细孔尺度模型研究

发生在单个土壤颗粒尺度的物理和化学过程在更大的程度上决定了地下流体流动的方式。为了能更准确地预测地下流体流动，比如那些隐匿的污染物如何蔓延的地下，所以科学家需要设计数值模型方法来模拟孔隙尺度的流动。然而，将这些数值模型与实际实验数据关联起来却极具挑战性。在2011年孔隙尺度建模论坛上提出了，这项研究三个挑战中的一个是能准确预测地下流模型的创建。

数值仿真不仅需要模拟在微米尺度孔隙的流体流动方式，而且还要能外推到更多数量级的范围，比如CO2隔离点，石油天然气储藏所，或矿业污染或核废物处理点。这项研究允许来自多个学院的科学家完善他们在EMSL微流体实验室获得实验数据的模型，从而提高这些模型的预测能力。

在2011年EMSL研讨会上，科学家们汇聚在一起绘制建模论坛遇到的一系列的挑战。对于每一个挑战，EMSL科学家让流体通过实验的微模型—微小的孔隙网络蚀刻硅片—然后将结果数据给数值建模者。建模者使用实验数据尽可能准确地调试他们的程序来模拟孔隙尺度流。在最终的大型挑战实验上，建模者使用他们改进的模拟来进行测试。

在第一个研究中，来自八个学院的建模者使用不同的模拟预测最简单的一种流动：无反应传递。在这种情况下，只有一种类型的流体流经室内并与孔隙材料不发生反应。这样，研究人员将只需专注于调整改变流体运动的物理性质，如流量、尺寸和孔径分布等。建模者最初对于在预测的流体流动方式上慢慢通过微模型出错很是惊讶。然而，在使用教学实验调试他们的程序后，他们都能在不同挑战实验下准确模拟流动。

虽然实验基本上是成功的，但一些人更加依赖教学实验。例如，PNNL研究人员使用计算流体力学（CFD）模拟，基于微模型的拓扑结构和在数以百万计的微小空间分离流动路径。这种“直接”模型更少依赖教学实验而比孔隙网络模型更能精确模型流动，这种程序不依赖于微模型的整体形状，而是由一系列的决策点，或规则来控制需要流过一个孔隙结构的流体方式。然而，孔隙网络模型的一个好处是，它可以在几分钟内运行仿真；而直接方法，如CFD方法在超级计算机上也要花了好几天时间。

现在，研究人员已经能调试他们的程序进行无反应传递，清单上的下一个挑战将是发生反应的传递，即在液体中溶质可以与孔隙介质发生反应。最后，该团队将建模不会混合的复杂流体运动，如油和水。这种多相流模型将帮助预测实际工况下的地下流动。