基于格子Boltzmann方法的孔隙介質(zhì)中液滴動力學(xué)行為研究.pdf

1、多孔介質(zhì)中的多相流體流動廣泛存在于自然界及諸多工程領(lǐng)域，如強(qiáng)化采油、燃料電池研制、地下水污染的監(jiān)測及治理等，而孔隙介質(zhì)中的液滴動力學(xué)是上述領(lǐng)域中涉及到的關(guān)鍵問題。盡管目前人們對這類問題已有深刻的理解，但由于多相流體系的微觀輸運(yùn)過程通常極其復(fù)雜，如需要考慮界面的產(chǎn)生、合并、變形和運(yùn)動及流固間的相互作用等，極大地限制了人們對其內(nèi)部規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)識。對于這類問題的研究，當(dāng)采用傳統(tǒng)數(shù)值方法模擬時會存在邊界處理復(fù)雜、計(jì)算量大和并行效率低等缺點(diǎn)。格

2、子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作為一種模擬復(fù)雜流動的有效算法，由于其微觀本質(zhì)和介觀特性，可以方便地描述不同相間的相互作用，已被證實(shí)在模擬多相流體流動方面具有常規(guī)方法難以比擬的優(yōu)勢。
　　目前，LBM研究孔隙介質(zhì)中液滴行為的工作較少，仍有很多基礎(chǔ)問題尚未得到系統(tǒng)解決，如考慮孔隙介質(zhì)中的非均質(zhì)性及液滴穿過固體骨架的變形、破裂等問題。本文正是基于這樣的工程背景和研究現(xiàn)狀，采用多相LB

3、M方法，開展孔隙介質(zhì)中液滴動力學(xué)研究，揭示其流動和傳輸機(jī)理。本論文具體研究了下面三個相關(guān)問題:
　　(1)液滴在粗糙壁面上受剪切作用的動力學(xué)行為研究。分析了毛細(xì)數(shù)、壁面潤濕性、壁面粗糙的單元高度及間距對液滴動力學(xué)行為的影響。主要研究成果包括：首先，毛細(xì)數(shù)和壁面潤濕性對液滴變形產(chǎn)生重要影響，變形程度隨毛細(xì)數(shù)的增大而增大；液滴最終都能完全浸潤親水壁面上的粗糙單元，而對于中性潤濕和疏水壁面，液滴會發(fā)生部分浸潤；驅(qū)替粗糙壁面上液滴的臨界毛

4、細(xì)數(shù)(Cac)隨著接觸角的增加而減小。其次，根據(jù)粘附在粗糙壁面上的三相接觸線的滑動順序?qū)⒁旱蔚倪\(yùn)動劃分為三個區(qū)域：液滴上下游的三相接觸線保持不動、僅有一側(cè)接觸線滑動及兩側(cè)接觸線均滑動。值得注意的是，液滴在親水和中性潤濕壁面上的接觸線優(yōu)先滑動的方向相反。最后，發(fā)現(xiàn)壁面粗糙單元的高度及間距影響液滴在粗糙壁面上的潤濕長度和浸潤深度，進(jìn)而會導(dǎo)致驅(qū)替液滴的Cac不同。
　　(2)微管道中液滴在重力作用下繞過單個圓柱障礙物的動力學(xué)行為研究。討

5、論了偏心率、粘性比、壁面潤濕性和邦德數(shù)對液滴變形、破裂的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明：偏心率影響液滴穿過圓柱的方式和子液滴尺寸，且存在一個臨界偏心率(βc)，當(dāng)偏心率大于βc時，液滴能夠完整繞過圓柱，當(dāng)偏心率低于βc時，液滴繞過圓柱時會發(fā)生破裂；粘性比影響液滴的破碎位置、子液滴形狀和數(shù)目、圓柱上方的液膜沉積及液滴繞過圓柱的時間tp；壁面潤濕性影響殘留液滴在圓柱表面的分布和βc,βc隨接觸角的減小而增大，也即是當(dāng)親水性增強(qiáng)時，需要更大的孔隙才能

6、使液滴完整通過；邦德數(shù)對tp和βc有重要影響，tp隨著邦德數(shù)的增加而減小，βc隨著邦德數(shù)的增加而增大。
　　(3)作為上述工作的延續(xù)，本文又研究了液滴穿過兩列圓柱障礙物及多個圓柱填充的多孔介質(zhì)的動力學(xué)行為，得出如下結(jié)論：一方面，對于液滴穿過兩列圓柱的問題，發(fā)現(xiàn)粘性比(λ)影響液滴的穿行及破裂狀態(tài)：當(dāng)λ>1時，液滴破裂為多個小液滴，反之，液滴則以細(xì)長液柱完整通過；潤濕性影響液滴穿行的路徑：高粘液滴在親水條件下緊繞兩列圓柱縱向間隙下降

7、，低粘液滴在疏水和親水條件下均沿圓柱橫向間隙下降，但后者與圓柱接觸位置會發(fā)生液滴的粘附和破裂，增加驅(qū)替難度；邦德數(shù)影響液滴的穿行速度和破裂狀態(tài)：當(dāng)λ>1時，增大邦德數(shù)不僅會加速液滴穿行，還會加劇液滴破裂；而對于λ<1，邦德數(shù)的變化對液滴的動力學(xué)行為的影響較小。另一方面，對于液滴穿過圓柱填充的多孔介質(zhì)問題，發(fā)現(xiàn)λ影響液滴穿過圓柱的縱向下降速度和橫向最大鋪展長度。在同一邦德數(shù)作用下，高粘液滴的下降長度大于低粘液滴，水平鋪展長度則相反；壁面潤

8、濕性和邦德數(shù)影響液滴是聚攏穿行還是分散移動；孔隙尺寸和分布影響液滴在多孔介質(zhì)中的移動區(qū)域及遷移時間。
　　總之，本文采用多相格子Boltzmann方法對液滴在多孔介質(zhì)中的動力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了粗糙微管道中液滴受剪切作用的動力學(xué)行為和液滴繞過單個圓柱障礙物的變形、破裂問題。在此基礎(chǔ)上，通過大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了液滴穿過兩列圓柱和由多個圓柱填充的多孔介質(zhì)的流動問題，分析了液滴變形、破裂及遷移過程隨各個參數(shù)變化的規(guī)律及物理機(jī)制，并