基于格子Boltzmann方法的孔隙介質(zhì)中液滴動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、多孔介質(zhì)中的多相流體流動(dòng)廣泛存在于自然界及諸多工程領(lǐng)域，如強(qiáng)化采油、燃料電池研制、地下水污染的監(jiān)測(cè)及治理等，而孔隙介質(zhì)中的液滴動(dòng)力學(xué)是上述領(lǐng)域中涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題。盡管目前人們對(duì)這類(lèi)問(wèn)題已有深刻的理解，但由于多相流體系的微觀輸運(yùn)過(guò)程通常極其復(fù)雜，如需要考慮界面的產(chǎn)生、合并、變形和運(yùn)動(dòng)及流固間的相互作用等，極大地限制了人們對(duì)其內(nèi)部規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)識(shí)。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的研究，當(dāng)采用傳統(tǒng)數(shù)值方法模擬時(shí)會(huì)存在邊界處理復(fù)雜、計(jì)算量大和并行效率低等缺點(diǎn)。格

2、子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作為一種模擬復(fù)雜流動(dòng)的有效算法，由于其微觀本質(zhì)和介觀特性，可以方便地描述不同相間的相互作用，已被證實(shí)在模擬多相流體流動(dòng)方面具有常規(guī)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。
　　目前，LBM研究孔隙介質(zhì)中液滴行為的工作較少，仍有很多基礎(chǔ)問(wèn)題尚未得到系統(tǒng)解決，如考慮孔隙介質(zhì)中的非均質(zhì)性及液滴穿過(guò)固體骨架的變形、破裂等問(wèn)題。本文正是基于這樣的工程背景和研究現(xiàn)狀，采用多相LB

3、M方法，開(kāi)展孔隙介質(zhì)中液滴動(dòng)力學(xué)研究，揭示其流動(dòng)和傳輸機(jī)理。本論文具體研究了下面三個(gè)相關(guān)問(wèn)題:
　　(1)液滴在粗糙壁面上受剪切作用的動(dòng)力學(xué)行為研究。分析了毛細(xì)數(shù)、壁面潤(rùn)濕性、壁面粗糙的單元高度及間距對(duì)液滴動(dòng)力學(xué)行為的影響。主要研究成果包括：首先，毛細(xì)數(shù)和壁面潤(rùn)濕性對(duì)液滴變形產(chǎn)生重要影響，變形程度隨毛細(xì)數(shù)的增大而增大；液滴最終都能完全浸潤(rùn)親水壁面上的粗糙單元，而對(duì)于中性潤(rùn)濕和疏水壁面，液滴會(huì)發(fā)生部分浸潤(rùn)；驅(qū)替粗糙壁面上液滴的臨界毛

4、細(xì)數(shù)(Cac)隨著接觸角的增加而減小。其次，根據(jù)粘附在粗糙壁面上的三相接觸線(xiàn)的滑動(dòng)順序?qū)⒁旱蔚倪\(yùn)動(dòng)劃分為三個(gè)區(qū)域：液滴上下游的三相接觸線(xiàn)保持不動(dòng)、僅有一側(cè)接觸線(xiàn)滑動(dòng)及兩側(cè)接觸線(xiàn)均滑動(dòng)。值得注意的是，液滴在親水和中性潤(rùn)濕壁面上的接觸線(xiàn)優(yōu)先滑動(dòng)的方向相反。最后，發(fā)現(xiàn)壁面粗糙單元的高度及間距影響液滴在粗糙壁面上的潤(rùn)濕長(zhǎng)度和浸潤(rùn)深度，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致驅(qū)替液滴的Cac不同。
　　(2)微管道中液滴在重力作用下繞過(guò)單個(gè)圓柱障礙物的動(dòng)力學(xué)行為研究。討

5、論了偏心率、粘性比、壁面潤(rùn)濕性和邦德數(shù)對(duì)液滴變形、破裂的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明：偏心率影響液滴穿過(guò)圓柱的方式和子液滴尺寸，且存在一個(gè)臨界偏心率(βc)，當(dāng)偏心率大于βc時(shí)，液滴能夠完整繞過(guò)圓柱，當(dāng)偏心率低于βc時(shí)，液滴繞過(guò)圓柱時(shí)會(huì)發(fā)生破裂；粘性比影響液滴的破碎位置、子液滴形狀和數(shù)目、圓柱上方的液膜沉積及液滴繞過(guò)圓柱的時(shí)間tp；壁面潤(rùn)濕性影響殘留液滴在圓柱表面的分布和βc,βc隨接觸角的減小而增大，也即是當(dāng)親水性增強(qiáng)時(shí)，需要更大的孔隙才能

6、使液滴完整通過(guò)；邦德數(shù)對(duì)tp和βc有重要影響，tp隨著邦德數(shù)的增加而減小，βc隨著邦德數(shù)的增加而增大。
　　(3)作為上述工作的延續(xù)，本文又研究了液滴穿過(guò)兩列圓柱障礙物及多個(gè)圓柱填充的多孔介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)行為，得出如下結(jié)論：一方面，對(duì)于液滴穿過(guò)兩列圓柱的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)粘性比(λ)影響液滴的穿行及破裂狀態(tài)：當(dāng)λ>1時(shí)，液滴破裂為多個(gè)小液滴，反之，液滴則以細(xì)長(zhǎng)液柱完整通過(guò)；潤(rùn)濕性影響液滴穿行的路徑：高粘液滴在親水條件下緊繞兩列圓柱縱向間隙下降

7、，低粘液滴在疏水和親水條件下均沿圓柱橫向間隙下降，但后者與圓柱接觸位置會(huì)發(fā)生液滴的粘附和破裂，增加驅(qū)替難度；邦德數(shù)影響液滴的穿行速度和破裂狀態(tài)：當(dāng)λ>1時(shí)，增大邦德數(shù)不僅會(huì)加速液滴穿行，還會(huì)加劇液滴破裂；而對(duì)于λ<1，邦德數(shù)的變化對(duì)液滴的動(dòng)力學(xué)行為的影響較小。另一方面，對(duì)于液滴穿過(guò)圓柱填充的多孔介質(zhì)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)λ影響液滴穿過(guò)圓柱的縱向下降速度和橫向最大鋪展長(zhǎng)度。在同一邦德數(shù)作用下，高粘液滴的下降長(zhǎng)度大于低粘液滴，水平鋪展長(zhǎng)度則相反；壁面潤(rùn)

8、濕性和邦德數(shù)影響液滴是聚攏穿行還是分散移動(dòng)；孔隙尺寸和分布影響液滴在多孔介質(zhì)中的移動(dòng)區(qū)域及遷移時(shí)間。
　　總之，本文采用多相格子Boltzmann方法對(duì)液滴在多孔介質(zhì)中的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了粗糙微管道中液滴受剪切作用的動(dòng)力學(xué)行為和液滴繞過(guò)單個(gè)圓柱障礙物的變形、破裂問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了液滴穿過(guò)兩列圓柱和由多個(gè)圓柱填充的多孔介質(zhì)的流動(dòng)問(wèn)題，分析了液滴變形、破裂及遷移過(guò)程隨各個(gè)參數(shù)變化的規(guī)律及物理機(jī)制，并