【摘要】：流體在裂縫型多孔介質(zhì)中的流動(dòng)普遍存在于能源、環(huán)境、化工等領(lǐng)域,如頁(yè)巖氣開發(fā)、石油工程和地下水工程等。由于裂縫型多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性,數(shù)值模擬方法研究此類復(fù)雜滲流發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。近年發(fā)展起來(lái)的介觀方法由于其固有的全尺度特性,且處理復(fù)雜邊界方便、易于并行,在模擬這類多尺度流動(dòng)時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要用格子玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)來(lái)研究這類問(wèn)題。經(jīng)典的LBM雖然簡(jiǎn)單,但是不能使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在刻畫裂縫中復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)這一劣勢(shì)更為明顯。最近提出的離散統(tǒng)一氣體動(dòng)理學(xué)格式(Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS)也是一種介觀方法,它采用有限體積格式,可以使用任意的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并且具有穩(wěn)定性好,數(shù)值耗散小的特點(diǎn),非常適合處理裂縫這類具有復(fù)雜邊界的多尺度問(wèn)題,但是還未見相關(guān)研究。本文針對(duì)裂縫型多孔介質(zhì)內(nèi)的不可壓流動(dòng),發(fā)展了DUGKS數(shù)值模擬方法,并針對(duì)若干典型滲流問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要工作包括:(1)基于OpenFOAM,開發(fā)了針對(duì)等溫不可壓流動(dòng)的DUGKS求解器,具有計(jì)算量更小、效率更高的特點(diǎn),并且較易采用任意非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,提高了DUGKS求解復(fù)雜幾何、特別是多孔介質(zhì)流動(dòng)問(wèn)題的靈活性。(2)提出了基于通用滲流模型的滲流DUGKS方法,并通過(guò)Poiseuille流、Couette流和Cavity流進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,DUGKS在大Re數(shù)和大Da數(shù)時(shí)的高速滲流工況仍然能計(jì)算準(zhǔn)確,并且在使用非均勻網(wǎng)格時(shí)精度更高;在孔隙率趨近于1時(shí),滲流DUGKS方法可以準(zhǔn)確恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)Navier-Stokes方程,DUGKS方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和網(wǎng)格靈活性得到充分體現(xiàn)。(3)將DUGKS應(yīng)用于均質(zhì)多孔介質(zhì)滲透率的預(yù)測(cè)和流場(chǎng)模擬,分別用二維和三維經(jīng)典問(wèn)題驗(yàn)證了方法的有效性,然后將DUGKS應(yīng)用到接近真實(shí)的充滿大量隨機(jī)小球的圓管流動(dòng)中,并在宏觀流動(dòng)和微觀速度兩種層面上考察了DUGKS的計(jì)算結(jié)果,與其他主流孔隙數(shù)值算法結(jié)果均保持一致。(4)用發(fā)展的滲流DUGKS方法模擬了裂縫型多孔介質(zhì)內(nèi)的不可壓流動(dòng),驗(yàn)證了非均勻網(wǎng)格應(yīng)用時(shí)的優(yōu)勢(shì),計(jì)算了二維巖芯構(gòu)造的基質(zhì)-裂縫系統(tǒng)的滲透率,結(jié)果與采用孔隙模擬的文獻(xiàn)解保持一致,復(fù)現(xiàn)了立方定律,探究了基巖的滲透率大小對(duì)裂縫和整個(gè)裂縫系統(tǒng)的影響,確定了立方定律成立的邊界。
【圖文】：

存在于能源、環(huán)境、化工等領(lǐng)域，包括頁(yè)巖關(guān)研究揭示其中的流動(dòng)規(guī)律和機(jī)理不但能指導(dǎo)人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中對(duì)此過(guò)程的預(yù)測(cè)和氣資源需求量的穩(wěn)步增加，以頁(yè)巖氣為代略資源。頁(yè)巖氣藏在世界范圍儲(chǔ)量豐富、分發(fā)的熱點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)能源信息情報(bào)署 2011方，其中美國(guó)為 108 萬(wàn)億方，中國(guó)為 144 萬(wàn)億方，，其中美國(guó)為 28.3 萬(wàn)億方，中國(guó)為 36.1術(shù)可采儲(chǔ)量都要比美國(guó)豐富。而在產(chǎn)量方方，而 2011 年中國(guó)所有天然氣的年產(chǎn)量為前中國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣藏的研究尚處于成藏機(jī)理發(fā)中

人們可以。但是孔體結(jié)構(gòu)信孔隙眾多，REV 是指多孔介質(zhì)的一個(gè)控制體積，它包大得多，但是又比整個(gè)滲流區(qū)域小得多，可如圖 2。以 REV 為基本單元的多孔介質(zhì)可上的平均物理量，例如多孔介質(zhì)中某點(diǎn)x處0 ( )( )im( )fV xV xV x→(1.1)中心的控制體體積、所包含的孔隙體積和基V 為基本單位的流體宏觀物理量圖 2 REV 與孔隙的相對(duì)尺寸大小。pd 為顆粒直徑，量級(jí)為毫米。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O357.3

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本文編號(hào)：2656379