基于深度学习的多孔介质中多相流预测及不确定性分析
发布时间：2021-09-28 00:34
多孔介质广泛存在于自然界和各种工农业生产场景中,其中包含的互不相溶多相流体之间具有复杂的流动特性。对这种形式的流动进行建模和求解,对于提高采油工业的生产效率、地下水资源的保护、温室气体的地质贮藏等有着重要的实际意义。传统的研究手段如实验研究和数值模拟,需要昂贵的实验设备或者大量的计算资源和时间成本。近些年来,随着计算机领域的深度学习算法不断地发展和成熟,神经网络作为一种代理模型被广泛地应用到各种物理问题中,其具有计算速度快、精度高等优点。本文采用卷积神经网络模型来学习和预测非均质多孔介质中不相溶两相流体之间的流动过程,实现了对流场的快速预测,同时还能给出预测结果的不确定性分析,使得结果更具有可靠性和稳定性。主要工作有以下几点:1.在第一部分工作中,实现了对多孔介质中两相驱替到达出流边界时流场的预测。把对不相溶的两相流体饱和度场的预测转化成图像分割问题,使用计算机视觉领域的语义分割神经网络模型,直接以多孔介质二维的随机几何结构为输入,学习和预测其中的饱和度场及压力场的分布。并针对自然界中多孔介质具有稀疏性和异质性不同的特性,在具有不同特征的多孔介质中验证了模型具有良好的预测精度和泛化能力...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?⑷迈阿密石灰岩多孔介质的采样（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ?ｅｔａｌ．，２〇０９），?（ｂ）石英砂多孔介??质的三维示意图，（ｃ）石英砂多孔介质的二维切片示意图（Ｓｕｋｏｐ?ｅｔ?ａｌ．，２００８）??研，质通被理想化地建模为简的物理模型（如图１．２）
ａｕ?ｅｔａｌ．，２００６）；?—种是网状槽道模型，空腔被模型化为血管网状??的联通区域，剩下的即为固体区域，这种模型常用于水文学中地下水流动的宏??观模拟（Ｌａｍｅｅｔａｌ．，２００６）；最后一种是用图形式表示的网络模型，空腔被视为节??点，空腔之间的主要通路被提取出来作为网络的边，这种网络模型由于只提取了??主要的拓扑结构，能够节省大量的模拟时间（Ｘｉｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１６；?Ｄｅ?Ｄｒｅｕｚｙ?ｅｔ?ａｌ．，??２０１２）。??闘鋼??＿＿??（ｃ）?（ｄ）??图１．２几种常用的多孔介质介质模型。（ａ）固体－空腔模型，（ｂ）固体颗粒堆叠模型，（ｃ）??网状槽道模型，（ｄ）图网络模型??在自然场景和工农业生产生活中，广泛存在着多孔介质中的流动现象（Ｎｉｅｌｄ??ｅｔａｌ．，２００６）。例如，在水文学中，存在着地下含水层内水资源的储藏和流动，以??及地下水中污染物的扩散过程。由于地质层中多孔介质的非均匀性和异质性，地??下水及其污染物在其中有着相应的非均匀性分布，了解和掌握其中的规律，对地??下水的保护和污染物的防治有着重要的作用（Ｋｈａｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２００４；?Ｐｉｎｄｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，２００６）。??由于多孔介质的空腔内往往预先充满着一相流体，因此当向其中通入另一相流??体时，就很容易形成多相流动，其中，又以不相溶的两相流最为常见。例如，在??石油开采工业中，人们常常将二氧化碳或者水加压后注入石油储层，使得石油??从地质层中被驱替出来（如图１．３）。针对这种多孔介质中多相流体的驱替过程，??驱替的模态会直接影响采油效率（Ｔｈｏｍａｓ，?２００８；?Ａｌｖａｒａｄｏ?ｅｔ?ａｌ．，２０１０）。例
ｔ?ａｌ．，２０１４；?Ｃｅｌｉａ，２０１７；?Ｂｅｎｓｏｎ?ｅｔａｌ．，２００８）。因??此，分析和掌握多孔介质中的多相流动规律，对于指导实际的工业应用有着重要??的价值。??，＾?Ｗ？ｌｌ??ａｉｌ丨晶??ｍ．?＾??ｌ?ＭＭＭ？ＭＨＶＭ０ＨＭ？ａＷＶＷｎＷＩＮＭＭＭＨ｜Ｍ??昼??＾ｏｃ＾ｄ?Ｃ〇２?ＣＯｊ?ａｎｄ?ＣＨｉ?ｅ＊ｐ？ｎｄ？?ｉｎｄ?ｍｏｖｅ＊??ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｓ?ｔｒａｐｃｄ?ｏｉｌ?〇Ｈ?ｎｉｘ?ｔｏｗｖｔｈ?ｐｒｏｄｕｃｍｆ?ｗ？ｉｌ??图１．３地下石油开采示意图（Ｃｏｕｎｃｉｌ?ｅｔ?ａｌ．，?２〇１３）??经典的多孔介质内不相溶两相驱替流动，人们在长期的实验探索中已掌握??其大致规律。根据驱替相和被驱替相的分布规律，划分了三种典型的驱替模态??（Ｌｅｎｏｒｍａｎｄｅｔａｌ．，１９８８）（如图?１．４）：?一，指状驱替（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｆｉｎｇｅｒｉｎｇ），驱替相往??往呈现出像树根一样的细长指状分布，并朝着同一个方向延伸来较为快速地驱??替另一相；二，毛细驱替（ｃａｐｉｌｌａｒｙ?ｆｉｎｇｅｒｉｎｇ），驱替相的延伸速度较为缓慢，它??有时间来填充它沿途经过的空隙，因此驱替相的前驱形状较粗，并容易形成环状??３??
本文编号：3410907
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?⑷迈阿密石灰岩多孔介质的采样（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ?ｅｔａｌ．，２〇０９），?（ｂ）石英砂多孔介??质的三维示意图，（ｃ）石英砂多孔介质的二维切片示意图（Ｓｕｋｏｐ?ｅｔ?ａｌ．，２００８）??研，质通被理想化地建模为简的物理模型（如图１．２）
ａｕ?ｅｔａｌ．，２００６）；?—种是网状槽道模型，空腔被模型化为血管网状??的联通区域，剩下的即为固体区域，这种模型常用于水文学中地下水流动的宏??观模拟（Ｌａｍｅｅｔａｌ．，２００６）；最后一种是用图形式表示的网络模型，空腔被视为节??点，空腔之间的主要通路被提取出来作为网络的边，这种网络模型由于只提取了??主要的拓扑结构，能够节省大量的模拟时间（Ｘｉｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１６；?Ｄｅ?Ｄｒｅｕｚｙ?ｅｔ?ａｌ．，??２０１２）。??闘鋼??＿＿??（ｃ）?（ｄ）??图１．２几种常用的多孔介质介质模型。（ａ）固体－空腔模型，（ｂ）固体颗粒堆叠模型，（ｃ）??网状槽道模型，（ｄ）图网络模型??在自然场景和工农业生产生活中，广泛存在着多孔介质中的流动现象（Ｎｉｅｌｄ??ｅｔａｌ．，２００６）。例如，在水文学中，存在着地下含水层内水资源的储藏和流动，以??及地下水中污染物的扩散过程。由于地质层中多孔介质的非均匀性和异质性，地??下水及其污染物在其中有着相应的非均匀性分布，了解和掌握其中的规律，对地??下水的保护和污染物的防治有着重要的作用（Ｋｈａｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２００４；?Ｐｉｎｄｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，２００６）。??由于多孔介质的空腔内往往预先充满着一相流体，因此当向其中通入另一相流??体时，就很容易形成多相流动，其中，又以不相溶的两相流最为常见。例如，在??石油开采工业中，人们常常将二氧化碳或者水加压后注入石油储层，使得石油??从地质层中被驱替出来（如图１．３）。针对这种多孔介质中多相流体的驱替过程，??驱替的模态会直接影响采油效率（Ｔｈｏｍａｓ，?２００８；?Ａｌｖａｒａｄｏ?ｅｔ?ａｌ．，２０１０）。例
ｔ?ａｌ．，２０１４；?Ｃｅｌｉａ，２０１７；?Ｂｅｎｓｏｎ?ｅｔａｌ．，２００８）。因??此，分析和掌握多孔介质中的多相流动规律，对于指导实际的工业应用有着重要??的价值。??，＾?Ｗ？ｌｌ??ａｉｌ丨晶??ｍ．?＾??ｌ?ＭＭＭ？ＭＨＶＭ０ＨＭ？ａＷＶＷｎＷＩＮＭＭＭＨ｜Ｍ??昼??＾ｏｃ＾ｄ?Ｃ〇２?ＣＯｊ?ａｎｄ?ＣＨｉ?ｅ＊ｐ？ｎｄ？?ｉｎｄ?ｍｏｖｅ＊??ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｓ?ｔｒａｐｃｄ?ｏｉｌ?〇Ｈ?ｎｉｘ?ｔｏｗｖｔｈ?ｐｒｏｄｕｃｍｆ?ｗ？ｉｌ??图１．３地下石油开采示意图（Ｃｏｕｎｃｉｌ?ｅｔ?ａｌ．，?２〇１３）??经典的多孔介质内不相溶两相驱替流动，人们在长期的实验探索中已掌握??其大致规律。根据驱替相和被驱替相的分布规律，划分了三种典型的驱替模态??（Ｌｅｎｏｒｍａｎｄｅｔａｌ．，１９８８）（如图?１．４）：?一，指状驱替（ｖｉｓｃｏｕｓ?ｆｉｎｇｅｒｉｎｇ），驱替相往??往呈现出像树根一样的细长指状分布，并朝着同一个方向延伸来较为快速地驱??替另一相；二，毛细驱替（ｃａｐｉｌｌａｒｙ?ｆｉｎｇｅｒｉｎｇ），驱替相的延伸速度较为缓慢，它??有时间来填充它沿途经过的空隙，因此驱替相的前驱形状较粗，并容易形成环状??３??
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