1。动机和背景

了解流体流动和被动运输的基本机制在自然系统是一个主要挑战几个地球科学领域(如水文、土壤科学、和火山学)和geo /环境工程有限公司₂封存,污染,指出地热能源,石油和天然气储层开发)。

自然系统的层次结构(例如,非均质性的地质结构)以及不同行为的单一和多相流体在在于加上潜在的非线性反应过程需要调查这些方面在他们身体上发生的规模,规模的孔隙和裂缝。

最近的改进在于计算模型,结合的显微成像技术的发展和最新的微流控技术允许绝大多孔和断裂的媒体研究领域重大进展的好处,因为(1)一种改进的理解和描述在于机制和(2)考虑耦合过程的能力。

收集在这个特殊问题的贡献,虽然远离构成全面的照片”在于世界,“然而提供一个很好的例子,这种方法的潜力调查范围广泛的流程通常观察到宏观尺度,但潜在的物理和化学过程发生在微尺度。

2。内容的特殊问题

而不同的多孔介质和chemical-physical流程进行了调查在报纸上收集在这个特殊的问题,我们认为有一个公共点共享所有的贡献:高档信息试图评估声音标准。即使不总是显式声明,所有的研究试图回答以下问题:我们应该收集哪种信息在微尺度来改善我们的理解,因此在宏观尺度预测观察到的过程吗?

在下面,一个简短的陈述的贡献。(1)“流体界面Viscous-Dominated主要排水2 d微模型使用在于SPH模拟“r . Sivanesapillai和h . Steeb。作者采用在于水动力直接数值方法调查viscous-dominated两相流。特别是,模拟主要排水部分可与水混合的二维多孔介质颗粒的微观结构毛细管数量执行。数值结果表明,特征长度的毛细管分散带增加异质性的微观结构。(2)“升级策略在于模拟的反应环境中Porosity-Permeability相关性”n i Prasianakis et al。本文重点介绍一种地球化学反应环境中仍然开放的挑战,即。,the modeling and upscaling of porosity and permeability changes due to mineral dissolution and precipitation processes. Permeability-porosity correlations, extracted after fitting known type of relationships, are highly nonlinear and strongly dependent on the magnitude of Péclet and Damköhler numbers. The authors finally discuss the challenges of upscaling while curbing computational costs.(3)“量化孔隙水速度分布的逆函数”w·邵et al。多孔介质内流体流动速度显示广泛的异构分布与高速度的共存,也叫优先路径,速度和较低的地区或停滞区。w·邵等人提出量化孔隙水从敏捷速度分布函数。他们表明,该函数可以协助调查地下流和示踪剂运输、完全和部分饱和条件下,和运动比率可以用来预测的第一个到达时间保守的示踪剂。(4)”效应在于矿产空间异质性对破碎岩石的化学诱导改变:晶格玻尔兹曼的研究”通过h·法等。作者调查在于porosity-permeability关系在矿物溶解反应多矿物骨折关注的摊位和带状结构,使用lattice-Boltzmann方法。作者确定混合结构中的一个退化区由于解散的速溶矿物质,和comb-tooth区带状结构。他们终于得出结论,除了几何结构的贡献,porosity-permeability关系极大地依赖于沛克莱和丹姆克尔数字的值。(5)的视觉和定量研究Microoccurrence束缚水的低渗透性砂岩储层的孔隙和喉系统通过使用微型电子计算机x线断层”x Gu et al。三维层析成像技术在低渗透砂岩与石油位移盐水后,作者发现束缚水(润湿阶段)往往会积聚在喉咙系统水电影,导致石油的重要截排水通道。而其余束缚水孔隙系统的利差在角落里,这些水气泡主要是通过水膜有关。这些发现促进理解在束缚水microbehaviors。(6)“流固耦合数学模型,甲烷由水在多孔煤炭”b·黄和w·卢。的数学耦合多相流和adsorption-desorption过程特别复杂的多孔介质内。流体模型b·黄和w·鲁提出的在繁殖实验结果证明了其潜在的水力驱动甲烷在多孔煤。(7)“研究合理的能量补充的致密砂岩油藏岩石压缩应力敏感性”t Xiaofeng et al。t . Xiaofeng等。提出了一种新的方法来估计(即能量补充时间。,the time when it is convenient to supply energy for extraction because the natural energy is going to decrease) in an oil reservoir. Such an approach, validated on experimental data, takes into account at the pore scale of both threshold pressure gradient and rock compressibility stress sensitivity, demonstrating that the latter cannot be neglected.(8)“渗透率估算基于孔隙空间的几何网格通过随机游走”t .南et al。液压属性的表征一直是具有挑战性的,因为它强大的几何和拓扑的依赖。在这个特殊的问题,t .南等人介绍一个方法来估算渗透率几何的基础上通过随机漫步在孔隙空间网格。这个方法克服困难找到了广泛使用的方法,如“走在球体”或“走在多维数据集。”相比,格林函数简单的几何图形和计算流体流动动力学对于复杂的几何图形,该方法的估计是非常宝贵的数字化多孔介质的渗透率。(9)“合成多孔介质的几何属性对溶质运移的影响使用直接3 d在于模拟“p·r·迪帕尔马et al。这项研究提出了一个系统分析多孔介质的几何特性之间的关系,在闵可夫斯基的上下文中定义的泛函,,和运输过程的运动通过直接模拟流体流动和对流不反应的溶质在媒体综合生成的3 d。研究发现,对流运输主要是受到第一和第二闵可夫斯基功能的影响,而有效的扩散尺度弯曲度的平方的倒数。

3所示。下一个挑战

我们相信,在未来的未来,进步在理解物理和化学过程发生在多孔介质将利用叠加的方法收集信息在不同的尺度上,从纳米到宏。这样一个多尺度的方法将有利于执行成像技术日益增多,以及增加计算能力允许的数值实验”比过去大得多。

因此,短》杂志的这篇社论的结论,我们希望提出一些可能解决的“研究挑战”在未来的未来。(1)翻译在多相反应系统。尽管向前进展的预测多孔介质流和被动运输在过去的几十年中,实现无缝预测对系统响应的理解在宏观尺度(无论是达西还是字段范围)从在于流程似乎仍然难以捉摸,尤其是规模差距相邻模型增加(例如,从孔隙规模达西规模与孔隙规模场规模)(1]。这样的挑战进一步放大在多相反应系统中,阶段的复杂的分布,以及固有的不稳定界面分离,破坏的很基础的一些经典升级方法用来建立有效介质模型(2,3]。尽管地质媒体无处不在的多相流动,电流模型的努力仍然是基于假定多相达西的方程,其局限性已被大量研究,表面上强调和替代基于物理公式(4,5)仍缓慢渗透共同的智慧。这可以极大地影响一个人的能力正确反应速率模型,污染物的分布和资源(石油和天然气),养分循环,等等,在多相系统。远离有效的参数化模型对评估有效的属性在于模型的自底向上的框架需要整体的发展方法,结合严格的升级,数值模拟,实验,最后但并非最不重要,数据分析工具,同时确保预测错误仍有界的正式升级错误。原来大数据分析和基于物理模型之间的并行路径现在必须相交产生渴望超越改善预测的理解系统由鳞片像多孔介质的暴政。(2)与4 d实验验证。挑战也应该专注于验证数值预测(6]在于流程使用控制实验7,8]。它已经很难想象三维时间序列(即。,4D) data during laboratory experiments that investigate reactive transport through a porous and/or fractured medium at sufficient spatial and temporal resolutions, because the processes of interest occur (deep) inside the medium of interest. Thanks to fast evolution of nondestructive and noninvasive instrumentation and detectors as well as the development of ultrafast imaging procedures, a micrometer to nanometer resolution is becoming affordable even during tracking of very rapid dynamic processes in porous media. The real-time tracking of pore-scale multiphase reactive transport processes enables confirmation/validation/reexamination of known mechanisms and reveal/discover unknown mechanisms, offering parametrization of the existing models and establishment of novel approaches to include the newly discovered mechanisms.(3)Fluid-Biofilm在多孔介质的相互作用。生物膜的形成过程中发挥基础作用一些自然现象,以及在技术应用中,从生物反应器,可渗透反应性障碍,医疗系统。生物膜的生长是一个逐步从依恋和适应复杂的过程分离的细胞和生物膜碎片的进化是影响,同时影响孔隙尺度的流体动力学特性(9]。这样一个强大的生物过程之间的相互作用和微流体远非理解。见解的更深层次的理解机制(机械和生物)参与生物膜的增长可能出现从多学科方法包括(1)实验室微流体流动控制条件下的实验(10),(2)非侵入性成像方法评估生物进化(11),和(3)三维数值模型12)耦合生物膜的生长和在于流体动力学模型(13]。

的利益冲突

客人编辑宣布他们没有与公司的利益冲突或私人协议。

确认

我们真诚感谢保罗·罗伯托·迪帕尔马支持编辑工作在这个特殊的问题。

埃·罗马诺
华金Jimenez-Martinez
安德里亚Parmigiani
Xiang-Zhao香港
Ilenia Battiato