多孔介質(zhì)中流動的格子Boltzmann模擬.pdf

1、復(fù)雜邊界內(nèi)流體的流動現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工和冶金等領(lǐng)域,是過程工程的核心研究對象之一。流-固邊界的高度復(fù)雜性阻礙了人們詳細(xì)測量內(nèi)部流體的流動規(guī)律,是造成相關(guān)系統(tǒng)工業(yè)放大困難的重要原因,對其精確描述也是計(jì)算流體力學(xué)面臨的嚴(yán)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(yùn)問題中復(fù)雜的流-固邊界和多相流體界面,為這類含有復(fù)雜邊界系統(tǒng)的詳細(xì)模擬提供了可能。本文

2、按照多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、流體構(gòu)成的復(fù)雜程度逐漸增加的順序,依次研究了人工多孔介質(zhì)、自然多孔介質(zhì)中的單相、多相流動,以及粗?；匀欢嗫捉橘|(zhì)中的單相流動。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴以流化床反應(yīng)器中的顆粒團(tuán)聚物這一典型的具有復(fù)雜邊界的多孔介質(zhì)為對象,開發(fā)并完善適用于復(fù)雜邊界構(gòu)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(gòu)型團(tuán)聚物內(nèi)流動狀況進(jìn)行計(jì)算。通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可以得到團(tuán)聚物受力與顆粒雷諾數(shù)、密相份額與密相空隙率的關(guān)系,進(jìn)

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(yàn)EMMS(Energy-Minimization Multi-Scale。能量最小多尺度)模型中曳力模型的正確性,進(jìn)一步確定利用EMMS稀密相曳力公式時(shí)對應(yīng)的稀密相臨界點(diǎn),并且研究了此臨界點(diǎn)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(yàn)了基于GPU(Graphics Processing Unit,圖形處理器)的多弛豫時(shí)間LBM(MRT-LBM)求解器的基礎(chǔ)上,以油氣開

4、采中地下滲流這一典型的自然多孔介質(zhì)中的流動為對象,研究了真實(shí)二維巖心剖面多縫系統(tǒng)內(nèi)的流動規(guī)律。以X射線微觀層析成像技術(shù)提取的數(shù)字巖心作為數(shù)值計(jì)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比,結(jié)果表明LBM基于GPU的計(jì)算能夠準(zhǔn)確、高效地給出多孔介質(zhì)的輸運(yùn)性質(zhì),具有重要的應(yīng)用前景。
　　 ⑶為解決多孔介質(zhì)中多相流體界面的不穩(wěn)定性,對LBM贗勢多相模型進(jìn)行了改進(jìn)。具體地,通

5、過改進(jìn)添加體力的方式、引入具有堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)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(jì)算模型。利用改進(jìn)模型研究相變、流體驅(qū)替等問題,所獲結(jié)果為多相流領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)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(zhì)中的單相流進(jìn)行了LBM的粗?；?jì)算。根據(jù)格子氣自動機(jī)模型計(jì)算多孔介質(zhì)流的平均化思想,改進(jìn)相應(yīng)的粗?；疞BM模型,將多個(gè)顯微斷層成像得到的計(jì)算格點(diǎn)對應(yīng)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(jìn)行了粗?；?jì)算。結(jié)果表明,粗?；疞BM可以節(jié)省大量的計(jì)算資源并且可以給出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
　　 ⑸為利用LBM易于并行的優(yōu)點(diǎn)和GPU擅長高度并行計(jì)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(jì)算構(gòu)架)平臺進(jìn)行LBM的GPU加速并行化計(jì)算,研究結(jié)果展示了