基于多能量CT微觀結(jié)構(gòu)表征的格子Boltzmann流動模擬研究.pdf

1、多孔介質(zhì)的許多宏觀滲透特性在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)和組成成分，因此在微觀結(jié)構(gòu)尺度上研究流體在多孔介質(zhì)中的流動是揭示其流動機(jī)制和獲取新認(rèn)知的重要途徑，也是目前國際上多孔介質(zhì)流動模擬領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來，格子Boltzmann方法以其計(jì)算簡單、本質(zhì)并行和易于處理邊界的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。該方法能以極其簡單的形式描述粒子的微觀行為，但在宏觀層次上可以正確的反映流動的運(yùn)動。多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)信息是使用格子 Boltzmann方法進(jìn)行流

2、動模擬的基礎(chǔ)，而多孔介質(zhì)的CT重建結(jié)果是獲得微觀結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)，因此本論文首先對多孔介質(zhì)樣品進(jìn)行 CT重建，然后得到其微觀結(jié)構(gòu)信息，最后使用格子Boltzmann方法對多孔介質(zhì)樣品的流動進(jìn)行模擬和分析。
　　在CT重建過程中，由于傳統(tǒng)X射線吸收CT成像對主要由輕元素組成的弱吸收物質(zhì)如軟組織和低Z材料產(chǎn)生的對比度和分辨率很低，無法分辨樣品細(xì)節(jié)信息，而X射線相位襯度CT成像技術(shù)從機(jī)制上克服了傳統(tǒng)吸收成像的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)對弱吸收物質(zhì)或低

3、Z樣品的成像，因此本文中將使用該技術(shù)對多孔介質(zhì)進(jìn)行CT重建，為后續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)表征提供充分的細(xì)節(jié)信息。
　　在微觀結(jié)構(gòu)表征過程中，傳統(tǒng)的基于單一能量CT重建的圖像分割微觀結(jié)構(gòu)表征方法丟失了低于CT可解析尺度的小尺度結(jié)構(gòu)信息。另外，對于存在不同材料成分的樣品，它們可能存在某些材料成分，在單個(gè)能量下的X射線吸收及折射率信息都較為接近，此時(shí)使用圖像分割方法很難對不同的材料進(jìn)行區(qū)分。而基于多能量CT重建的數(shù)據(jù)約束模型（DCM）微觀結(jié)構(gòu)表征方

4、法有效的彌補(bǔ)了圖像分割方法的不足，該方法可以在每個(gè)體素內(nèi)得到各種材料成分的體分比，這樣更小尺度的結(jié)構(gòu)信息將由體分比得到體現(xiàn)。因此本文中將使用該方法對多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，為后續(xù)的流動模擬提供更為可靠的微觀結(jié)構(gòu)信息。
　　傳統(tǒng)的格子Boltzmann方法是在由圖像分割技術(shù)得到的0/1模式的體素上進(jìn)行流動模擬的。所謂0/1模式是指，每個(gè)體素不是代表固體就是代表孔隙，當(dāng)每個(gè)體素中既有固體又有孔隙時(shí)，傳統(tǒng)的格子Boltzmann方法

5、將不再適用。因此我們在每個(gè)體素上定義了一個(gè)新的參數(shù)——有效滲透系數(shù)，該系數(shù)是各個(gè)體素滲透特性的總體反映，而且每個(gè)體素都有自己的有效滲透系數(shù)，進(jìn)而提出了部分滲透格子Boltzmann模型。
　　為了對部分滲透格子Boltzmann模型的正確性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，我們利用該模型對規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)下的平行板間流體的流動和方形通道中流體的流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值結(jié)果與解析解進(jìn)行了比較，并且得到了很好的吻合。
　　要使用部分滲透格子Bo

6、ltzmann模型對實(shí)際的多孔介質(zhì)樣品中的流動進(jìn)行模擬時(shí)，首先應(yīng)將模型單位與實(shí)際的物理單位相聯(lián)系，因此我們使用雷諾數(shù)作為紐帶，推導(dǎo)出了模型單位與實(shí)際物理單位間的關(guān)系式。
　　最后，部分滲透格子Boltzmann模型被用于了致密砂巖和砂巖樣品的流動模擬，得到了流體在樣品中的流動速度分布，并計(jì)算了兩種樣品的滲透率。從對兩種樣品滲透率的分析可知，當(dāng)碳酸鈣的有效滲透系數(shù)增大時(shí)，致密砂巖的滲透率也快速的隨之增長，而砂巖恰恰相反，當(dāng)碳酸鈣的有