基于LBM多孔介质内液固流动特性的数值模拟研究

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多孔介质中的液固流动现象在化学、农业、生物以及工业等领域中广泛存在,尤其是在石油工业领域中,小颗粒在岩石孔隙中的运移和沉积会造成储层渗透性降低,影响原油的正常开采。因此,对多孔介质中的液固流动特性进行研究有助于揭示悬浮颗粒的运移和沉积机制,可以为地下储层中石油的勘探和提高采收率提供依据。本文基于格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)对三维多孔介质内流体和悬浮颗粒流动进行数值模拟研究。其中有限体积颗粒法用于构造多孔介质中的固定颗粒和悬浮颗粒,采用Half-way反弹格式处理颗粒与流体之间的相互作用。同时引入量纲分析法,进行了格子单位与实际物理单位之间的单位转化。运用颗粒动理学的分析方法探究了颗粒与孔隙壁面及颗粒之间的相互作用,数值模拟的结果体现了局部颗粒间的相互作用对多孔介质内宏观流动特性的影响。研究结果表明,液相速度的增加减少了悬浮颗粒在多孔介质中的运移时间,阻碍了颗粒受重力作用的影响而向下沉积,达到稳定的时间可以缩短46.3%。雷诺应力、颗粒拟温度、颗粒轴向速度相应增加,同时降低了颗粒沉积率和颗粒停留时间。随着液相粘度的升高,颗粒拟温度先降低后增加,颗粒沉积率和停留时间先增加后降低,颗粒易于沿着流体主流通道运动。雷诺应力减小,颗粒接触力先增加后降低,入口压力和出口压力分别升高和降低。随着孔隙率的降低,颗粒拟温度会升高,颗粒与孔隙壁面的接触变多,沉积率先增加后降低。孔隙率越低,颗粒轴向速度、雷诺应力和颗粒接触力沿轴向分布变化越频繁,压力变化更大。随着颗粒密度的增加,颗粒停留时间和颗粒拟温度先减少后增加,颗粒沉积率先升高后降低,平均雷诺应力和颗粒法向接触力先减小后升高,颗粒密度为2150 kg/m~3时颗粒轴向速度最高可以达到1720 kg/m~3和2580 kg/m~3时的5倍多。随着颗粒粒径的增加,颗粒间的碰撞减少,沉积率下降,颗粒拟温度增加。颗粒停留时间先减小后升高。
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