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[期刊论文] 雷体蔓 孟旭辉 郭照立
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:利用格子Boltzmann方法和GPU计算技术,在孔隙尺度上模拟多孔介质中包含界面化学反应的粘性指进现象,定量分析化学反应对流体混合的影响。采用单浓度变量的双稳态模型来描述界面反应,而各向同性的多孔介质则通过四参数法生成。研究发现化学反应能减小指进界面厚度,抑制流体的混合,甚至会出现反混合现象,并且随着反应速率的增加,影响越明显。
[期刊论文] 雷体蔓 孟旭辉 郭照立
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:采用格子Boltzmann方法数值模拟化学反应中混溶流体在微通道中的粘性指进现象.模拟采用单浓度变量的双稳态化学反应模型,重点研究指进的形态位置随化学反应速率和稳态浓度参数(即无化学反应发生的界面浓度)的变化.结果表明:随着反应速率的增加,指进界面变薄;而稳态浓度参数的变化则影响反应区的分布以及反应速率,导致指进形态以及位置的改变,甚至出现指尖液滴分离.
[博士论文] 孟旭辉
热能工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:溶解/吸附渗流是二氧化碳(CO2)地质封存、石油开采、地下水污染治理、土壤污染修复等众多领域中典型的流动问题。本文主要针对其中两个问题进行研究:其一,二氧化碳地质封存中出现的多孔介质中包含溶解反应的密度驱动流;其二,石油开采、土壤污染治理中存在的多孔介质中纳米颗粒的聚合、迁移及吸附过程。由于该类问题中流动、反应、溶剂传输互相影响,动态耦合,使得研究该类问题的挑战极大,导致人们对其机理认识不够充分。为此,本文将分别采用数值模拟(包括孔隙尺度和达西尺度模拟)、理论分析、实验等手段对此问题进行研究,揭示溶解和吸附过程对渗流的影响机理。
  首先,针对孔隙尺度反应流,建立了模拟孔隙尺度反应流动的多松弛格子Boltzmann(lattice Boltzmann, LB)模型,并发展了一种用于处理线性非均相反应的边界处理格式;其次,构造出用于模拟达西尺度反应流的LB模型。最后,我们采用提出的模型和边界处理格式对孔隙/达西尺度多孔介质内包含溶解/吸附过程的渗流进行了模拟分析,总结出溶解/吸附对渗流的影响规律,并采用线性稳定性分析和实验手段对上述问题进行进一步探究,对数值模拟结果进行验证和补充。以下是本文工作的主要内容:
  1、在孔隙尺度模拟方面,提出了模拟多孔介质内反应流动的多松弛LB模型,该模型数值稳定性良好,不仅能模拟粘性较小流体的流动,也能模拟极低扩散系数的混溶流动,克服了现有模型的缺陷;此外,我们还进一步提出了用于处理线性非均相化学反应边界条件的边界格式,该格式具有较高的空间精度,且实现简单,计算量小;将该模型和边界格式进行结合,即可为孔隙尺度模拟多孔介质内反应流动提供准确高效的工具。
  2、在达西尺度模型方面,构造了模拟多孔介质内反应流动的LB模型,该模型具有局部性质,并行效率高,且数值稳定性良好,能模拟极低扩散系数下的混溶流动,为研究该类问题提供了较为有效的预测工具。
  3、分别采用提出的孔隙尺度模型和达西尺度模型模拟了多孔介质内包含溶解反应的密度驱动混溶流动,研究结果均表明:混溶流体间的密度差及多孔介质固体的溶解会激发系统中的不稳定性,而流固间的非均相反应会抑制系统中的不稳定性,系统中综合的不稳定性由三者共同竞争决定;此外,我们采用线性稳定性分析方法从理论上对该问题进行进一步分析,分析结果与数值模拟结果保持一致。此部分结果可为二氧化碳在地下的迁移和转化提供理论指导。
  4、采用柱体实验研究了纳米颗粒在多孔介质内的迁移和吸附规律,实验结果显示:纳米颗粒由于其尺寸较小,颗粒间会发生聚合,聚合效应的存在会导致多孔介质对颗粒的吸附量上升。随后,我们采用提出的达西尺度模型对实验工况进行了模拟,模拟结果与实验结果吻合良好。最后,我们在孔隙尺度进一步模拟了颗粒间的聚合、迁移以及吸附过程,从微观角度揭示聚合效应对纳米颗粒的迁移和吸附的影响规律。
  综上所述,本文提出的格子Boltzmann模型以及边界条件处理格式为从多尺度角度研究多孔介质内反应流动提供了较为可靠的工具。同时,本文通过数值模拟、线性稳定性分析以及实验研究分析总结出了多孔介质中溶解/吸附过程对渗流影响机理,一方面促进了人们对该问题的理论认识,另一方面也能为二氧化碳地下封存、石油开采、地下水污染治理、土壤污染修复等提供决策的理论依据。
[期刊论文] 孟旭辉 王亮 郭照立
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:采用格子Boltzmann方法对多孔CaO颗粒与CO2之间的气固反应过程进行模拟.主要研究在二维矩形截面管道中雷诺数(Re)和孔隙率对单个CaO颗粒吸收CO2效率的影响.结果表明:增大Re会相应提高CaO颗粒吸收CO2气体的效率.同时对于同一Re,CaO颗粒吸收CO2气体的效率随其孔隙率呈非线性变化,这是由于不同孔隙率颗粒固体量和渗透率存在差别因而影响化学反应的速率.
[期刊论文] 孟旭辉 王亮 郭照立
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素.作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力.分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的.进而将该方法推广到计算表征体元(表征体元)尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数(Re)下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.
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