多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟_程赟涛.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Lattice Boltzmann simulation of particle flow characteristics in porous mediaYuntao CHENG,Shuyan WANG,Baoli SHAO*,Zihan YUAN,Lei XIEKey Laboratory of Improving Oil and Gas Recovery of Ministry of Education,School of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,ChinaAbstract:The migration and deposition of suspended particles within porous media is of great significance in many applications such as sewage treatment,pollutant purification and well drilling.Especially in the oil industry,the deposition of small particles in the reservoir may affect the recovery of crude oil.The structure of porous media is complex,making it difficult to understand the details of the flow field.Therefore,it is necessary to explore the phenomena and mechanism of suspended particle flow in porous media.The lattice Boltzmann method(LBM)is used to numerically simulate the flow characteristics of suspended particles in porous media.The skeleton particles and suspended particles are constructed by the finite size particle(FSP)method.The Half-Way bounce back format is adopted to realize the interactions between suspended particles and the fluid.By changing the inlet velocity of the liquid phase,porosity and particle diameter,the movement and deposition of suspended particles are analyzed.The simulation results show that the increase in the inlet velocity of the liquid shortens the migration trajectory of the suspended particles and improves the contact force of the particle.There are a large number of suspended particles clogging near the inlet of porous media.The particle retention time and the particle deposition rate decrease with the increase of the inlet velocity,while the granular temperature shows the opposite trend.Meanwhile,the granular temperature first increases and then decreases,and gradually tends to be stable with time passing by.The reduction of porosity strengthens the collisions between the suspended particles.The change of porosity from 0.581 to 0.400 increases the granular temperature by 9 times.As the porosity is enhanced,the particle axial velocity increases,while the particle contact force declines.The granular temperature is raised with the increase of the particle diameter,and the maximum value of the particle axial velocity can reach 11 times of the inlet velocity.Key words:porous media;lattice Boltzmann method;migration and deposition;multiphase flow;numerical simulation Low velocity areaHigh velocity areaSuspended particles packingLittle particles packingVelocity/(m/s)研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222038收稿：2022-01-29，修回：2022-04-04，网络发表：2022-05-16；Received:2022-01-29,Revised:2022-04-04,Published online:2022-05-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51876032)；黑龙江省自然科学基金重点项目(编号：ZD2019E002)作者简介：程赟涛，硕士研究生，研究方向为复杂流体流动与数值模拟研究，E-mail:；通讯联系人，邵宝力，博士，讲师，研究方向为复杂流体流动与传热的数值模拟及实验研究，E-mail:引用格式引用格式：程赟涛,王淑彦,邵宝力,等.多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟.过程工程学报,2023,23(2):188198.Cheng Y T,Wang S Y,Shao B L,et al.Lattice Boltzmann simulation of particle flow characteristics in porous media(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):188198,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222038.第 2 期程赟涛等：多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟程赟涛，王淑彦，邵宝力*，袁子涵，谢 磊东北石油大学石油工程学院，提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318摘要：地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低，影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程，采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟，采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用，考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响，探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明，入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大，颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强，缩短了颗粒的运移路径，颗粒沉积率逐渐变小，颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞，孔隙率由0.581降低至0.400，使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加，颗粒轴向速度增加，颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍，而颗粒接触力降低。关键词：多孔介质；格子Boltzmann方法；运移沉积；多相流；数值模拟中图分类号：TE311 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020188111 前 言 多孔介质中悬浮颗粒的运移和过滤在污水处理、污染物净化以及钻井液泥浆开采等应用中具有重要的意义。依照颗粒直径的大小可将悬浮颗粒分成大颗粒(30 m)、中间颗粒(130 m)和胶体(1 m)1。颗粒在孔隙中的运动行为主要包括释放、运移以及捕获2。油藏是石油在地下岩石孔隙中的自然聚集，石油在多孔介质渗流时通常伴随着颗粒的迁移与沉积3。在油田注水开采、采出水回注以及钻井液和完井液侵入地层的过程中，颗粒在流体的携带作用下会进入孔隙空间，其中一些运移颗粒被困在孔隙中造成孔隙堵塞，这将导致局部渗透率和孔隙率降低，从而造成地层损害4。颗粒在多孔介质内的流动由流体、颗粒以及孔隙壁面这三者之间的相互作用所控制，伴随着许多不同孔隙尺度下的复杂流动行为，如颗粒碰撞与流体流动等现象。许多研究已经通过实验方法以及数值模拟方法开展。Ma等5实验研究了不同孔隙率、不同粒径组成和不同水流压力下的砂岩小颗粒的运移。De等6采用斯托克斯动力学模拟研究了悬浮颗粒在非均质多孔介质内的输运情况。Feng等7采用CFD-DEM方法研究了颗粒在多孔介质中的运动以及颗粒输运对储层损害的影响。Zhou等8研究了悬浮颗粒在多孔介质中的迁移和沉积，分析了颗粒浓度、流量以及pH值对多孔介质堵塞机理的影响。液固两相流常伴随着颗粒与颗粒、颗粒与流体之间的相互作用，其流动特性相比单相流动更加复杂，尤其是多孔介质具有复杂的几何结构，其中弯曲的孔隙通道不均匀分布9，使得掌握孔隙中详细的流场特征和动力学特性具有一定困难，而采用传统计算流体力学方法来求解这种复杂边界的问题，会带来诸多不便。格子Boltzmann方法作为一种介观模拟方法具有其独特的优势，并行性好、可以处理复杂边界且计算效率高10。近年来，格子Boltzmann方法已经成功应用于许多领域中，且受到广泛的关注。因此，探究多孔介质内液固两相流动的微观机理具有重要意义。Ladd11,12于1994年提出了基于有限体积颗粒的格子Boltzmann方法，可用于处理液固两相流问题。Mou等13采用格子Boltzmann方法和浸没边界法耦合模拟了复杂多孔介质内的流体流动问题。Parvan等14采用格子Boltzmann方法探讨了颗粒运移和堵塞引起的多孔介质孔隙度的变化及对渗透率的影响。Zhou等15基于LBM-DEM-IBM耦合方法，研究了多孔介质内颗粒粒径、入口流速、颗粒体积分数对颗 粒 滞 留 以 及 渗 透 率 损 害 的 影 响。因 此，格 子Boltzmann方法已经在研究多孔介质内的流动中得到了良好实现，也逐渐形成了许多适用于不同物理问题的模型。本工作采用格子Boltzmann方法对岩石裂缝中悬浮颗粒的流动行为进行数值模拟分析，深入探讨颗粒在多孔介质内的迁移和沉积机理。采用有限体积颗粒法构造多孔介质中的骨架颗粒以及运移