孔隙尺度下重力驱动非等温流体置换在无序多孔介质中的机理研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Pore scale study of gravity-driven non-isothermal fluid displacement in disordered porous media

本文采用格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）对无序多孔介质中重力驱动的非等温流体置换过程进行了孔隙尺度模拟研究，重点探讨了孔隙率、无序参数及润湿性对气液界面运动模式（蒸发扩散入侵与快速入侵）、毛细压力变化及共轭传热（conjugate heat transfer）的影响，为蒸汽辅助重力泄油（SAGD）等提高采收率（EOR）技术提供了微观机制见解。

　　

Section snippets

Pseudopotential LB models for multiphase flow

本研究采用伪势格子玻尔兹曼（LB）模型模拟多相流（Shan and Chen, 1994）。为实现热力学一致性，应用了Li等人（2013）开发的改进版伪势多相LB模型。其密度分布函数的演化方程，结合了多弛豫时间（MRT）碰撞算子，由Li等人（2013）给出：

f_i(x + c_iΔt, t + Δt) ? f_i(x, t) = ? (M^?1SM)_ij (f_j(x, t) ? f_j^(eq)(x, t)) + Δt F′_i(x, t),

其中 f_i 代表密度分布函数。

Numerical validations

本节通过五个案例对伪势模型进行验证。首先，将一个静止液滴置于二维计算域中心，将LB模型在不同温度下获得的气液两相共存密度与使用麦克斯韦等面积法则（Maxwell area rule）得出的解析解进行比较。模拟中，一个直径为 R₀ = 60 lu 的圆形液滴被放置在 200 lu × 200 lu 的计算域中心。

Results and discussion

在验证当前模型后，我们进行了多组无序多孔介质中重力驱动非等温流体置换的模拟，并考虑了多孔结构的孔隙率、无序参数和润湿性的影响。在讨论结果之前，我们首先对问题设置进行全面概述。

Conclusion

本工作中，我们采用LB方法对无序多孔介质中重力驱动的非等温流体置换进行了孔隙尺度模拟。系统研究了多孔结构的孔隙率、无序参数和润湿性对置换模式的影响。基于数值数据，得出以下结论。

首先，我们对孔隙率的分析揭示了多孔介质中界面运动的两种模式：(i) 蒸发扩散入侵模式，该模式...