文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123526
多孔介质内不混溶两相流的LBM研究
周娜1,2,杨剑1,竹鼻健祐2,末包哲也3,王秋旺1,*
(1西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室,西安,中国 710049)
(2德岛大学工学部机械工程学科,德岛,日本)
(3东京工业大学能源科学部,横滨,日本)
(Tel: 029-82663222, E-mail: ******@.)
摘要:本文利用LBM方法对多孔介质内的不混溶两相流体驱替问题进行了数值模拟研究。首先模拟了Laplace法则和接触角问题,验证了该方法处理流流之间以及流固之间相互作用的有效性。利用球体随机堆积方法生成多孔介质模型,%。运用LBM对初始充满气体的多孔介质的注水过程进行了数值模拟,得到了最终残余气体的分布情况,%。
关键词:LBM 多孔介质两相流
0 前言
多孔介质内的两相流动涉及到石油工业、地下水文学、燃料电池、CO2的捕获和封存等自然及工业技术的诸多方面,在几十年来日益受到关注。人们针对这个问题开展了大量的实验和数值模拟研究。多孔介质孔隙结构和内部流动现象的复杂性使得从细观角度捕捉其流动规律具有相当的难度,这就限制了我们对该现象本质的认识和理解。但是仍有不少研究者借助核磁共振(MRI)[1,2,3]、CT扫描[4]等技术手段,对多孔介质内孔隙结构以及两相流动问题进行了微观实验研究。数值模拟方面,孔隙网络模型被广泛应用来实现孔隙尺度的研究[5]。而近年来格子玻尔兹曼方法(LBM)日益受到人们的关注。LBM是一种不同于传统数值方法的流体计算和建模方法,它的微观粒子背景使其具有一些独特的优点,如能够方便地处理流体与固体边界之间、不同流体组分或相态之间、流体界面之间等复杂的相互作用,演化过程清晰,适于并行计算等[6]。因此LBM在处理多孔介质内的流动问题时具有独特的优势,在这方面的研究应用越来越多,实践过程中发展出了多种格子玻尔兹曼模型[7]。一些研究者以扫描成像技术所得的孔隙结构作为数值模拟的孔隙模型[5,8,9],这样的模拟研究能更真实地反应实际的孔隙结构特点。
本文采用Shan和Chen等提出的SC模型,对以CO2地下残余气封存为研究应用背景的多孔介质内气体驱替过程进行了三维数值模拟,旨在通过该工作更好地理解气体封存的机理。
1 模型描述
Shan和Chen等于1993年提出了一个多组分流体模型(SC模型)。它通过一个相邻格子间的非局部相互作用力来模拟粒子间的相互作用。运用BGK碰撞算子,在粒子的相互作用下,碰撞算子引起局部格子上的动量不守恒,但是不考虑边界效应时,整个计算空间内的总动量是守恒的[10]。相比1988年由Rothman 和Kleller提出的不相混两相流的格子气模型(RK模型),SC模型有了很大改进,它能模拟更大的表面张力,并且流体界面处产生的误差流的强度和范围也较小[11]。
资助项目:国家自然科学杰出青年基金资助项目(No:51025623),国家自然基金资助项目(No:
51106126), 国家重点基础研究发展计划资助(973项目:2012CB720402)。
本文将SC模型用于三维多孔介质气液两相流系统。首先,玻尔兹曼方程可表示为