饱和多孔介质介观尺度孔隙流的Lattice Boltzmann模拟

发布时间：2019-11-10 16:56

【摘要】：流体在多孔介质内的流动是许多领域(如地质、石油与天然气、材料工程、化工工程、生物工程、机械工程、医药及环境保护等领域)都非常关注的问题。传统的研究方法一般从宏观角度,假设流体在整个多孔介质的空间内流动,即渗流,并不关注实际孔隙内的具体流动情况。而随着对多孔介质流研究的深入,人们不再满足基于渗流假设的宏观研究,借助于微观、介观试验方法,人们逐渐揭开了多孔介质复杂孔隙结构的面纱,对于宏观现象的微观、介观机理的研究也提上日程。格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)以分子动理学理论、统计力学理论的Boltzmann方程为基础,建立离散速度模型来模拟粒子在孔隙空间内的运动,通过数值求解分布函数,从而获得宏观流动信息,为人们研究流体流动提供了一种崭新的方法,逐渐被应用于多孔介质流、多相多组分流、燃烧与爆破、化学反应流、微／纳米尺度流、生物工程、机械工程等诸多领域。本文使用MATLAB编程实现了单松弛度的、等温不可压标准LBM算法,对人工构造的规则排列的柱群以及基于粉砂CT扫描成像并三维重构获得的数字岩芯孔隙内的流动使用LBM进行了模拟。具体如下：(1)以LBM对规则排列的圆柱阵列构成的多孔介质孔隙内水的流动规律做了模拟分析,与他人的结论进行了对比,发现所建立的模型与已有结果完全吻合；(2)基于对Lee和Yang正方形排列的圆柱群渗透率公式的修正以及LBM的模拟结果,提出了相对误差更小的、适用于等边三角形排列的圆柱群的渗透率公式；(3)基于正方形排列的椭圆柱群的LBM模拟结果,提出了考虑不同椭圆柱长短轴比以及不同角度(椭圆长轴与渗流方向的夹角)的渗透率公式；(4)基于正方形排列的椭圆柱群,通过改变定向排列方向(0°-90°,为椭圆长轴与渗流方向的夹角)以及该方向定向排列的程度,研究了定向排列方向及定向排列程度对渗透率的影响；此外,还模拟了随机形状(随机尺寸的圆、椭圆)、随机倾向的柱群孔隙内的水流流动；(5)基于具有片状颗粒的粉砂的CT扫描成像重构出的数字岩芯,模拟了流速较低时、饱和砂土孔隙内水的流动规律；将LBM模拟的渗透率结果与渗流试验测得的渗透率结果进行对比,二者结果相差不大,大致在同一个数量级。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE312

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