【摘 要】
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孔隙尺度下非牛顿流体模拟广泛应用于石油开采、生物医学中动脉瘤诊疗等领域,具有重要的实用价值和指导意义。由于非牛顿流体通常具有更复杂的本构方程,其粘度与剪切速率或速度梯度有关,传统计算方法难以有效处理这一问题。格子Boltzmann(LB)方法,作为一种具有动理学背景的介观数值方法,被广泛应用于非牛顿流体流动研究。它易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行化,在模拟复杂流体流动时展现了极大优势。本文利
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孔隙尺度下非牛顿流体模拟广泛应用于石油开采、生物医学中动脉瘤诊疗等领域,具有重要的实用价值和指导意义。由于非牛顿流体通常具有更复杂的本构方程,其粘度与剪切速率或速度梯度有关,传统计算方法难以有效处理这一问题。格子Boltzmann(LB)方法,作为一种具有动理学背景的介观数值方法,被广泛应用于非牛顿流体流动研究。它易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行化,在模拟复杂流体流动时展现了极大优势。本文利用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究孔隙尺度下非牛顿流体流动,并预测了多孔介质中非牛顿流体的渗透率的变化。首先,利用该模型数值模拟非牛顿流体(幂律流体和Bingham流体)在二维管道中的流动,验证了当前模型的有效性。当前MRT模型比传统Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)模型更加稳定,且同样具有二阶精度。其次,将微观结构理想化为圆形、方形、三角形组成的三种多孔介质形状,其介质大小的变化产生了具有不同孔隙率的多孔介质,其渗透率随孔隙率呈现一定的变化趋势。相同孔隙率下,多孔介质渗透率受到其微观结构排列的影响,其中方形排列相比圆形排列下的渗透率低,三角形排列最低。受惯性效应的影响,孔隙下的渗透率在不同雷诺数下发生变化,且与非牛顿流体本身性质有关。最后,利用随机重建技术(四参数生长法)生成更接近现实孔隙的随机多孔结构。模拟随机多孔介质内流体的流动,基于孔隙内剪切速率计算等效粘度,定性的给出粘度对流体流动的影响。相比于理想化多孔介质,现实多孔介质下非牛顿流体与介质间的接触相对增多,渗透率在相同低孔隙率下更小且变化范围更小。同样,随机多孔介质中的流动也受非牛顿流体本身性质影响。
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