【摘 要】
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多孔介质孔隙裂隙结构广泛存在于煤岩体结构、分子材料等自然物质和人工合成物质中,而流体在多孔介质中的流动称为渗流,传统渗流研究一般从宏观角度出发,而不关注实际孔隙、裂隙内的具体流动情况,因此本文类比真实多孔介质孔隙裂隙结构并基于孔隙裂隙基础定义,以四参数随机生成法构建孔隙裂隙结构模型,利用介观模拟方法格子Boltzmann方法对多孔介质孔隙裂隙结构进行渗流模拟,对“基于格子Boltzmann方法的多
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多孔介质孔隙裂隙结构广泛存在于煤岩体结构、分子材料等自然物质和人工合成物质中,而流体在多孔介质中的流动称为渗流,传统渗流研究一般从宏观角度出发,而不关注实际孔隙、裂隙内的具体流动情况,因此本文类比真实多孔介质孔隙裂隙结构并基于孔隙裂隙基础定义,以四参数随机生成法构建孔隙裂隙结构模型,利用介观模拟方法格子Boltzmann方法对多孔介质孔隙裂隙结构进行渗流模拟,对“基于格子Boltzmann方法的多孔介质孔隙裂隙结构渗流模拟研究”这一课题展开研究。基于格子Boltzmann方法基本原理,在压力差作用下驱动流体在多孔介质孔隙裂隙结构内流动。通过二维泊肃叶流(Poiseuille流)基本理论对格子Boltzmann渗流模拟程序准确性进行验证,选取多组模拟总平均误差为3.0815%,其中在压力梯度较小,流体处于层流状态时,误差较小在1%以内,具有较高的精度,一方面证明了程序的准确性,另一方面为本文渗流模拟压力梯度的设定提供参考依据。利用四参数随机生成法基本原理构建72组孔隙结构模型、54组裂隙结构模型,随机选取孔隙裂隙结构模型,借助ImageJ软件对四参数程序准确性进行验证,其中孔隙结构模型总平均误差为0.4707%,裂隙结构模型总平均误差为0.5973%。模拟结果表明:(1)孔隙平均等效直径d与孔隙圆形度R0之间具有较好的一次线性关系,形如R0=-Ad+B随着孔隙率的增加,曲线斜率逐渐增大即圆形度递减速度加快;(2)渗透率Kk与孔隙平均等效直径d之间趋近于二次幂指数关系,渗透率与孔隙率Ek之间具有一次线性关系,归纳拟合关系式为:Kk=Ad2Ek-B与前人总结经验公式基本一致;(3)渗透率KL与平均隙宽b之间呈幂指数关系,拟合关系式形如KL=Ab2,与结合立方定理达西定律推导式K=b2/12基本一致,随着裂隙率的增长,系数A呈递增趋势即渗透率的总体增长幅度变大;(4)拟合数据可知分形盒维数与孔隙裂隙率之间具有较好的对数关系,基本形式为D=ALn(E)+B,其中常数B趋近于2。
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