裂缝型多孔介质渗流的离散统一动理学格式及数值模拟

发布时间：2020-05-09 15:53

【摘要】：流体在裂缝型多孔介质中的流动普遍存在于能源、环境、化工等领域,如页岩气开发、石油工程和地下水工程等。由于裂缝型多孔介质结构复杂,并且具有强烈的非均质性,数值模拟方法研究此类复杂渗流发挥越来越重要的作用。近年发展起来的介观方法由于其固有的全尺度特性,且处理复杂边界方便、易于并行,在模拟这类多尺度流动时有很大优势。目前国内外学者主要用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)来研究这类问题。经典的LBM虽然简单,但是不能使用非结构网格,在刻画裂缝中复杂的孔隙结构时这一劣势更为明显。最近提出的离散统一气体动理学格式(Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS)也是一种介观方法,它采用有限体积格式,可以使用任意的非结构网格,并且具有稳定性好,数值耗散小的特点,非常适合处理裂缝这类具有复杂边界的多尺度问题,但是还未见相关研究。本文针对裂缝型多孔介质内的不可压流动,发展了DUGKS数值模拟方法,并针对若干典型渗流问题进行了数值模拟。主要工作包括:(1)基于OpenFOAM,开发了针对等温不可压流动的DUGKS求解器,具有计算量更小、效率更高的特点,并且较易采用任意非结构网格,提高了DUGKS求解复杂几何、特别是多孔介质流动问题的灵活性。(2)提出了基于通用渗流模型的渗流DUGKS方法,并通过Poiseuille流、Couette流和Cavity流进行了验证。结果表明,DUGKS在大Re数和大Da数时的高速渗流工况仍然能计算准确,并且在使用非均匀网格时精度更高;在孔隙率趋近于1时,渗流DUGKS方法可以准确恢复到标准Navier-Stokes方程,DUGKS方法的准确性、稳定性和网格灵活性得到充分体现。(3)将DUGKS应用于均质多孔介质渗透率的预测和流场模拟,分别用二维和三维经典问题验证了方法的有效性,然后将DUGKS应用到接近真实的充满大量随机小球的圆管流动中,并在宏观流动和微观速度两种层面上考察了DUGKS的计算结果,与其他主流孔隙数值算法结果均保持一致。(4)用发展的渗流DUGKS方法模拟了裂缝型多孔介质内的不可压流动,验证了非均匀网格应用时的优势,计算了二维岩芯构造的基质-裂缝系统的渗透率,结果与采用孔隙模拟的文献解保持一致,复现了立方定律,探究了基岩的渗透率大小对裂缝和整个裂缝系统的影响,确定了立方定律成立的边界。
【图文】：

存在于能源、环境、化工等领域，包括页岩关研究揭示其中的流动规律和机理不但能指导人们在实际应用中对此过程的预测和气资源需求量的稳步增加，以页岩气为代略资源。页岩气藏在世界范围储量丰富、分发的热点。根据美国能源信息情报署 2011方，其中美国为 108 万亿方，中国为 144 万亿方，，其中美国为 28.3 万亿方，中国为 36.1术可采储量都要比美国丰富。而在产量方方，而 2011 年中国所有天然气的年产量为前中国对页岩气藏的研究尚处于成藏机理发中

人们可以。但是孔体结构信孔隙众多，REV 是指多孔介质的一个控制体积，它包大得多，但是又比整个渗流区域小得多，可如图 2。以 REV 为基本单元的多孔介质可上的平均物理量，例如多孔介质中某点x处0 ( )( )im( )fV xV xV x→(1.1)中心的控制体体积、所包含的孔隙体积和基V 为基本单位的流体宏观物理量图 2 REV 与孔隙的相对尺寸大小。pd 为颗粒直径，量级为毫米。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.3

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本文编号：2656379