多孔介質(zhì)中多相流動(dòng)的格子Boltzmann方法及微觀機(jī)理研究.pdf

1、多孔介質(zhì)多相流動(dòng)在溫室氣體埋存、石油開采以及地下水資源保護(hù)等國(guó)家重大需求領(lǐng)域廣泛存在，因此對(duì)其機(jī)理的研究具有非常重要的意義。由于多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)涉及到非常復(fù)雜的相互作用，因而人們很難刻畫并清楚地認(rèn)識(shí)到其內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)理。格子Boltzmann方程(LBE)方法是以動(dòng)理學(xué)理論為基礎(chǔ)的介觀方法，它的微觀粒子背景使其能夠比較直接、方便地處理流體內(nèi)部以及流體與周圍環(huán)境的相互作用，因而被廣泛用來(lái)模擬復(fù)雜的流動(dòng)行為。盡管LBE方法在多孔介質(zhì)多相流領(lǐng)域

2、已經(jīng)取得了一定的成果，但是其模型本身以及對(duì)物理問(wèn)題的研究上都有很多缺陷和不足?；诖?，本文開展了以下的工作：
　　(1)分析和比較了現(xiàn)有的多相多組分格子的Boltzmann模型，包括基于Enskog理論的動(dòng)理學(xué)模型、偽勢(shì)模型以及相場(chǎng)模型(或自由能模型)。發(fā)現(xiàn)上述三類模型可以從根本上統(tǒng)一起來(lái)。首先通過(guò)對(duì)比偽勢(shì)模型和動(dòng)理學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)偽勢(shì)模型是動(dòng)理學(xué)模型的一種特殊的簡(jiǎn)化形式；其次通過(guò)對(duì)比動(dòng)理學(xué)模型和相場(chǎng)模型，發(fā)現(xiàn)動(dòng)理學(xué)模型同樣可以寫

3、成相場(chǎng)模型的形式。這也從側(cè)面反映了作用勢(shì)和自由能是動(dòng)理學(xué)理論在宏觀尺度上的表現(xiàn)。
　　(2)分別提出了多松弛(MRT)的動(dòng)理學(xué)LBE模型和質(zhì)量守恒的準(zhǔn)不可壓相場(chǎng)LBE模型。多松弛的動(dòng)理學(xué)LBE模型具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性以及魯棒性，可以用來(lái)模擬大粘性比的兩相流問(wèn)題，并可以自由調(diào)節(jié)Schmidt數(shù)以及表面張力。準(zhǔn)不可壓相場(chǎng)LBE模型可以嚴(yán)格地保證局部質(zhì)量守恒，并且通過(guò)與不可壓相場(chǎng)理論的LBE模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量守恒導(dǎo)致的界面可壓縮效應(yīng)對(duì)結(jié)

4、果的影響很大，尤其是對(duì)相分離問(wèn)題；而準(zhǔn)不可壓模型滿足基本的質(zhì)量守恒性質(zhì)，故其結(jié)果更加合理。
　　(3)研究了多孔介質(zhì)驅(qū)替過(guò)程中潤(rùn)濕性的影響。首先為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)潤(rùn)濕角，避免壁面上出現(xiàn)一層虛假的流體并減小虛假速度，我們將幾何潤(rùn)濕邊界條件應(yīng)用到基于Enskog動(dòng)理論的兩相流模型中。進(jìn)而分別考察了不同驅(qū)替速度以及多孔介質(zhì)潤(rùn)濕性對(duì)驅(qū)替效率的影響。發(fā)現(xiàn)隨著驅(qū)替速度的增大，驅(qū)替效率會(huì)提高；隨著潤(rùn)濕角以及孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的增大，驅(qū)替效率會(huì)明顯降

5、低。
　　(4)研究了納米顆粒造成的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)對(duì)驅(qū)替效率的影響。首先為了避免顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)復(fù)雜的插值運(yùn)算，我們結(jié)合了LBE模型和Cellular Automata(CA)概率模型提出了混合的納米顆粒兩相流模型。然后利用該模型研究了納米顆粒兩相流驅(qū)替問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)納米顆粒造成的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)對(duì)驅(qū)替效率的影響很大，并且影響程度隨著顆粒潤(rùn)濕性、顆粒與流體的相互作用強(qiáng)度、擴(kuò)散系數(shù)以及外力的變化而變化。
　　(5)從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值兩方面研究了真實(shí)巖心的絕