微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。

基于LBM的低导热材料板强化沸腾换热机理分析

为进一步强化沸腾换热,通过在固体加热器的上壁面附近嵌入多段低导热材料板,实现了沸腾换热的受热面上的温度随空间的交替变化。采用单组分多相LBM,考察了低导热材料板的数量和间隙间距对沸腾换热性能和气泡动力学的影响,从微观角度揭示了添加低导热材料板强化沸腾换热的机理。结果表明:气泡动态行为随间隙间距的增大而发生变化,会出现气泡合并、独立生长等气泡脱离过程。结合气泡动态行为、温度场和流场分析,发现气泡首先会在间隙受热面处成核生长,脱离气泡的涡流可以促进生长气泡在受热面的横向迁移和合并过程,在一定间隙间距范围,气泡会相互融合形成较大的液桥,液桥的存在能够促进受热面气泡根部周围微层的蒸发,推动了间隙受热面处的冷流体再润湿过程。添加多段低导热材料板,间隙处热量积聚、气泡合并形成液桥、间隙受热面的再润湿、气泡横向迁移和多气泡的快速合并等这些过程的共同作用强化了沸腾换热性能。

基于LBM-DEM细观数值模拟的水力诱导覆盖型岩溶地面塌陷发育过程分析

文章以水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷为背景,基于离散元方法和格子Boltzmann方法,采用Bouzidi插值反弹边界格式和动量交换法,建立一种可以从细观角度模拟覆盖型岩溶塌陷的二维格子Boltzmann方法—离散元方法流固耦合模型。在此基础上对承压水下降引起的覆盖型岩溶塌陷数值模拟开展了探索性研究。模拟结果表明:承压水位下降工况中地下水主要对隔水层岩溶开口处的颗粒产生影响,对土洞周围土体产生向下的作用力;土体颗粒的剥落容易造成土颗粒原位置和上方位置处水压的陡降,从而造成较强的水力坡降,使得地下水对内部颗粒作用力陡增,容易引起上方颗粒在地下水作用力和重力作用下失稳,导致从土体颗粒失稳至土层塌陷逐渐加速。研究成果对进一步从细观尺度进行水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷的发育过程与特征研究具有理论及实际意义。

基于LBM水力裂缝中支撑剂颗粒团簇升阻力系数研究

水力压裂中,裂缝壁面对支撑剂团在狭窄裂缝中输送沉降时的受力有重要影响。该文基于LBM建立颗粒流动数值模型,构建星型、三棱柱型、长方体型颗粒团簇模型,研究颗粒团簇在不同雷诺数Re、颗粒团簇与壁面相对距离H/d下的升阻力变化规律。结果表明:壁面影响下,随Re的增大,颗粒团簇的曳力系数、升力系数均减小,且壁面方向升力系数总小于无壁面方向的结果;单颗粒曳力系数与团簇平均曳力系数的比值随Re的增加而减小,随壁面边界效应的影响而增大;不同位置的颗粒曳力系数比值表现为前排颗粒减小、中间颗粒先增大后减小、近壁面颗粒逐渐增大。随H/d的增大,颗粒团簇远离壁面,边界影响减弱,曳力系数减小程度逐渐减弱;前排及近壁面颗粒曳力系数比值与升力系数随之减小;远壁面颗粒逐渐靠近壁面,曳力系数比值增大。壁面边界效应会加剧近壁面颗粒受力,且外侧颗粒对内部颗粒受力有屏蔽作用。

基于GPU的LBM迁移模块算法优化

格子玻尔兹曼方法(LBM)是一种基于介观模拟尺度的计算流体力学方法,其在计算时设置大量的离散格点,具有适合并行的特性。图形处理器(GPU)中有大量的算术逻辑单元,适合大规模的并行计算。基于GPU设计LBM的并行算法,能够提高计算效率。但是LBM算法迁移模块中每个格点的计算都需要与其他格点进行通信,存在较强的数据依赖。提出一种基于GPU的LBM迁移模块算法优化策略。首先分析迁移部分的实现逻辑,通过模型降维,将三维模型按照速度分量离散为多个二维模型,降低模型的复杂度;然后分析迁移模块计算前后格点中的数据差异,通过数据定位找到迁移模块的通信规律,并对格点之间的数据交换方式进行分类;最后使用分类的交换方式对离散的二维模型进行区域划分,设计新的数据通信方式,由此消除数据依赖的影响,将迁移模块完全并行化。对并行算法进行测试,结果显示:该算法在1.3×10^(8)规模网格下能达到1.92的加速比,表明算法具有良好的并行效果;同时对比未将迁移模块并行化的算法,所提优化策略能提升算法30%的并行计算效率。

基于速度修正IB-LBM的圆柱强迫运动特性研究

基于速度修正的浸没边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对雷诺数Re=100时等边三角形布置三圆柱流致运动问题进行了数值模拟,推导并修正了速度修正的IB-LBM,验证该方法的准确性和适用性,着重分析来流角度、旋转速度和间距比3个参数的变化对圆柱流场、流体力系数以及其中顺/横流向速度的影响.结果表明:在间距比和来流角度较小的情况下,旋转速度越小,流场的尾流形态就会越规则,反之亦然,但是,来流角度的增大会使它占据影响流场特性的主导地位,使得尾流形态再次呈现规则状态;当间距比和旋转速度均变大的情况下,圆柱群间的互扰效应会随着来流角度的增大而变得更强,产生不同的旋涡脱落模式,归根结底是因为圆柱群间不同圆柱的放置方法导致了旋转方向的不同.

基于无网格化LBM方法的高航速两栖车辆数值模拟研究与试验

随着两栖车辆水上航行速度逐渐向高航速发展,其水动力学特性由于具有自由面大变形、瞬态载荷以及湍流流动等复杂特征对流动特性的影响非常复杂。利用无网格模型、LBM计算方法对两栖车辆水动力学特征参数进行了数值仿真模拟,并与拖模实验结果对照。结果表明该数值仿真方法能够准确地给出复杂表面流场状态分布,与实验结果符合程度较高。

基于LBM-DEM方法的泥浆过滤微观过程

在各类工程中产生了大量的高含水率废弃泥浆,过滤分离技术逐渐应用于泥浆的快速减量化中。为明确泥浆过滤的微观过程及堵塞机理,建立并验证了利用格子玻尔兹曼方法-离散单元法(Lattice Boltzmann method-discrete element method,LBM-DEM)模拟泥浆过滤。采用LBM-DEM方法模拟了多类条件下泥浆的过滤,包括不同泥浆含水率、过滤介质孔径、过滤压力及絮团性质。实验结果表明:泥浆在过滤过程中,过滤介质先作为主要的过滤单元,颗粒(或絮团)不断堵塞在过滤介质中或发生流失,当过滤介质完全堵塞后,颗粒(或絮团)不再发生流失,逐渐堆积在过滤介质表面,随着过滤的进行,泥皮逐渐累积增厚;堵塞完成的过滤介质及不断增厚的泥皮的组合体成为新的过滤系统。泥皮的渗透系数决定了新过滤系统的渗透能力,是影响泥浆过滤脱水的主要因素。LBM-DEM新方法的建立为研究及优化泥浆过滤效率提供了借鉴以及新的思路。

基于LBM-DEM耦合计算模型的含水层内悬浮颗粒运动特性

基于格子Boltzmann法(LBM)与离散单元法(DEM)的基本理论,通过对格子单松弛模型演化方程进行修正,建立LBM-DEM耦合计算模型。引入浸没移动边界方法(IMB)处理复杂的流-固边界问题,利用编程软件MATLAB开发LBM-IMB-DEM耦合求解程序,对悬浮颗粒在含水介质中的运动过程进行模拟计算。通过开展层析柱强制渗流试验,模拟DKT算例,验证了计算模型与求解方法的正确性;从孔隙尺度分析地下水动力、颗粒形貌和尺寸效应对含水层渗透性能的影响。结果表明:当进口流速为5×10^(-5) m/s,向含水介质注入球形硅微粉悬浮液时,含水层各区域的渗流速度均呈现下降、回升、稳定的3个连续阶段;随着渗流速度的降低,颗粒滞留率增加了47.4%,所选3个断面平均流速恢复率降低。将悬浮颗粒由球形硅微粉替换为非球形硅微粉后,所选3个断面的平均流速最大降幅分别提高了15.0%、11.4%、2.6%,恢复率依次降低了37.5%、69.6%、71.9%,含水介质的颗粒滞留率增加了47.9%。基于颗粒受力平衡分析可知,球形硅微粉转动惯量较低,易于滚动并脱离含水介质表面;同等效体积的非球形硅微粉比表面积更大,而且多絮凝成团,迁移过程中出现沉积或被孔喉捕获的机率提高,并且沉积后难以发生再释放过程。随着渗流速度的降低与含水介质计算区域的增加,悬浮颗粒形貌的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度增强。

溶蚀白云岩含水层注浆浆水两相运移特征LBM模拟研究

为了研究溶蚀白云岩含水层注浆过程中浆液驱替地下水效应,采用格子玻尔兹曼方法(LBM)研究了浆水两相运移规律。利用溶蚀白云岩岩样微纳米CT扫描图像,采用图像处理和阈值分割法识别其中的导水孔隙,运用三维重构技术获得溶蚀白云岩导水通道三维数字模型,为浆水两相流模拟提供复杂的几何文件。采用Shan-Chen模型描述浆水相互作用,基于溶蚀白云岩导水通道三维数字模型,采用LBM模拟了导水通道中浆水两相运移扩散特征,获得浆水两相饱和度演化规律。结果表明浆液扩散具有明显的选择性,连通性较好的孔隙为浆相主要运移通道,浆相最先达到出口。孔隙中部流速明显大于孔隙壁面附近流速,孔隙壁面摩擦对流体流动产生明显的抑制。被束缚的地下水降低了试样整体渗透性,后续浆液沿着已经驱替形成的优势通道运移扩散,降低了注浆驱水效率。孔隙壁面附近残余地下水将造成浆液固结体与孔隙壁面之间难以有效接触,是注浆堵水的薄弱部位。研究成果可为溶蚀白云岩注浆堵水提供技术参考。

基于IB-LBM的水下运动分析

近水面水下运动与深水运动不同,当近水物体运动时,自由面表面形状将随时间不断变化,自由面对物体产生的影响是不可忽略的。近些年来,处理近水两相运动问题的数值计算方法有很多种,该文采用隐式直接力格式的浸入边界方法与基于伪势模型的格子玻尔兹曼方法,其具有其他处理N-S方程的数值计算方法的独特优点,可以处理连续或非连续流体问题。并且验证气泡上升模型,模拟近水面水下运动问题,得到水下方块对近水面的影响过程。该方法是对气液两相流问题及近水面处理问题的一次尝试。

页岩油微观渗流机理研究进展

页岩油已成为全球非常规油气资源勘探开发的重点,但其开发面临诸多挑战。针对页岩油赋存孔隙空间复杂、渗流机理尚不明确和研究方法亟需探索的关键问题,从孔隙尺度和岩心尺度,系统阐述了页岩油微观渗流机理在实验方法和计算模拟方面的研究现状,探讨了目前存在的问题和未来研究的发展趋势。结果显示,目前多种实验方法结合能较好表征页岩孔隙结构,但对微尺度与岩心尺度流动的表征尚存在不足;孔隙尺度流动机理研究以格子玻尔兹曼方法为代表的直接法和以孔隙网络模拟为代表的间接法为主,但对微尺度效应的考虑有待完善;岩心尺度流动机理研究主要为基于毛管束模型和分形理论,建立考虑边界层效应的渗流模型。指出充分考虑页岩油微纳米孔隙中流动边界吸附/滑移、密度/黏度非均质性、应力敏感、启动压力梯度等因素,耦合不同尺度渗流机理,构建能够准确表征页岩油多相多尺度流动特征的数学模型是未来的主要研究方向。

基于LBM方法的裂隙煤体内瓦斯抽放的模拟分析

基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)建立了可模拟裂隙煤体内瓦斯抽放的二维动力学模型,对流场压力和流动速度的分布规律进行了模拟.模拟结果表明:抽放压力、钻孔位置对抽放效果有很大影响,抽放压力增大,瓦斯流动速度加快,瓦斯抽放率提高;但是当抽放压力达到某一值时,抽放率反而下降,这说明抽放压力存在一最佳值;改变钻孔的位置,在流场上、下侧偏心开孔时,抽放率低于在流场中心开孔,且流场中出现了涡流,流体在涡流处有较大的压力梯度.

含裂隙煤体瓦斯渗流规律的LBM数值模拟

通过模拟外力驱动渗流以及部分填充多孔介质的剪切渗流,验证了广义LBM模型可以对含有裂隙的煤体内瓦斯渗流规律进行模拟研究;裂隙内的流速明显高于在煤基质内的流速,定量研究了渗流速度和流量随着裂隙宽度增加的变化规律;而在裂隙宽度相等的条件下,煤体渗透率越低则流速和流量的提高越显著;与顺流向的裂隙相比,垂直流向裂隙的存在对提高渗流速度及流量的影响相对较为有限。模拟结果表明:裂隙的存在,尤其是在渗透性较差的煤层中,对提高瓦斯抽放的效果更为明显;而对于不同方向的裂隙,则应该重点关注与瓦斯流动方向相同或大体相同的裂隙分布。

FVM与LBM分区耦合模拟圆柱绕流

构造了用于模拟远场边界下圆柱绕流的有限容积法(FVM)与格子Boltzmann方法(LBM)的分区耦合模型。模型中,靠近圆柱处采用多块网格的LBM,远离圆柱处采用FVM,并将计算结果同适体网格LBM以及多块网格LBM进行了比较。结果表明,耦合模型能在保证计算精度的前提下,显著提高计算效率。

基于LBM方法的圆盘等速入水空泡的数值模拟

采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究。该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响。模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系。数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性。

LBM与宏观数值方法界面信息耦合的重构算子

基于数学上的多尺度逐级逼近,给出了一种简单并且有效的方法来通过宏观物理量重构格子Boltzmann方法(LBM)的单粒子分布函数.所给出的重构算子为工程中基于宏观和介观模型的多尺度计算奠定了基础.通过耦合有限体积法(FVM)和LBM对顶盖驱动流进行数值计算,考核了此重构算子.计算结果与文献结果符合很好,并且耦合区域流线光滑过渡,速度矢量精确重合.计算结果证明,文中提出的重构算子可以准确有效地应用于LBM和宏观方法的耦合计算,并且其实施简单.

基于LBM的苹果采摘机器人视觉图像自动修复算法

为恢复被果树枝叶遮挡后丢失的信息,首先通过计算遮挡因子,确定果树枝叶对苹果的遮挡区域;然后,利用格子波尔兹曼方法求解各向异性扩散方程,估计丢失的信息,提出了基于格子波尔兹曼方法的图像修复算法。实验证明,该算法能够有效实现苹果图像中枝叶遮挡部分的修复。与基于曲率驱动扩散的图像修复算法相比,该算法具有较高的峰值信噪比。由于算法的高度并行性,可以将其用于构建并行图像处理系统,并且适合苹果采摘机器人视觉系统。

陡墙上孤立波爬高的LBM模拟

波浪爬高是海岸工程中常见的水力学问题之一,其数值模拟方法通常是离散Navier-Stokes方程或Bouss inesq方程。与之不同,近几年发展起来的Lattice Boltzmann方法(LBM)是采用具有特定演化规则的粒子系统模拟流体运动。此方法具有计算效率高及内在并行等优点。本文将LBM应用于陡墙上孤立波的爬高模拟,建立了不可压缩流体的LB模型,并把VOF的概念引入到LBM中模拟自由表面的运动。分析和实践表明,本文方法适用于自由表面无破碎的不可压缩流体的数值模拟;对于表面破碎的情况,应将LBM与紊流模型结合,并且液面运动的模拟须采用气液两相流界面的计算方法。

纳米流体流动与传热过程的LBM并行计算

建立了描述纳米流体流动与传热过程的格子-Boltzmann模型,针对格子-Boltzmann方法(LBM)高度并行性的特点,用消息传递机制实现了平板间纳米流体流动与传热过程的LBM并行计算,分析了处理器数目与区域分解模式对计算效率的影响。结果表明,纳米粒子的微运动强化了流体与壁面以及流体内部的换热过程,LBM并行计算方法应用于纳米流体流动传热计算能够提高计算效率。