[论文解读] Investigating the source of hysteresis in the Soil-Water Characteristic Curve using the multiphase lattice Boltzmann method

Reihaneh Hosseini, Krishna Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Lattice Boltzmann Simulation Studies被引用 4

一句话总结

本研究通过多相格子Boltzmann方法的孔隙尺度模拟，识别了土壤-水特征曲线（SWCC）滞后现象的根本原因。研究发现，滞后现象源于孔隙填充与排空过程的非对称性：在润湿过程中，多个液桥从较小孔隙向较大孔隙扩展并合并，形成曲率半径更大的弯月面，从而降低基质吸力；在干燥过程中，仅现有气泡簇扩张，受孔口尺寸限制，导致弯月面曲率半径更小、吸力更高，即使在接触角、空气捕集、墨水瓶效应及结构变化等因素被控制的情况下依然如此。

ABSTRACT

The soil-water characteristic curve (SWCC) is the most fundamental relationship in unsaturated soil mechanics, relating the amount of water in the soil to the corresponding matric suction. From experimental evidence, it is known that SWCC exhibits hysteresis (i.e. wetting/drying path dependence). Various factors have been proposed as contributors to SWCC hysteresis, including air entrapment, contact angle hysteresis, ink-bottle effect, and change of soil fabric due to swelling and shrinkage, however, the significance of their contribution is debated. From our pore-scale numerical simulations, using the multiphase lattice Boltzmann method, we see that even when controlling for all these factors SWCC hysteresis still occurs, indicating that there is some underlying source that is not accounted for in these factors. We find this underlying source by comparing the liquid/gas phase distributions for simulated wetting and drying experiments of 2D and 3D granular packings. We see that during wetting (i.e. pore filling) many liquid bridges expand simultaneously and join together to fill the pores from the smallest to the largest, allowing menisci with larger radii of curvature (lower matric suction). Whereas, during drying (i.e. pore emptying), only the limited existing gas clusters can expand, which become constrained by the size of the pore openings surrounding them and result in menisci with smaller radii of curvature (higher matric suction).

研究动机与目标

• 识别土壤-水特征曲线（SWCC）滞后现象的根本原因，尽管已有空气捕集和接触角滞后等机制被提出，但该问题仍未得到解决。
• 通过系统性地排除已知影响因素（如接触角滞后、空气捕集、墨水瓶效应及土壤结构变化），隔离SWCC滞后现象的潜在根本原因。
• 探究在理想化的孔隙尺度条件下，所有常规因素均被控制时，滞后现象是否依然存在，采用数值模拟方法。
• 对比二维和三维颗粒堆积中润湿（注入）与干燥（排水）过程的孔隙尺度液相与气相分布，识别驱动滞后的结构差异。
• 确定所观察到的滞后现象是否本质上源于孔隙填充与排空的动力学过程，而与宏观土壤性质或边界效应无关。

提出的方法

• 采用多相格子Boltzmann方法（LBM）模拟孔隙尺度流体动力学，实现对液气界面和毛细力的精确建模。
• 模拟中采用恒定的平衡接触角，以消除接触角滞后作为影响因素。
• 在整个系统中均匀施加液体注入与排水，模拟湿度箱环境，以避免墨水瓶效应和空气捕集。
• 颗粒位置在模拟过程中保持固定，以排除因膨胀或收缩导致的土壤结构变化。
• 模拟追踪了在不同复杂度的二维和三维颗粒堆积中，润湿与干燥循环过程中液相与气相分布的演化过程。
• 在不同饱和度（S_r）下分析相分布，重点关注簇团形成、弯月面曲率及注入与排水过程中的吸力值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当所有已知因素（如空气捕集、接触角滞后、墨水瓶效应）均被控制时，SWCC中持续存在的滞后现象的根本原因是什么？
• RQ2 在孔隙尺度上，孔隙填充（润湿）与孔隙排空（干燥）的动力学过程有何不同？液气界面的哪些结构特征导致了吸力差异？
• RQ3 在何种饱和度（S_r）下，注入与排水过程中的液相与气相分布开始趋同？这关于毛细平衡起始的含义是什么？
• RQ4 为何在大型三维模型中，SWCC滞后现象在整个饱和度范围内持续存在，甚至在极低含水量时亦然？
• RQ5 注入与排水过程中，气泡簇的数量与大小有何差异？这些差异如何影响最终的基质吸力？

主要发现

• 即使消除了接触角滞后、空气捕集、墨水瓶效应及土壤结构变化等因素，SWCC中的滞后现象依然存在，表明存在更深层次的根本原因。
• 在润湿过程（注入）中，多个液桥同时扩展并合并，使得能够形成曲率半径更大的弯月面，从而降低基质吸力。
• 在干燥过程（排水）中，仅现有气泡簇扩张，受孔口尺寸限制，导致弯月面曲率半径更小、基质吸力更高。
• 在三维模型中，仅在S_r ≈ 100%时，单个气泡簇在单个腔室中形成（表明真正处于佩纽达尔态），但即使此时，注入与排水路径的相分布仍存在差异。
• 在S_r = 99.7%时，单个气泡簇存在于单个腔室中，注入与排水的吸力值一致，表明仅在接近完全饱和时才出现收敛。
• 孔隙填充与排空动力学的非对称性，而非特定孔隙结构或边界效应，是SWCC滞后现象的主要根源。