沙粒-水系统广泛存在于沙漠地下水涵养区、海岸含水层及油气储层砂体中，其渗流过程诱发的流动电势（Streaming Potential）是典型的多孔介质动电效应。作为固液界面电化学-流体动力学耦合的核心物理现象，沙粒柱中的流动电势成为了研究多孔介质渗流-电场相互作用的典型模型。沙粒和水接触的界面会由于沙粒带电形成双电层结构。自然界水中通常溶解有电解质，当电解质溶液在沙粒柱中渗流时，固液界面的扩散层内反离子在压力梯度作用下随流体迁移，产生净电流并形成电势差，即为流动电势现象。该现象在石油工程渗流监测、地下水污染追踪等领域具有重要应用。但沙粒几何结构对双电层分布及电势信号的影响机制尚未量化。实验研究易受多种因素影响，且难以精确控制所有变量，因此采用数值模拟的手段研究各因素的相互作用。通过研究沙粒-电解液两相系统的流动电势特性，深入探究流动电势响应和流动条件之间的关系，有助于为两者间的正反演路径提供理论依据，可揭示带电颗粒和电解质溶液的相互作用，并为相关应用（如渗流监测、浓度检测）提供理论基础和预测工具。
本文针对沙粒柱的流动电势现象，考虑了沙粒表面电荷密度和粒径分布等物理特性，基于COMSOL Multiphysics平台构建多物理场耦合有限元模型，通过求解纳维-斯托克斯方程、泊松方程与能斯特-普朗克方程的强耦合形式，模拟了电解质溶液通过沙粒柱产生流动电势的现象。研究内容有：（1）建立单根毛细管的流场、电场、传质场耦合模型，发现网格的阶次会定性影响模拟结果，选用高阶单元（尤其对于浓度的求解过程）可以提高模拟精度。（2）在单根毛细管的基础上，结合沙粒的粒径分布，建立了可以表征沙粒柱特性的REV单元模型。对于沙粒柱中不同孔径通道，发现离子通量和孔径呈二次关系，而单位面积通量和孔径的关系更为复杂，会随浓度的变化发生改变。各孔的净离子通量（可表征对流动电势的贡献）同样在不同浓度下表现出不同的特点。（3）参照等效电路的思想，可以将单个REV单元扩展至整个沙粒柱的尺寸，用于等效计算沙粒柱的流动电势。
 

流动电势，沙粒柱，多场耦合，毛细管束模型