其更加直观。文章将详细介绍井功能，探讨如何使用这项功能以及它如何增强建模过程。
使用 COMSOL Multiphysics 井边界条件，实现井建模更加简便且优化网格划分。这种方法通过替换圆柱体以适应网格划分算法，减少所需网格数量，相比精确求解细节，提供了更准确的解。接下来，让我们深入探讨井边界条件的设置。
熟悉新边界条件及其设置至关重要。井边界条件支持二维点特征和三维边特征，可与达西定律、理查兹方程和两相达西定律接口并用。用户可以选择井是注入井还是生产井，并指定压力或质量流量。下图展示了不同可用选项。
比较模拟井的两种方法，使用无限元方法，可在远离井的位置施加压力而不增加建模域。几何图形将井解析为圆柱表面。为了应用边界条件，需要将井的圆柱体从储层中切割出来。此外，还可以使用质量通量边条件，前提是应用质量通量而非压力。我们可以使用井边界条件，适用于压力和质量通量条件。使用相同网格设置比较两种情况下的网格。在这个例子中，划分了65,674个域单元，使用井边界条件仅需28,728个，减少了近一半网格单元。
井边界条件在提供准确解时具有优势。使用相同的测试案例，我们施加1 kg/s质量流速M0，相当于面积A上的质量通量公式。在边长l处的质量通量公式为。外部无限元边界保持固定压力。一维绘图显示沿中心线的压力与井外方法几乎一致。与指定边质量通量不同，井功能考虑井半径，即使未解析也考虑。质量通量边条件不适合计算井中压力，因为它未考虑径向膨胀。井边界条件提供变量dl.well1.p，用于表示井压。
地热回灌中传热与多孔介质流耦合应用：井边界条件在地热回灌示例中可用。模型的轻微修改版本展示了地热地下水以150 l/s速度通过生产井。水在产生热量后以相同速率重新注入，温度为5°C。外部边界施加2 mm/m水平水力梯度。在COMSOL Multiphysics 5.3之前，生产井和注入井被绘制为嵌入地质构造中的圆柱体，使用达西定律入口和出口边界条件与传热的温度和流出边界条件定义质量和热通量。现在，井由单边定义，新井特征和线热源特征用于定义质量和热通量。这两个功能的设置如图所示。
在井特征中，通过设置M0=150 l/s ρwater。在材料节点中指定水的密度，可通过mat5.def.rho访问。对于线热源，我们根据公式定义每单位长度的源项Ql = MlCpΔT。其中，Ml是每单位长度的质量流量，由井特征（dl.well1.Ml）计算; Cp是水的比热容（mat5.def.Cp）; ΔT = Tinj – T为注入温度与实际温度之间的温差。使用井特征，与使用圆柱体作为钻孔的模型相比，网格单元数量减少约8%（118,000 vs. 126,000），模拟运行速度提高大约10%（31 min vs. 26 min）。下面的动画显示了5年内温度演变。
为了证明井特征给出的结果与圆柱表面上的相应边界条件相同，我们比较了生产温度的结果。可见，两个结果具有很好的一致性。
总结，本文揭示了新井边界条件提高模型性能并简化井建模的方法。我们还了解了相关仿真背景以及如何设置与传热的耦合。
