(1)多孔介质中的均质流体动力学模型
多孔隙介质中的流体可当作连续介质处理。当流体的流速较慢时,流体的运动服从达西定律,此时,流体渗流速度与压力梯度呈线性关系。这种流动称为达西型流,把所有偏离这种线性关系的流动称为“非达西型流”,显然非达西型流是非线性的。
均质流体在孔隙介质中的运动,当其为稳定的慢速流动时,可用达西定律来描述,其动力学方程如下:
质量守恒方程:
地球化学原理与应用
动量守恒方程(达西定律):
地球化学原理与应用
能量守恒方程
地球化学原理与应用
式中:Ф为孔隙度;ρ为流体密度;K为渗透率;μ为流体黏度;P为流体内压力;g为重力加速度;CE为等效热容;Cj为流体的定压比热容;KE为等效热传导系数;T为温度;q为流体速率。
在上述动力学方程中,与介质有关的参数如介质热导率、渗透率和孔隙度等在一定规模的地球化学区域内是可变的;但在实际研究工作中,我们可以采用Boussinesq近似法(於崇文等,1993)进行研究,即将研究区划分成若干个小区,在每一个小区中上述参数视为确定的值。也就是说,上述参数是分片定常的,可以从微分号中移出。由于研究区内温度的不均匀性所导致的流体密度的变化率ρ/t或▽ρ均较小,也可从微分号中移出。于是(5.29)式、(5.31)式分别变为:
▽·q=0 (5.32)
地球化学原理与应用
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(5.34)式表明,热液流体的驱动力除内压梯度▽P外,尚有由密度变化引起的热浮力gρK。
此外,流体密度是温度的函数:
ρ=ρ0[1-α(T-T0)-β(T-T0)2] (5.35)
式中:ρ0为T0时的参照密度;α,β为常数(热膨胀系数)。
(5.32)式、(5.33)式、(5.34)式、(5.35)式构成了多孔介质中热液运动的完整动力学方程。不同的热液成矿作用体系,除表征热液和介质特征的动力学参数不同外,还在于不同的边界条件和初始条件。
(2)断裂裂隙中的流量动力学模型与双扩散对流理论
双扩散对流是指由于热扩散和物质扩散的双重扩散所引起的流体对流运动。当流体中受热不均匀而存在温度梯度、成分不均匀而存在组分的浓度梯度,并且由于温度梯度引起的密度梯度和由于浓度梯度引起的密度梯度方向相反时就会产生双扩散对流。流体沿陡倾断裂裂隙的流动可简化为两个直立无限大平板之间的运动。热液流体的温度和浓度梯度均平行于此平板。此时,热液流体运动的动力学方程组如下:
连续性方程(质量守恒方程):
divυ=0 (5.36)
运动方程(Navier-Stokes方程):
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热传导方程:
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扩散方程:
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状态方程:
ρ=ρ0[1-α(T-T0)+aC(C-C0)] (5.40)
上述动力学方程组中包含一系列表征热流体物理特征的参量,如流体的密度ρ,黏度系数υ,扩散系数D,定压比热容C,热导率K,热膨胀系数α,溶质膨胀系数aC,在实际研究工作中,根据NaCl电解质水溶液的性质,并利用动力学参数的偏摩尔数或表观摩尔数及矿物气液包裹体的成分计算可得到上述动力学参数的值。