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致密多孔介质内气体流动和传热的格子Boltzmann模拟

作　者: 王华龙
导　师: 郭照立
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 格子Boltzmann方法致密多孔介质流动和传热
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着利用温室气体的三次驱油来提高石油采收率等问题的出现,人们开始重视低渗透油藏等致密多孔介质的渗透性研究。如今,气体在致密多孔介质内的流动和传热已成为一个研究热点。在致密多孔介质内,孔隙通道尺寸很小,几乎可以与气体分子的平均自由程相比拟,此时Knudsen（Kn）数较大。气体在这种多孔介质内流动时,会在壁面处产生滑移,出现滑脱效应,而且壁面处会产生温度阶跃。对于这种高Kn数渗流和传热,连续性假设不成立,不能使用传统的带无滑移边界条件的Navier-Stokes方程和Fourier定律来描述。而Boltzmann方程没有引入连续性假设,可模拟从连续区到自由分子区的稀薄气体流动和传热。最近发展起来的基于气体动力学基础上的格子Boltzmann方法,因其算法简单性、局部性、天然的并行性以及在处理致密多孔介质中复杂几何边界时很方便等优点,被认为很适合于模拟这类流动和传热。本文主要是将一些学者最新提出来的单通道格子Boltzmann模型及滑移边界处理方法应用到致密多孔介质内渗流和传热的模拟。具体工作有:一:将郭等人的单通道微尺度格子Boltzmann模型推广到孔隙群流动,并在考虑流体和壁面的相互作用后,给出松弛时间τ和Kn数之间的正确关系,模拟了气体在两种简化多孔介质内的渗流,研究了一些基本渗流机理,再现了Klinberg效应;二:在双分布热模型的基础上,借助郑等人最新提出的速度滑移和温度跳跃边界处理格式,模拟了CO₂、N₂等四种气体在两种简化致密多孔介质内的流动和传热,比较了各种气体通过多孔介质后的质量流量、热流量及它们在壁面上产生的温度跳跃。总之,本文基于格子Boltzmann方法模拟研究了一些渗流和传热问题。基于理论分析及相关文献中的实验结果,对模拟结果进行了验证。这些工作对利用温室气体CO₂的三次驱油来提高石油采收率的资源化利用等提供了一些理论依据和指导,同时为以后用格子Boltzmann方法深入地研究致密多孔介质中气体流动和传热问题奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 论文研究的背景和意义  9-12
  1.2 研究现状  12-18
  1.3 本文研究工作介绍  18-19
2 格子Boltzmann 模型和初始边界条件处理  19-28
  2.1 引言  19-20
  2.2 LBGK 模型介绍  20-21
  2.3 热流动的格子Boltzmann 模型介绍  21-24
  2.4 初始条件和边界条件处理  24-28
3 多孔介质内气体渗流的研究  28-38
  3.1 引言  28-29
  3.2 孔隙群格子Boltzmann 模型  29-30
  3.3 模型验证  30-32
  3.4 孔隙群中气体渗流的模拟及分析  32-37
  3.5 结论  37-38
4 多孔介质内气体渗流和传热的研究  38-61
  4.1 引言  38-39
  4.2 气体物性  39
  4.3 孔隙群热格子模型介绍  39-43
  4.4 模型验证  43-45
  4.5 多孔介质中气体渗流和传热的格子Boltzmann 模拟及分析  45-59
  4.6 结论  59-61
5 总结和展望  61-63
  5.1 全文总结  61-62
  5.2 展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-72
附录攻读硕士学位期间发表论文  72

致密多孔介质内气体流动和传热的格子Boltzmann模拟

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