多孔介质内多相多组分Peng-Robinson流体输运过程的高效格子Boltzmann方法研究

The multi-phase and multi-component fluid transport in porous media widely exists in the energy, environment and industrial applications. The study of this problem has the guide meaning for the energy development and environment protection. This problem involves liquid solid reaction, the generation and motion of phase interface and multi-component flow and diffusion, which brings significant difficulty and challenge to the numerical research. Although the lattice Boltzmann (LB) method that based on mesoscopic kinetic theory has great advantages and potentials, it still needs further research and development. Thus, we will adopt the diffuse interface based LB method in this program research, where the Peng-Robinson (P-R) free energy model is chosen to describe the real flow state of each hydrocarbon component of crude oil. The research topics include: (1) aimed at the P-R free energy based multiphase and multicomponent fluid, developing the energy stable LB method; (2) building wetting boundary condition that can accurately describe the interaction of the fluid and the solid; (3) designing principle and technology of high-performance algorithm under "CPU+GPU" heterogeneous computing architectures, and numerical simulating the realistic P-R fluid transport in three dimensional porous media and analyzing the fluidic mechanism.

多孔介质内的多相多组分流体输运过程广泛存在于能源、环境、化工等众多领域，对其开展研究对能源高效开发和环境保护具有重要指导意义。该问题涉及到流-固相互作用、相界面的产生和运动以及多个组分流动与扩散等物理过程，给数值研究带来了极大的困难和挑战。基于动理学理论发展而来的格子Boltzmann(LB)方法虽然在处理此类问题时有较大的优势和潜力，但仍需发展和改进。本项目拟采用基于扩散界面理论的LB方法，选取能够定量描述地下油井中各种有机组分流动性质的Peng-Robinson(P-R)自由能模型，开展如下研究：(1) 针对基于P-R自由能模型的多相多组分流体，发展能量稳定的高效LB方法；(2) 构建准确刻画流体与壁面相互作用的润湿性边界条件；(3) 设计基于CPU+GPU异构系统的高效并行算法，对真实三维多孔介质内的P-R流体输运过程进行数值模拟，并分析其流动机理。

多孔介质内的多相多组分Peng-Robinson（P-R）流体输运过程在能源、环境、化工等领域广泛存在，是一个十分重要且基础的研究课题。本项目基于气体动理学理论，通过发展和完善基于多相多组分P-R自由能模型的介观格子Boltzmann(LB)方法，系统研究了多孔介质内多相多组分P-R流体的热力学性质和输运过程，取得了一系列的成果，主要包括：（1）针对基于P-R自由能模型发展而来的Allen-Cahn型相场方程，构建了质量守恒的LB方法，并对三维丙烷和异丁烷三维液滴进行数值模拟，数值预测的表面张力能够很好的与实验数据吻合；（2）发展了能够精确求解四阶Cahn-Hilliard方程的高效LB方法，克服了以往LB模型不满足Chapman-Enskog多尺度展开阶数的缺点，并将该方法应用到两组分两相烷烃类流体的数值研究中。通过对甲烷和戊烷两组分两相混合物的数值模拟，发现在达到稳态后，该两组分两相混合物在体相区的化学势为恒定值，验证了所发展的LB方法满足热力学一致性；（3）基于P-R自由能模型，发展出具有势形式的P-R流体动力学方程组，并设计了基于Beam-Warming迁移格式的多松弛MRT-LB模型，与以往LB模型相比，该LB模型的CFL数可调，可以达到更好地数值稳定性。通过对真实的烷烃流体，异丁烷的数值模拟，验证了该模型具有二阶精度。同时，通过对三维异丁烷液滴的数值模拟，发现基于势形式的非理想流体动力学方程组所构造的LB模型更能有效的降低虚假速度；（4）利用String方法的思想，结合Rosenbrock ETD格式设计了可以快速且准确地计算基于P-R状态方程的VT闪帧模型的能量最短路径算法。该算法成功的计算出了单组分和两组分VT闪帧模型的最小能量路径。.本项目的研究成果不仅可为研究多孔介质内的多相多组分非理想流体的输运过程，认识其传输机理提供新的有效手段，而且对涉及这类复杂问题的地下油藏开采以及温室气体的埋存和利用均具有一定的指导意义。