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Hydrodynamic Porosity: A Paradigm Shift in Flow and Contaminant Transport Through Porous Media, Part I

层流 多孔介质 雷诺数 机械 多孔性 流量(数学) 比例(比率) 工作(物理) 指数函数 材料科学 统计物理学 数学 热力学 物理 地质学 岩土工程 湍流 数学分析 量子力学
作者
August H. Young,Z. J. Kabala
标识
DOI:10.5194/hess-2023-208
摘要

Abstract. Pore-scale flow velocity is an essential parameter in determining transport through porous media, but it is often miscalculated. Researchers use a static porosity value to relate volumetric or superficial velocities to pore-scale flow velocities. We know this modeling assumption to be an oversimplification. The variable fraction of porosity conducive to flow, what we define as hydrodynamic porosity, θmobile, exhibits a quantifiable dependence on Reynolds number (i.e., pore-scale flow velocity) in the Laminar flow regime. This fact remains largely unacknowledged in the literature. In this work, we quantify the dependence of θmobile on Reynolds number via numerical flow simulation at the pore scale. We demonstrate that, for a medium with the chosen cavity geometries, θmobile decreases by as much as 42 % over the Laminar flow regime. Moreover, θmobile exhibits an exponential dependence on Reynolds number. The fit quality is effectively perfect, with a coefficient of determination (R²) of approximately 1 for each set of simulation data. Finally, we show that this exponential dependence can be easily solved for pore-scale flow velocity through use of only a few Picard iterations, even with an initial guess that is 10 orders of magnitude off. Not only is this relationship a more accurate definition of pore-scale flow velocity, but it is also a necessary modeling improvement that can be easily implemented.

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