基于VOF方法的多孔介质初次排水过程中流体-流体界面面积分解与调控机制研究

《Water Resources Research》：Pore-Scale Study of Fluid-Fluid Interfacial Area During Primary Drainage in Porous Media

　　

研究人员采用流体体积（volume of fluid, VOF）方法开展了孔隙尺度数值模拟，旨在探究驱替模式（displacement regime）、几何无序度（geometric disorder）与润湿性（wettability）对初次排水（primary drainage）过程中流体-流体界面面积（a_wn）的影响。研究将a_wn分解为两个分量：推进前沿（a_wn,f），即两相均可流动的区域；以及被圈闭的润湿相簇（a_wn,t）。结果表明：从稳定驱替（stable displacement）过渡至黏性指进（viscous fingering）可通过复杂前沿形态增强a_wn,f及其时间波动，同时促进更大圈闭簇的形成，从而降低a_wn,t；几何无序度的增加拓宽了孔径分布，并通过增强绕流进一步增大a_wn,f、促使形成更大的圈闭簇；此外，强水湿条件（strongly water-wet conditions）产生高度弯曲的弯月面，与弱水湿条件相比同时增大了两个分量。界面面积产率（production rate of interfacial area）E_wn在强水湿条件下接近翻倍，并随无序度增高及黏性指进的发生而显著增加。上述发现为预测地下系统中的质量传递（mass transfer）、非水相液体（non-aqueous phase liquid, NAPL）溶解及CO₂封存效率提供了关键见解。

**多孔介质初次排水过程中流体-流体界面面积的孔隙尺度机制解读**

一、研究背景与科学问题

流体-流体界面面积（a_wn）是两相流与质量传递过程中的核心物理量，深刻影响提高采收率、CO₂地质封存以及地下水非水相液体（NAPL）污染修复等工程应用。Hassanizadeh与Gray提出的热力学框架认为毛细压力不仅是饱和度的函数，还与比界面面积相关，即扩展状态空间中可能存在与滞回无关的唯一曲面。虽然孔隙网络模拟与部分微模型实验支持这一假设，但动态条件下的界面面积演化规律仍不清楚。Vahid Dastjerdi等（2022）在微模型实验中依据入侵相（NWP）的连通性划分界面面积，而Gao等（2024）利用相场模拟研究了界面面积随晶粒尺寸和驱替模式的响应。然而，针对被驱替润湿相（WP）连通性的界面面积系统分解——即流动前沿处的界面面积与被圈闭WP簇界面面积——在三类关键参数联合影响下的演化尚未被系统量化。此项研究旨在填补这一空白。

二、研究内容与总体结论

研究人员利用基于流体体积（VOF）方法的OpenFOAM interFoam求解器，在二维多孔介质中开展孔隙尺度数值模拟。介质由三角格点上放置的1000个球体构成，通过随机半径扰动引入几何无序度δ。模拟覆盖四种驱替模式（稳定驱替ST、交叉区CO、黏性