裂缝型多孔介质渗流的离散统一动理学格式及数值模拟

论文摘要

流体在裂缝型多孔介质中的流动普遍存在于能源、环境、化工等领域,如页岩气开发、石油工程和地下水工程等。由于裂缝型多孔介质结构复杂,并且具有强烈的非均质性,数值模拟方法研究此类复杂渗流发挥越来越重要的作用。近年发展起来的介观方法由于其固有的全尺度特性,且处理复杂边界方便、易于并行,在模拟这类多尺度流动时有很大优势。目前国内外学者主要用格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method,LBM）来研究这类问题。经典的LBM虽然简单,但是不能使用非结构网格,在刻画裂缝中复杂的孔隙结构时这一劣势更为明显。最近提出的离散统一气体动理学格式（Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS）也是一种介观方法,它采用有限体积格式,可以使用任意的非结构网格,并且具有稳定性好,数值耗散小的特点,非常适合处理裂缝这类具有复杂边界的多尺度问题,但是还未见相关研究。本文针对裂缝型多孔介质内的不可压流动,发展了DUGKS数值模拟方法,并针对若干典型渗流问题进行了数值模拟。主要工作包括:（1）基于OpenFOAM,开发了针对等温不可压流动的DUGKS求解器,具有计算量更小、效率更高的特点,并且较易采用任意非结构网格,提高了DUGKS求解复杂几何、特别是多孔介质流动问题的灵活性。（2）提出了基于通用渗流模型的渗流DUGKS方法,并通过Poiseuille流、Couette流和Cavity流进行了验证。结果表明,DUGKS在大Re数和大Da数时的高速渗流工况仍然能计算准确,并且在使用非均匀网格时精度更高;在孔隙率趋近于1时,渗流DUGKS方法可以准确恢复到标准Navier-Stokes方程,DUGKS方法的准确性、稳定性和网格灵活性得到充分体现。（3）将DUGKS应用于均质多孔介质渗透率的预测和流场模拟,分别用二维和三维经典问题验证了方法的有效性,然后将DUGKS应用到接近真实的充满大量随机小球的圆管流动中,并在宏观流动和微观速度两种层面上考察了DUGKS的计算结果,与其他主流孔隙数值算法结果均保持一致。（4）用发展的渗流DUGKS方法模拟了裂缝型多孔介质内的不可压流动,验证了非均匀网格应用时的优势,计算了二维岩芯构造的基质-裂缝系统的渗透率,结果与采用孔隙模拟的文献解保持一致,复现了立方定律,探究了基岩的渗透率大小对裂缝和整个裂缝系统的影响,确定了立方定律成立的边界。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 多孔介质渗流的介观模拟
•   1.3 裂缝型多孔介质流动的数值模型
•   1.4 本文研究内容和全文安排
• 2 基于OpenFOAM的不可压DUGKS求解器
•   2.1 引言
•   2.2 离散统一气体动理学格式（DUGKS）
•   2.3 边界条件
•   2.4 基于OpenFOAM的不可压DUGKS求解器
•   2.5 小结
• 3 REV尺度渗流DUGKS方法
•   3.1 引言
•   3.2 REV尺度渗流模型
•   3.3 基于通用渗流模型的DUGKS
•   3.4 数值验证
•   3.5 小结
• 4 均质多孔介质渗透率预测及流场分布模拟
•   4.1 引言
•   4.2 二维圆柱阵列
•   4.3 体心立方圆球阵列
•   4.4 球填充的圆管流动
•   4.5 小结
• 5 基质-裂缝系统的渗透率预测
•   5.1 引言
•   5.2 裂缝与基岩界面模拟
•   5.3 构造基岩-裂缝系统的渗透率预测
•   5.4 立方定律研究
•   5.5 小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 主要创新点
•   6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的学术会议

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈玺君

导师: 郭照立

关键词: 裂缝型多孔介质,数值模型,介观方法,离散统一气体动理学格式

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程

单位: 华中科技大学

分类号: O357.3

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000515

总页数: 78

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