一种复杂边界微流动的仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种复杂边界微流动的仿真方法及系统，包括：1)基于格子玻尔兹曼方法，建立微尺度流动模型，获取初始分布函数；2)基于初始分布函数，获取分子之间相互作用后的第一分布函数和分子与边界相互作用后的第二分布函数；3)基于第一分布函数和第二分布函数，获取下一时间步长内碰撞迁移过程中所需要的宏观参数和平衡态分布函数；4)对格子玻尔兹曼方法进行收敛性判断，若判定不收敛，则重复步骤3—4，直至收敛计算终止。本发明专利技术相较于现有计算微尺度流动的LBM模型，在满足物理真实和准确的同时，能够处理具有复杂结构边界条件的案例，模型更加简洁，具有更小的算法复杂度和计算量。

A simulation method and system for micro-flow with complex boundary

The invention discloses a simulation method and system for micro-flow with complex boundary, including: (1) establishing micro-scale flow model based on lattice Boltzmann method to obtain initial distribution function; (2) obtaining first distribution function and second distribution function after molecule-boundary interaction based on initial distribution function; (3) basing on first distribution function and second distribution function after molecule-boundary interaction. Distribution function is used to obtain the macro-parameters and equilibrium distribution function needed in the process of collision migration in the next time step. 4) The convergence of lattice Boltzmann method is judged. If the judgement is not convergent, steps 3-4 are repeated until the convergence calculation is terminated. Compared with the existing LBM model for calculating micro-scale flow, the present invention can handle cases with complex structural boundary conditions while satisfying the physical reality and accuracy, and the model is more concise, with less computational complexity and computational complexity.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂边界微流动的仿真方法及系统
本专利技术属于致密气、页岩气开发领域，更具体地，涉及一种复杂边界微流动的仿真方法及系统。
技术介绍
与常规油气藏相比，页岩储层基质渗透率极低，页岩气藏在储层气质特征、物理性质和力学性质均不相同。页岩气的多尺度迁移机制主要有：干酪根内部和表面的分子尺度Knudsen扩散、页岩微纳米尺度孔隙内的稀薄气体流动以及宏观尺度大裂隙内的常规粘性流动。那么，深入了解页岩气开采过程中的多尺度迁移机理，对于有效开采页岩气，并创建高效的“井工厂”开发模式具有重要的意义。纳米尺度的孔隙是页岩气的主要储藏空间，要深入了解页岩气藏的开采机理，就必须对致密页岩中稀薄气体的迁移机制进行研究。对于气体的微流动，Knudsen早在1909年就完成了一系列前驱性的实验研究，并提出了描述气体稀薄效应的无量纲数——努森数(KnudsenNumber，Kn)，它表征为气体分子运动的平均自由程λ与流动的特征长度H之比，即Kn＝λ/H。当Kn增大时，气体的稀薄效应将变得更加明显，微尺度效应逐渐增强，此时，基于连续性假设的宏观流动模型将不再适用。根据Kn数的大小，可以对页岩气在不同孔隙尺度下的流动进行分类，划分为四个区域：(1)连续流(Continuumflow，Kn<0.001)，此区域内，同一时刻甲烷气体分子之间发生碰撞的概率远远大于其与固体表面碰撞的概率，因此气体在固体表面的速度、温度均与壁面边界一致。使用Navier-Stokes方程即可准确刻画气体分子流动和传热过程。(2)滑移流(Slipflow，0.001<Kn<0.1)，此区域内，由于孔隙的特征长度减小，导致孔隙内甲烷分子的数量减小，引起气体稀薄效应的显现。虽然甲烷气体分子之间发生碰撞的概率仍大于其与固体表面碰撞的概率，但此时气体分子在固体表面处碰撞后动量和能量交换不完全，从而导致气体在固体表面的速度和温度与边界不同，产生速度滑移与温度跳跃。Navier-Stokes方程仍可以描述该区域内流场和温度场的变化，但需要使用速度滑移与温度跳跃的边界条件进行修正计算。(3)过渡流(Transitionflow，0.1<Kn<10)，甲烷气体分子之间发生碰撞的概率同气体分子和固体表面碰撞的概率相当，因此以连续性介质为假设条件的Navier-Stokes方程不再适用。有两种主流方法来处理过渡区内的气体流动和传热过程，一种是在Navier-Stokes方程的基础上提出高阶的宏观方程(如Burnett方程)并修改相应的边界条件，提高过渡区内的计算精度；另一种方法是从分子动力学的角度出发，采用直接蒙特卡洛法(DirectSimulationMonteCarlomethod，DSMC)。(4)自由分子流(Freemolecularflow，Kn>10)，甲烷气体越来越稀薄，甲烷气体分子之间发生碰撞的概率远小于其与固体表面碰撞的概率。分子与固体壁面的碰撞作用占主导地位，使用分子动力学方法可以解决此类问题。页岩气的主要储藏空间是纳米尺度的孔隙，纳米级别的孔隙直径尺寸范围是10—800nm，大部分分布在100nm左右。页岩气在气藏内的流动运移大部分处于滑移流和连续流的范围。无滑移流动的LBM模型已经有大量成熟可靠的研究和应用，而微尺度流动的仿真模拟作为LBM的重要应用领域，一直受到诸多学者的广泛关注，许多学者都在研究数值收敛性好、精确度高、算法简单快捷且能够适应于复杂边界条件的计算模型和计算方法，然而至今未有一个健全的模型能够完美实现以上功能用于解决微尺度流动问题。一般来说，微尺度流动的LBM模型可以分为以下三类：镜面反射模型、完全漫反射模型以及混合模型。然而以上三类模型只适用于简单二维直通道，对于具有复杂边界的多孔结构(如：致密页岩、致密砂岩等)内的微尺度流动无法实现准确的仿真计算。因此，有必要提供一种能够对三维复杂边界进行微尺度流动模拟的模型。公开于本专利技术
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术的一般
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
本专利技术提出了一种复杂边界微流动的仿真方法及系统，其利用格子Boltzmann方法，建立微尺度流动模型，实现了对于具有复杂边界的微纳米尺度多孔结构(如：致密页岩、致密砂岩等)内微尺度流动的仿真模拟。根据本专利技术的一方面，提出了一种复杂边界微流动的仿真方法。所述方法可以包括：1)基于格子玻尔兹曼方法，建立微尺度流动模型，获取初始分布函数；2)基于所述初始分布函数，获取分子之间相互作用后的第一分布函数和分子与边界相互作用后的第二分布函数；3)基于所述第一分布函数和所述第二分布函数，获取下一时间步长内碰撞迁移过程中所需要的宏观参数和平衡态分布函数；4)对所述格子玻尔兹曼方法进行收敛性判断，若判定不收敛，则重复步骤3—4，直至收敛计算终止。优选地，所述微尺度流动模型包括镜面反射模型和标准反弹模型。优选地，所述初始分布函数方程表示为：fi(x,t0)(i＝0,1,…,m-1)(1)其中，fi(x,t0)表示t0时刻在x处的流体粒子在i方向上的分布函数，x为位置，t0为初始时间。优选地，获取所述第一分布函数包括两个步骤：1)执行碰撞；2)执行迁移。优选地，执行所述碰撞的方程表示为：其中，fi'(x,t)表示在t时刻，x处执行碰撞后的分布函数，fi(x,t)为碰撞前的分布函数，表示t时刻在x处的流体粒子在i方向上的平衡态分布函数，τ为无量纲的松弛时间，为时间步长，Fi(x,t)为t时刻在x处的流体粒子在i方向上的外力。优选地，执行所述迁移的方程表示为：fi(x+eiδt,t+δt)＝fi′(x,t)(3)其中，表示执行迁移后的分布函数，，fi'(x,t)为执行碰撞后的分布函数，δt为迁移过程的时间步长，eiδt为迁移的空间步长。优选地，所述第二分布函数通过微尺度边界处理方法获取。优选地，所述微尺度边界处理方法为半步长速度滑移边界处理格式。优选地，基于Maxwell的镜面反射理论所述第二分布函数表示为：fi(x,t)＝rf′bb(i)(x,t)+(1-r)f′spec(i)(x,t)(4)其中，fi(x,t)表示t时刻在x处的流体粒子在i方向上的分布函数，f′bb(i)(x,t)为t时刻在x处的流体粒子在i方向上的反弹后的分布函数，f′spec(i)(x,t)为t时刻在x处的流体粒子在i方向上的镜面反射后的分布函数，r为组合系数。根据本专利技术的另一方面，提出了一种复杂边界微流动的仿真系统，该系统包括：存储器，其上存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器执行计算机可执行指令时实现以下步骤：1)基于格子玻尔兹曼方法，建立微尺度流动模型，获取初始分布函数；2)基于所述初始分布函数，获取分子之间相互作用后的第一分布函数和分子与边界碰撞后的第二分布函数；3)基于所述第一分布函数和所述第二分布函数，获取下一时间步长内碰撞迁移过程中所需要的宏观参数和平衡态分布函数；4)对所述格子玻尔兹曼方法进行收敛性判断，若判定不收敛，则重复步骤3—4，直至收敛计算终止。本专利技术的有益效果在于：利用格子Boltzmann方法，建立微尺度流动模型，应用于致密页岩、致密砂岩等数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂边界微流动的仿真方法，其特征在于，包括：1)基于格子玻尔兹曼方法，建立微尺度流动模型，获取初始分布函数；2)基于所述初始分布函数，获取分子之间相互作用后的第一分布函数和分子与边界相互作用后的第二分布函数；3)基于所述第一分布函数和所述第二分布函数，获取下一时间步长内碰撞迁移过程中所需要的宏观参数和平衡态分布函数；4)对所述格子玻尔兹曼方法进行收敛性判断，若判定不收敛，则重复步骤3—4，直至收敛计算终止。

【技术特征摘要】
1.一种复杂边界微流动的仿真方法，其特征在于，包括：1)基于格子玻尔兹曼方法，建立微尺度流动模型，获取初始分布函数；2)基于所述初始分布函数，获取分子之间相互作用后的第一分布函数和分子与边界相互作用后的第二分布函数；3)基于所述第一分布函数和所述第二分布函数，获取下一时间步长内碰撞迁移过程中所需要的宏观参数和平衡态分布函数；4)对所述格子玻尔兹曼方法进行收敛性判断，若判定不收敛，则重复步骤3—4，直至收敛计算终止。2.根据权利要求1所述的复杂边界微流动的仿真方法，其中，所述微尺度流动模型包括镜面反射模型和标准反弹模型。3.根据权利要求1所述的复杂边界微流动的仿真方法，其中，所述初始分布函数方程表示为：fi(x,t0)(i＝0,1,…,m-1)(1)其中，fi(x,t0)表示t0时刻在x处的流体粒子在i方向上的分布函数，x为位置，t0为初始时间。4.根据权利要求1所述的复杂边界微流动的仿真方法，其中，获取所述第一分布函数包括两个步骤：1)执行碰撞；2)执行迁移。5.根据权利要求4所述的复杂边界微流动的仿真方法，其中，执行所述碰撞的方程表示为：其中，fi'(x,t)表示在t时刻，x处执行碰撞后的分布函数，fi(x,t)为碰撞前的分布函数，fieq(x,t)表示t时刻在x处的流体粒子在i方向上的平衡态分布函数，τ为无量纲的松弛时间，δt为时间步长，Fi(x,t)为t时刻在x处的流体粒子在i方向上的外力。6.根据权利要求4所述的复杂边界微流动的仿真方法，其中，执行所述迁移的方程表示为：fi(x+eiδt,t...

【专利技术属性】
技术研发人员：高诚，龙秋莲，孙川翔，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11