界面流和非牛顿流的宏观粒子方法模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 周光正 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-11-09 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 李静海 ; 葛蔚 |
| 关键词 | 宏观粒子方法 光滑粒子动力学 界面流 非牛顿流 表面张力 二次采油 |
| 其他题名 | Simulation of interfacial and non-newtonian flow with macro-scale particle methods |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 多相流、多组分流、湍流和非牛顿流等复杂流动广泛存在于工业过程和自然界中。对于复杂流动中普遍存在的间断性、自由表面、多体运动边界、大变形以及非牛顿性等行为，光滑粒子动力学、宏观拟颗粒方法和移动粒子半隐式方法等以无网格方式和拉格朗日观点描述流体运动的宏观粒子方法具有独特的优势，因而受到了广泛关注。但作为一类新兴的方法，它们在自身理论以及相关应用领域上，都有待深化和完善。本论文在已有工作的基础上，提出了一种适合宏观粒子方法的表面张力计算模型，并且揭示了它们在计算粘性拟不可压缩流时表现的流变行为的物理机制，对它们在界面流和非牛顿流这两方面的应用进行了探索。论文首先提出了与连续表面力模型和微观机理模型相比形式上更加简单，而计算量又相对较小的新表面张力模型。通过统计悬浮液中方形液滴变形过程的转动惯量变化，及其与VOF计算结果的比较检验了模型的正确性。同时，利用躺滴法测定了模型中待定参数与表面张力系数的对应关系。通过在壁面粒子和流体粒子之间增加特殊形式的作用力，进一步得到了壁面的润湿模型和非润湿模型。本文采用提出的表面张力模型和拟周期边界条件，模拟了自然裂缝型碳酸岩盐油藏两种典型缝洞组合模式下的不互溶孔尺度驱替过程，具体考察了裂缝朝向、裂缝润湿性、裂缝宽度、注入水速度、表面张力和油水密度差等一系列因素对油水两相流动行为和最终采收率的影响。对于双向连通型组合，研究发现，驱替方式受裂缝朝向影响，但最终采收率基本由裂缝上端的位置决定；而亲水壁面有利于获得较高的采收率。对于上缝下洞组合模式，在特定条件下，竖直裂缝总存在一个临界宽度，只有超过这个宽度，洞中的油才可以被驱出。另一方面，论文从物理粒子的角度理解宏观粒子方法在粘性不可压缩流模拟中的数值误差，得到了弹性势能和粘性耗散的局部和全局表达式。通过Couette流模拟，系统考察了剪切率、刚度系数、名义粘度和粒子数对表观粘度的影响，得到了表观粘度的拟合关系式。研究发现该粒子系统的流变曲线符合Sisko模型，同时非牛顿性随着粒子数的增加而逐渐减弱。然后，从动力学的角度考察了剪切率和刚度系数对于速度剖面、粒子排布、应力振荡、势能和粘性耗散分布以及总势能和总耗散等的影响。研究发现，粒子排布方式和速度剖面形状存在对应关系，并且在时间和空间上的交替变化，呈现近似的周期行为。系统的一系列动力学行为都反映了粘性效应和弹性效应之间的相互协调，而马赫数在某种意义上可以作为粘性效应对于弹性效应的相对支配程度的一个判据。 |
| 英文摘要 | Complex flows such as multi-phases flow, multi-components flow, turbulent flow, and non-Newtonian flow are widely encountered in both nature and industries. Due to their mesh-free and Lagrangian characters, the macro-scale particle methods, including smoothed particle hydrodynamics (SPH), macro-scale pseudo particle modeling (MaPPM), moving particle semi-implicit (MPS), and so forth, are quite advantageous in the treatment of complex flows, which usually involves discontinuity, free surface, moving boundary, and non-Newtonian behaviors, and thus attract more and more attentions. However, as a relatively novel technique, macro-scale particle methods should be further explored in both theory and industrial applications. In this study, based on previous works, a new model of surface tension is proposed, and the mechanism behind the rheological characteristics of these numerical particles is elucidated. The method is then applied to the simulation of interfacial flow and non-Newtonian flow. |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-23 |
| 页码 | 117 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1647]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周光正. 界面流和非牛顿流的宏观粒子方法模拟[D]. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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