多孔介质内混溶粘性指进现象的格子Boltzmann方法研究

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多孔介质内的混溶粘性指进作为驱替过程中常见的界面不稳定问题,广泛存在于二氧化碳驱油、地下水污染治理、凝胶化聚集和微流体机电等工程应用环节。由于该问题涉及到多个研究尺度,包含对流与扩散等多种物理过程,加之界面不稳定现象的存在,目前人们对其流动规律的研究还极为有限。本文选择格子Boltzmann方法作为工具,对混溶粘性指进现象的演化过程进行了数值模拟,克服了传统数值方法边界处理复杂和计算量大等缺点。针对多孔介质内的混溶粘性指进问题,本文主要从以下几个方面开展了相关研究:  首先,提出了一个模拟多孔介质内流动及扩散过程的耦合格子Boltzmann模型。该模型采用两个相互独立的分布函数分别求解达西定律和对流扩散方程。对流体粘度相同的混溶驱替问题的模拟结果表明,该模型能正确描述流体在多孔介质内的流动行为。  其次,对等温混溶粘性指进现象进行了二维和三维数值模拟。二维模拟主要分析了Peclet数和流体粘度比的影响。其中,对于Peclet数的作用,不仅研究了其取值较低时的流动规律,还探讨了高Peclet数条件下的指进演化过程。研究结果显示:粘度比和Peclet数的增加,会促进指进现象的形成,降低驱替效率;界面处混合区域长度的增长过程可分为两个阶段,并且在第二阶段增长得更快。三维模拟与二维模拟的对比结果显示,三维粘性指进现象随Peclet数和粘度比而变化的趋势与二维情况相一致,但在进行定量比较时,发现二者的驱替效率存在明显差异。  最后,考虑了温度对流体粘性的影响,研究了非等温混溶粘性指进现象的演化规律。模拟结果表明:热惯性系数的减小和Lewis数的增大,减弱了温度梯度对界面不稳定性的影响,使界面的演化趋势与温度梯度所促进的方向相反。
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