基于格子Boltzmann方法的致密多孔介质内多相流体微观传输机理研究

致密多孔介质内多相流体的传输现象广泛存在于能源、环境及化学工程等众多领域。与常规多孔介质内的多相传输现象相比，致密多孔介质因其孔隙微小而使得多相流体流经其内部时表现出显著不同。无论是基于宏观连续模型的传统数值方法，还是微观的分子动力学方法，都因各自的不足而受到很大的限制。本研究利用近年来发展起来的以分子运动论为基础的介观格子Boltzmann方法，研究致密多孔介质内多相流体的微观传输机理，包括：发展微尺度多相流动的格子Boltzmann模型及边界条件；分析多相流体在致密多孔介质内的微观流动现象；揭示不同特性的多相流体通过致密多孔介质的微观传输过程；建立含有微尺度效应的相对渗透率、毛细压力与饱和度之间的关系式。本研究不但可以用来揭示致密多孔介质内多相流体的微观传输机理，而且对涉及这一基本问题的燃料电池的设计、低渗透油藏的开采、温室气体的地下埋存及地下水污染的处理均具有指导意义。

致密多孔介质内多相流体的传输问题广泛存在于能源、环境及化学工程等众多领域，也是工程热物理领域一个重要基础问题。本研究利用格子Boltzmann方法，系统研究了致密多孔介质内多相流体的微观传输机理。本项目圆满完成了项目研究计划设置的研究内容。首先，围绕多相格子Boltzmann(LB)方法的模型和边界处理开展了系统研究，主要包括：(1) 系统综述了已有的多相LB模型，并指出了已有部分模型的不足，并在此基础上，发展了一类能够用于描述多相、多组分流动的多松弛LB模型；(2)构造了一类局部的反反弹边界处理格式，该格式能够处理三类不同的边界条件，并基于此系统考察了多相LB模型的出口边界条件，发现之前在LB方法中常用的Neumann和外推边界条件在描述多相问题时会带来较大误差，必须使用对流边界条件；(3)发展了求解对流扩散方程的LB模型，该模型可以用来求解多相相场(Phase-field)模型中的Cahn-Hilliard方程，为设计新的多相LB模型提供了必要的基础。(4)在LB方法框架内给出了应力和应变的局部计算格式，并详细分析了外力对应力、应变计算的影响。同时，研究结果也表明多相系统中，外力对应力、应变的影响更为明显，不能忽略。在此基础上，本项目进一步发展了基于GPU的LB方法的高效算法，并以此详细研究了致密多孔介质内多相流体微观传输机理，主要包括：(1)开发了基于单个GPU的LB方法的高效算法，并在此基础上，进一步发展了基于多GPU的LB方法的并行算法；(2)研究了单个液滴在单个微尺度管道内的变形运动，单个液滴在微尺度粗糙壁面的迁移规律，单个液滴绕过固体障碍物的变形、碰撞、破碎过程，以及单个液体通过简单致密多孔介质的复杂运动过程，并详细考察了壁面润湿特性、Bond数、粗糙度以及偏心率等各种参数对液滴迁移过程的影响；(3)考察了单个微尺度腔体内两相混合流动、驱替过程，并重点分析了接触角、毛细管数以及腔体形状对驱替效果的影响；(4)发展了用于研究复杂多孔介质流动的高效GPU算法，并以此考察了致密多孔介质内非混相驱替过程。本研究不但揭示了致密多孔介质内多相流体的微观传输机理，而且对涉及这一基本问题的燃料电池的设计、低渗透油藏的开采、温室气体的地下埋存及地下水污染的处理均具有指导意义。