格子Boltzmann方法在多孔介质流中的多尺度应用研究

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1、格子Boltzmann方法在多孔介质流中的多尺度应用研究重庆大学博士学位论文学生姓名：王灵权指导教师：曾忠教授专业：流体力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二〇一七年九月AResearchontheLatticeBoltzmannMethodforitsapplicationinmulti-scalePorousFlowsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLingquanWangSuperv

2、isedbyProf.ZhongZengSpecialty:FluidMechanicsCollegeofAerospaceEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSeptember2017中文摘要摘要近年来，多孔介质内的流动和传热研究广泛应用在能源、环境、化工等工程应用中，如石油天然气的开采、氢气或二氧化碳的存储、气体燃料在多孔介质内的预混燃烧、污染的治理等。大量文献研究表明，多孔介质内的流动是一个多尺度问题，多孔介质的研究主要分为三个尺度：孔隙（Pore）尺度、表征体单元（Representativeelemen

3、taryvolume，REV）尺度以及宏观尺度。在孔隙尺度上，多孔介质内流动传热研究的对象是单个孔隙或几个孔隙内流体的，从而获得流体在孔隙内的流动和热分布情况。通常，孔隙尺度的研究常用来探索多孔介质内的流动和传热机理。而REV尺度研究对象是多孔介质的一个控制体积，一般包含较多的微孔。REV尺度的流动传热研究的控制方程通过体平均的流体物理量来表示，如常见的Darcy定律，广义的Brinkman-Forchheimer方程等。相对于孔隙尺度研究来说，REV尺度不需要介质的细节结构、仅仅依赖于介质的统计参数，因而计算效率较高，比较适合大区域的工程渗流计算。格子Boltzmann

4、方法（LBM）是一种介于宏观和微观之间的介观数值模拟方法，它相对于宏观方法对复杂边界的处理更加方便，同时又克服了微观计算方法对尺寸受限的局限性，因而，现在格子Boltzmann方法广泛应用于多尺度的多孔介质流动和传热研究。本文的主要工作有：①简单介绍了格子Boltzmann方法的基本理论，推导了通过Chapman-Enskog多尺度技术将格子Boltzmann方程恢复到宏观的Navier-Stokes（N-S）方程的详细过程，并介绍了格子Boltzmann方法的程序实现的详细步骤，最后利用经典的方腔流验证了标准的格子Boltzmann模型及基本程序的准确性。②研究了REV

5、尺度多孔介质流动的格子Boltzmann方法的基础理论。首先，我们发展了Guo对于等温不可压多孔介质流的格子Boltzmann模型，使新的模型可以恢复到标准的可压缩的广义的Brinkman-Forchheimer方程；其次，我们提出了一种新的基于总能模型的格子Boltzmann模型，该模型可以考虑多孔介质流动传热过程中粘性耗散和可压缩功的的影响，且该模型考虑了多孔介质流中的局部非热平衡效应。这两个模型克服了已有模型的局限，拓展了格子Boltzmann方法的应用空间。③研究了微尺度流动的格子Boltzmann方法的基础理论。首先，提出了一种新的适用微尺度流动模拟的边界处理格

6、式。该边界处理格式是基于二阶速度滑移边界，且可以同时考虑微尺度流动中的表面扩散效应和滑移效应；然后，我们利I重庆大学博士学位论文用这种边界处理格式耦合微尺度格子Boltzmann模型模拟了甲烷气体在Kerogen微通道内的流动。④研究了多尺度的多孔介质吸附问题。首先，我们推导了基于REV尺度的浓度吸附方程，并利用REV尺度的格子Boltzmann方法模拟了微量气体的吸附穿透曲线；随后，本文建立了孔隙尺度的多孔介质吸附的数学模型，该模型中考虑气体在固体骨架中的内扩散过程；然后，我们基于D2Q9速度离散模型提出了一种新的Robin边界的处理格式，该边界适用于壁面存在表面吸附或

7、者化学反应的问题；最后，利用新的边界处理格式对孔隙尺度的多孔介质动态吸附过程做了模拟。关键词：格子Boltzmann方法，多孔介质流，多尺度，微流动，吸附II英文摘要ABSTRACTInrecentyears,researchonflowandheattransferinporousmediaiswidelyusedinenergy,environmentalandchemicalengineeringetc,suchasoilornaturalgasmining,hydrogenorcarbondioxidegasstora