多孔介質中流動的格子Boltzmann模擬.pdf

1、復雜邊界內流體的流動現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工和冶金等領域,是過程工程的核心研究對象之一。流-固邊界的高度復雜性阻礙了人們詳細測量內部流體的流動規(guī)律,是造成相關系統(tǒng)工業(yè)放大困難的重要原因,對其精確描述也是計算流體力學面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。LBM(Lattice Boltzrnann Method,格子Boltzmalnn方法)作為一種介觀數(shù)值方法,易于處理輸運問題中復雜的流-固邊界和多相流體界面,為這類含有復雜邊界系統(tǒng)的詳細模擬提供了可能。本文

2、按照多孔介質結構、流體構成的復雜程度逐漸增加的順序,依次研究了人工多孔介質、自然多孔介質中的單相、多相流動,以及粗?；匀欢嗫捉橘|中的單相流動。本研究主要內容包括：
　　 ⑴以流化床反應器中的顆粒團聚物這一典型的具有復雜邊界的多孔介質為對象,開發(fā)并完善適用于復雜邊界構型的邊界處理方法,并利用此方法對大量人工建立的不同構型團聚物內流動狀況進行計算。通過對計算結果進行分析可以得到團聚物受力與顆粒雷諾數(shù)、密相份額與密相空隙率的關系,進

3、而確定非均勻顆粒流體系統(tǒng)中的動量傳遞系數(shù),以此檢驗EMMS(Energy-Minimization Multi-Scale。能量最小多尺度)模型中曳力模型的正確性,進一步確定利用EMMS稀密相曳力公式時對應的稀密相臨界點,并且研究了此臨界點受顆粒雷諾數(shù)和固相份額等因素的影響規(guī)律。
　　 ⑵在校驗了基于GPU(Graphics Processing Unit,圖形處理器)的多弛豫時間LBM(MRT-LBM)求解器的基礎上,以油氣開

4、采中地下滲流這一典型的自然多孔介質中的流動為對象,研究了真實二維巖心剖面多縫系統(tǒng)內的流動規(guī)律。以X射線微觀層析成像技術提取的數(shù)字巖心作為數(shù)值計算的初始條件,研究了某石油公司提供的多種巖心樣品的滲透率等宏觀物理量,并且與其它數(shù)值解以及實驗值進行了對比,結果表明LBM基于GPU的計算能夠準確、高效地給出多孔介質的輸運性質,具有重要的應用前景。
　　 ⑶為解決多孔介質中多相流體界面的不穩(wěn)定性,對LBM贗勢多相模型進行了改進。具體地,通

5、過改進添加體力的方式、引入具有堅實物理基礎的狀態(tài)方程和合適的多程作用勢,得到了大密度比、界面穩(wěn)定的兩相流計算模型。利用改進模型研究相變、流體驅替等問題,所獲結果為多相流領域實驗和理論研究提供了有意義的參考。
　　 ⑷為有效地研究工程尺度的滲流問題,本文針對自然多孔介質中的單相流進行了LBM的粗?；嬎?。根據(jù)格子氣自動機模型計算多孔介質流的平均化思想,改進相應的粗?；疞BM模型,將多個顯微斷層成像得到的計算格點對應的孔隙度這一宏觀

6、物理量映射到格子Boltzmann方程的碰撞過程,從而將原來的碰撞過程改成阻尼碰撞,對Berea砂巖進行了粗粒化計算。結果表明,粗?；疞BM可以節(jié)省大量的計算資源并且可以給出準確的計算結果。
　　 ⑸為利用LBM易于并行的優(yōu)點和GPU擅長高度并行計算的優(yōu)勢,本文的數(shù)值模擬大都基于CUDA(Compute Unified Device Architecture,通用并行計算構架)平臺進行LBM的GPU加速并行化計算,研究結果展示了