Tracer dispersion in two-dimensional rough fractures

曲折 机械 格子Boltzmann方法 断裂(地质) 几何学 色散(光学) 示踪剂 分形维数 物理 材料科学 分形 数学 数学分析 光学 复合材料 核物理学 多孔性
作者
Germán Drazer,Joel Koplik
出处
期刊:Physical review 卷期号:63 (5) 被引量:51
标识
DOI:10.1103/physreve.63.056104
摘要

Tracer diffusion and hydrodynamic dispersion in two-dimensional fractures with self-affine roughness are studied by analytic and numerical methods. Numerical simulations were performed via the lattice-Boltzmann approach, using a boundary condition for tracer particles that improves the accuracy of the method. The reduction in the diffusive transport, due to the fractal geometry of the fracture surfaces, is analyzed for different fracture apertures. In the limit of small aperture fluctuations we derive the correction to the diffusive coefficient in terms of the tortuosity, which accounts for the irregular geometry of the fractures. Dispersion is studied when the two fracture surfaces are simply displaced normally to the mean fracture plane and when there is a lateral shift as well. Numerical results are analyzed using the Lambda parameter, related to convective transport within the fracture, and simple arguments based on lubrication approximation. At very low Péclet number, in the case where fracture surfaces are laterally shifted, we show using several different methods that convective transport reduces dispersion.

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