【摘 要】
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多孔介质是由多相物质所占据的共同空间,也是多相物质共存的一种组合体,它是“宏观上连续（微观上随机）分布着孔隙空间的固体物质”。流体在多孔介质中流动形成了多相体,大多数可根据工程热物理学、理论力学和数学来描述,但多相流的流动特性分析一直是让人困扰的问题。本研究旨在提出一种多孔介质内多相流的力学分析方法,结合LBM和分数阶建立了介-宏多尺度两相流动力学模型,同时改进流固边界处理的方式,提高边界处理的精
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多孔介质是由多相物质所占据的共同空间,也是多相物质共存的一种组合体,它是“宏观上连续（微观上随机）分布着孔隙空间的固体物质”。流体在多孔介质中流动形成了多相体,大多数可根据工程热物理学、理论力学和数学来描述,但多相流的流动特性分析一直是让人困扰的问题。本研究旨在提出一种多孔介质内多相流的力学分析方法,结合LBM和分数阶建立了介-宏多尺度两相流动力学模型,同时改进流固边界处理的方式,提高边界处理的精度。本文理论可应用于石油开采、流体智能化控制、软件开发以及计算分析等。主要研究内容如下:（1）考虑传热传质过程中,热和质量不均易产生密度梯度,从而导致浮力驱动和流动、传热和传质之间的耦合。为精确描述流体力学特性,本文基于双分数阶建立引入Soret-Dufour效应的粘弹性流体的本构方程,分析表明动量方程中分数阶导数的增大使流体速度增大,温度和浓度方程中分数阶导数的增大使传热传质变强。（2）利用Lagrange形式的曲面插值改进GF-LBM,使边界处理的精度至少达到二阶以上。本文采用非平衡外推的压力条件将宏观变量值外推到相关的重影点,以便计算未知分布函数的平衡和非平衡部分,并使用圆柱绕流和绝热圆柱在水平外壳中的自然对流两个案例进行验证。在定性分析中,随着Re增大,形成卡门涡街;随着Ra增大,圆柱上方形成羽流;在定量分析中,利用CD和Nu来评定,经理论验证与以往研究相比精度提高。（3）为模拟嵌入分叉网络的多孔介质内两相流的动力学特性,本文基于QSGS重构多孔介质,然后将分数阶和MRT-GF-LBM（第3章）结合建立介-宏分层升级方案来模拟多孔介质中的流体输送。为了方便求解,采用Crank–Nicolson和L1-算法离散分数导数,然后基于Thomas算法对其求解,分析结果表明,?增大可提高速度,速度边界层变厚,而?增大抑止流体的热传导。此研究不仅可结合两个理论在粘弹性流体运动学分析方面的优点,还解决了介观上难以用实验验证的难题。除此之外,基于LBM计算了格子渗透率,进而描述多孔介质的内在渗透性,该方法可用于截面积难以计算的复杂场合。（4）为验证第4章建立的两相流分数阶模型,本文搭建直管试验台,采用蠕动泵提供脉动压力,配置不同体积分数的Al2 O3混合溶液用以实验。实验完成后将所采集的数据与理论计算进行对比分析,发现本文理论与实验数据具有相同的变化趋势,由此表明本文的合理性和正确性。
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