不同粒径分布多孔介质渗流的微观数值模拟研究

多孔介质渗流领域里许多常用的经验公式都只适用于单一粒径多孔介质，而自然界中多孔介质里的颗粒多种多样，目前有一些关于不同粒径分布多孔介质的研究尝试，但得出的计算公式都太复杂，难以应用于实际。本文在周期性边界条件下，对多种不同粒径分布的多孔介质单元体进行数值模拟。通过大量的二维和三维数值模拟，研究了不同粒径分布多孔介质的渗流特征。提出并验证了一个最优有效平均粒径公式，对经验公式中的参数进行了标定，进而提出一个计算不同粒径分布多孔介质渗流压力梯度的通式。本文的主要工作和成果归纳如下：（1）建立了由两种、三种、四种、五种不同尺寸方块组成多孔介质的二维数值模型，在雷诺数较小的条件下进行数值计算，从提出的三个有效平均粒径公式中找出最优有效平均粒径公式，进而将Carman-Kozeny型表达式从适用于单一粒径构成的多孔介质推广至多种不同粒径分布的多孔介质。（2）在同样的二维模拟环境下，加大雷诺数进行数值模拟，观察不同粒径分布多孔介质渗流过程中惯性对压降的作用。用测定渗透率的方法可以得到不同粒径分布多孔介质的惯性系数，并找出不同流动角度对惯性系数的影响，验证了当使用最优有效平均粒径公式时，用Ergun型公式计算不同粒径分布多孔介质的惯性系数仍有效，最后，得出一个计算不同粒径分布多孔介质渗流压力梯度的通式。（3）在三维数值模拟条件下，建立由两种、三种不同直径球体组成的多孔介质模型，分析了三维环境下不同的流动角度对压降的影响，在不同雷诺数条件下分别进行数值模拟，求出渗透率和惯性系数。证明了二维数值模拟的结果是正确的，在引入了最优有效平均粒径后，可以将Ergun型公式从适用于单一粒径颗粒构成的多孔介质扩展到不同粒径分布的多孔介质。以上研究成果为多孔材料的设计和渗流计算提供了理论依据，同时为研究微观结构对渗流的影响机理提供了方法，具有重要的应用价值和理论意义。