基于孔隙结构的页岩渗透率计算方法

采用修正表观渗透率的达西定律可描述气体在致密页岩中的运移机制。表观渗透率可用固有渗透率和孔隙度表示,而常规的试验方法无法准确测量页岩气藏的固有渗透率和孔隙度。提出一种基于孔隙结构图像的页岩固有渗透率、孔隙度和表观渗透率计算方法,首先基于X射线衍射和扫描电镜分析页岩岩心的矿物组成和孔隙结构,采用马尔科夫链蒙特卡洛方法构建页岩三维数字岩心,并应用格子Boltzmann方法计算数字岩心的孔隙度和固有渗透率,得到固有渗透率和孔隙度的关系式并计算页岩的表观渗透率。结果表明:页岩中孔隙主要为纳米级孔隙和微米级孔隙;努森数小于0.01时表观渗透率等于固有渗透率,此时达西定律仍然适用;努森数大于0.01时,数值越大,表观渗透率系数越大,此时达西定律不再适用;固有渗透率越小,压力越小,表观渗透率系数越大。     

利用格子Boltzmann方法确定岩石孔隙空间中的气水分布

基于三维数字岩心模拟岩石电阻率时,最关键的一步是获取不同含水饱和度的岩心,确定不同含水饱和度下岩石孔隙空间的流体分布,常用方法的数学形态只是一种数字图像处理技术,并未考虑流体自身的物理特性以及流体与岩石骨架、流体与流体之间的相互作用。采用格子Boltzmann方法模拟了气水分离过程,确定了储层岩石孔隙空间中的气水分布,能真实地再现表面张力、润湿性等基本界面现象。该数值模拟方法得到的气水分布规律与澳大利亚国立大学数字岩石物理实验室的X射线CT扫描实验结果基本吻合。为开展气岩石声电特性数值模拟研究奠定了基础。     

热格子Boltzmann方法分析及应用

格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）是一种基于气体动理论的介观计算方法,其物理背景清晰、边界处理简单,已成功应用于等温（或无热）流动中.简要介绍现有的几种热格子Boltzmann模型,并运用几种热格子模型求解热Couette流、方腔自然对流等典型算例,对比不同热格子模型的数值稳定性、准确性、模型的计算效率等.将两种热格子模型用于多孔介质内的流动与传热问题中,对比热格子模型在处理复杂结构时的数值特性.     

Burgers方程的格子Boltzmann方法模拟

用一维格子Boltzmann方法构造O(ε^4)的Burgers方程模型．格子Boltzmann方法的数值模拟结果与具有特定边界条件的Burgers方程的解析解精确吻合．     

桌面计算机上利用格子Boltzmann方法的GPU计算

介绍了在桌面计算机上利用格子Boltzmann方法(LBM)与图形处理器(GPU)计算的发展背景,分析了LBM的标准形式及其天生并行特性的成因,介绍了所采用的CUDA编程模型及Kepler计算架构.为了验证桌面计算机上利用LBM的GPU计算的应用能力,对二维方柱绕流问题进行了数值模拟,并将模拟结果与有限体积法的计算结果进行对比.结果表明:对于方柱绕流问题,GPU计算的模拟计算效率约为CPU计算的3.4倍,桌面计算机上利用LBM的GPU计算具有一定的通用科学计算能力.     

用格子Boltzmann方法计算椭圆柱绕流的阻力

用格子Boltzmann方法模拟椭圆柱绕流, 研究椭圆柱形状对阻力的影响. 对圆柱绕流问题进行了数值模拟, 阻力系数的数值计算结果与相关文献数值相符. 计算了当Re=200, 椭圆柱纵轴长度不变、 横轴长度逐渐变大时几种不同形状的椭圆柱绕流, 并用插值方法处理了曲线边界, 用动量转换法计算了曲线边界受力. 计算得到了不同形状椭圆柱绕流的流线、 涡线以及阻力系数随横轴/纵轴长度比的变化趋势. 通过分析流线和涡线的变化, 给出了阻力变化的机理.     

基于格子Boltzmann方法的液力

研究了基于格子Boltzmann方法(LBM)的液力变矩器导轮内流场数值计算理论与方法.首先,提出了LBM中处理旋转周期性边界条件的方法.然后,分析了LBM中各项参数对于计算稳定性以及计算效率之间的影响.为了保证粒子迁移与碰撞计算的稳定进行,必须合理选定弛豫时间τ,从而避免在计算过程中平衡态分布函数feq出现负值的情形.此外,在LBM中运用大涡模拟(LES)可以降低计算稳定性对于弛豫时间τ选取的限制,在一定程度上提高计算效率.最后,在开源代码Palabos的基础上进行功能拓展,实现导轮内流场的仿真计算,得到了导轮尾迹区域瞬时非定常流动分布特征.结果表明,LBM与传统计算流体力学(CFD)方法相比,液流对导轮作用力的计算结果在数值上较为接近.然而,使用LBM可以获得详细流场形成过程的时间历程以及局部复杂的流动细节.     

偏格子中的格子Boltzmann方程

给出偏格子的格子Boltzmann模型. 应用Chapman-Enskog展开和多重尺度技术, 通过 选择平衡态分布函数的高阶矩和偏张量的形式, 得到偏网格上的Euler方程.     

用格子Boltzmann方法模拟MKDV方程的行波解

用精确到0(ε^4)的5速格子Boltzmann模型较系统地对MKDV方程：ut θu^2ux βuxxx=0的行波解进行了模拟，并将模拟的数值结果与相应的理论结果进行了比较，模拟值与理论值吻合很好。     

用格子Boltzmann方法计算剪切流的方柱绕流问题

用格子Boltzmann方法计算来流为水平剪切流的方柱绕流问题, 得到了在不同速度梯度条件下方柱绕流的流线和等涡线图. 发现在圆柱尾部形成两排涡, 当来流速度梯度较大时, 两排涡有很大的不同. 计算结果表明, 用格子Boltzmann方法计算剪切流的方柱绕流问题是可行的, 计算结果与理论分析相符.     

用lattice Boltzmann方法模拟矩形竖腔内混合对流

用lattice Boltzmann方法(LBM)模拟了纵横比(高度与宽度之比)大于1的矩形竖腔内同时存在自然对流和强制对流的混合流动时流场与温度场分布.比较了不同雷诺数(Re)、瑞利数(Ra)下矩形腔的流场分布在不同纵横比时的特点,研究了这些参数值对混合对流换热的影响,提出混合对流存在时Re和Ra对流动和换热的影响可由Richardson数(Ri)综合反映,并得到在不同纵横比时平均Nusselt数(Nu)随Ra和Re的变化关系式.与常用的LBGK模型不同,用了LB力矩模型.     

Simulation of mesoscale interfacial properties using the lattice Boltzmann method

We derive the mesoscopic interparticle potentials from macroscopic thermodynamics for van der Waals, Redlich-Kwong, and Redlich-Kwong-Soave equations of state and find that all these potentials are very similar to the Lennard-Jones potential. To in-vestigate the interfacial property at the mesoscale level, we incorporate free energy functions into the single-component multiphase lattice Boltzmann model and obtain the saturated density coexistence curves and interface mass density profiles across the interface using this method with different equations of state. The simulation results accurately reproduce the properties of equilibrium thermodynamics. Numerical results for single-component phase transitions indicate that a bubble-growth process is obtained and the equilibrium phase diagram is achieved at a given temperature. Bulk free energy, the interfacial energy coefficient, and other properties of nonequilibrium thermodynamic parameters, which are used to examine interfacial properties, are obtained in these simulations, and all these parameters are found to obey irreversible thermodynamics.     

New boundary treatment methods for lattice Boltzmann method

0　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｓｉｍｐｌｅｓｔａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｌｙｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｌａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｏｎｅｗｉｔｈｔｈｅＢＧＫ (Ｂｈａｔｎａｇａｒ Ｇｒｏｓｓ Ｋｒｏｏｋ)ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒ[1]ｆα(ｒ+ｅαδｔ,ｔ+δ1) -ｆα(ｒ ,ｔ)=1τ[ｆ( 0 )α (ｒ ,ｔ) -ｆα(ｒ ,ｔ) ],α =0 ,1,2 ,… ,ｂ(1)ｗｈｅｒｅｆα(ｒ ,ｔ)ｉｓｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅα ｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ;ｆ( 0 )α :ｔｈｅｃｏｒｒｅｓ…     

Simulation of phase transition process using lattice Boltzmann method

A new lattice Boltzmann model based on SC model, is proposed to describe the liquid-vapor phase transitions. The new model is validated through the simulation of the one-component phase transition process. Compared with the simulation results of van der Waals gas and the Maxwell equal-area construction, the results of the new model have a better agreement with the analytical solutions than those of SC and Zhang models. Since the obtained temperature range and the maximum density ratio in this model are expanded, and the magnitude of maximum spurious current is only between those of SC and Zhang models, it is believed that this new model has better stability than SC and Zhang models. Consequently, the application scope of this new model is expanded compared with the existing phase transition models. According to the principle of the corresponding states in engineering thermodynamics, the simulations of ammonia and water phase transition process were implemented using this new model with different equations of state. Compared with the experimental data of ammonia and water, the results show that the Peng-Robinson is the best equation of state to describe the phase transition process of ammonia and water. Especially, the simulation results of ammonia with Peng-Robinson equation of state have an excellent agreement with its experimental data. Therefore these simulation results have a significant influence on the real engineering applications.     

基于格子玻尔兹曼方法的致密砂岩驱替模拟

基于数字岩心建模方法和格子玻尔兹曼方法,开展致密砂岩水驱模拟研究,分析致密砂岩水驱微观过程和机制。首先利用大庆油田龙虎泡地区高台子组致密砂岩CT扫描数据,建立三维数字岩心模型;然后利用Shan-Chen格子玻尔兹曼方法,建立油水两相驱替数值模型;之后对比分析不同注入速度和注入压力条件下驱替效率、换油率与驱替参数的关系,并给出致密砂岩三维微观孔隙尺度的驱替过程。结果表明:相同累积注入量条件下,提高水驱注入速度和驱替压差可以提高最终驱替效率;水驱注入速度和驱替压差存在驱替效率拐点;恒速水驱的平均最终驱替效率为49.6%,恒压水驱的平均最终驱替效率为47.3%。     

垂直转子轴式微型泵的LBM模拟

为了对垂直转子轴式微型泵内部流动规律进行深入研究,采用格子Bo ltzm ann法(LBM)对该微型泵全流场进行了数值模拟。采用基于插值公式及固壁处动量平衡的弯曲固壁统一边界条件和移动边界条件,对具有圆、椭圆、互垂直双椭圆等3种不同截面形状转轴的微型泵内部流动进行了定常与非定常的计算,得到了微型泵进出口处平均压差、出口处平均量纲一化速度随时间的演化过程。结果表明:随着R eyno lds数的减小,流体的粘性作用不断增大,垂直转子轴结构可对流体进行更加有效的输送;圆形截面转轴比椭圆和互垂直双椭圆截面转轴具有更好的泵送性能。     

Insights on cellulose hydrolysis in the porous structure of biomass particles using the lattice Boltzmann method

Lignocellulose biomass has been recognized as one of the most promising sources of low-cost and renewable biofuels, and its conversion into alternative fuels and valuable platform molecules has attracted widespread attention. The porous solid residue from lignocellulose biomass, which was pretreated by steam-stripping, is catalyzed by dilute sulfuric acid to form levulinic acid (LA). The process includes porous media diffusion, multicomponent reactive transport, liquid-solid interface reaction, and cellulose dissolution. Understanding the interactions between these complex physicochemical processes is the basis for optimizing the performance of the hydrolysis reaction. In this study, a porous reaction transport model based on the lattice Boltzmann method (LBM) was established to simulate the conversion of cellulose to LA which was catalyzed by dilute acid. The simulation results were compared with the existing experimental results to verify the accuracy of the model. The simulation results showed that temperature has a significant effect on hydrolysis and the highest carbon yield was obtained at 180 °C. Without considering the lignin reaction, the higher the sulfuric acid concentration, the better is the hydrolysis efficiency in the range of 4% – 8%. The influence of cellulose content and steam-stripping the residue porosity on the dissolution rate of cellulose was also evaluated. The average dissolution rate of cellulose is the highest within 75 min, when the porosity is 0.7 and the cellulose content is 50%.     

气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用反弹-镜面反射(BSR)组合边界格式的格子Boltzmann方法(LBM)对气体微尺度流动进行了模拟计算,模拟结果能够与已有的研究结果较好吻合.分析了BSR组合边界格式中比例系数的选取与Knudsen数的关系,研究结果表明,当Kn∈(002,016)时,比例系数随Knudsen数的增加呈现先减小后增大的趋势,当Knudsen数约在0055~0072范围内时,比例系数有最小值.在此基础上,对BSR组合边界格式中的比例系数进行了修正,明显改善了数值计算的结果,为微尺度气体流动的LBM模拟提供了参考.     

微通道内甲醇重整反应的LB方法

利用格子Boltzmann方法对微通道内甲醇水蒸汽重整制氢反应过程进行模拟,建立了双速率动力学平行反应机理的格子演化模型。分析了边界温度和进口流速的变化对甲醇转化率,氢气和一氧化碳的出口含量以及通道中的最大温差的影响。当边界温度和进口速度一定时,分析了整个反应过程中各组分的变化情况。结果表明,在水醇比,边界温度以及进口速度分别为1.3、523 K、0.1 m/s的情况下:甲醇出口转化率最高达94.36%;氢气的含量为0.0989;CO的含量为0.0095%。发现随边界温度升高,进口流速的减小,CO的含量会进一步增加。     

二维方腔内热表面张力流的格子Boltzmann方法模拟

热表面张力驱动的对流是微重力下浮区法晶体生长中熔体最重要的物质与热输运方式。采用单松弛双分布函数格子Boltzmann模型,自主开发了相应的格子Boltzmann方法的串行和MPI并行程序包,并应用该程序包对开口方腔内流体的二维热表面张力对流进行了数值模拟研究。其中串行程序合并碰撞迁移过程和引入临时数组以连续读入分布函数,相比分开碰撞迁移过程,计算性能提高了二倍;在此基础上,采用单向计算区域分区和非阻塞通信模式,实现了MPI版格子Boltzmann并行程序包开发。对比基于传统有限体积法CFD程序计算结果表明,串行和MPI并行版格子Boltzmann程序包计算结果精确可靠;并行程序具有较好的性能。