Стр.
Скачать статью

Моделирование двухфазных течений жидкостей в пористой среде в режиме доминирования капиллярных сил

Т.Р. Закиров, М.Г. Храмченков

Оригинальная статья

DOI https://doi.org/10.18599/grs.2020.1.4-12

4-12
rus.
eng.

open access

Under a Creative Commons license

В данной работе представлены результаты численного моделирования двухфазных течений в трехмерной цифровой микротомографической модели песчаника при доминировании капиллярных сил. Для моделирования двухфазных течений применяются решеточные уравнения Больцмана; явления на границе раздела фаз и эффекты смачивания описываются при помощи метода градиента цветового поля. Для выявления закономерностей совместного течения устанавливается соответствие между динамическими характеристиками течения и событиями вытеснения, происходящими в поровом пространстве. Особенностью данной работы является детальное изучение событий, происходящих в поровом пространстве после скачка Хайнса (быстрое перемещение границы раздела двух фаз из узкого горла поры в ее широкое тело). Выявлена последовательность событий, которая может считаться периодом дренажного вытеснения. Она состоит из следующих этапов: скачок Хайнса; продолжение течения в данном канале, где произошел скачок; появление новых подвижных менисков и последующее вытеснение в новых областях порового пространства. Периодическое переключение подвижных интерфейсов является новой отличительной особенностью проявления капиллярных сил в пористой среде. Статистические исследования падений давления при скачках Хайнса показали, что распределения подчиняются логнормальному закону. Показано, что параметры двухфазного течения не оказывают влияния на статистические распределения и воздействуют только на среднее значение падений давления.

 

двухфазное течение, скачки Хайнса, капиллярные силы, решеточные уравнения Больцмана, метод цветового градиента, рентгеновская компьютерная томография

 

  • Akai T., Bijeljic B., Blunt M.J. (2018). Wetting boundary condition for the color-gradient lattice Boltzmann method: Validation with analytical and experimental data. Advances in Water Resources, 116, pp. 56-66. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2018.03.014
  • Armstrong R.T., Berg S. (2013). Interfacial velocities and capillary pressure gradients during Haines jumps. Physical Review E, 88, 043010. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.88.043010
  • Armstrong R.T., Evseev N., Koroteev D., Berg S. (2015). Modeling the velocity field during Haines jumps in porous media. Advances in Water Resources, 77, pp. 57-68. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2015.01.008
  • Aursjø O., Løvoll G., Knudsen H.A., Flekkøy E.G., Måløy K.J. (2011). A Direct Comparison Between a Slow Pore Scale Drainage Experiment and a 2D Lattice Boltzmann Simulation. Transport in Porous Media, 86(1), pp. 125-134. https://doi.org/10.1007/s11242-010-9611-y
  • Chen Y.-F., Wu D.-S., Fang Sh., Hu R (2018). Experimental study on two-phase flow in rough fracture: Phase diagram and localized flow channel. International Journal of Heat and Mass Transfer. 122, pp. 1298-1307. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.031
  • Furuberg L., Maløy K.J., Feder J. (1996). Intermittent behavior in slow drainage. Physical Review E, 53, pp. 966-977. https://doi.org/10.1016/0378-4371(92)90542-X
  • Haines W.B. (1930). Studies in the physical properties of soil. Journal of Agricultural Science, 20, pp. 98-116. https://doi.org/10.1017/S002185960008864X
  • Leclaire S., Parmigiani A., Malaspinas O., Chopard B., Latt J. (2017). Generalized three-dimensional lattice Boltzmann color-gradient method for immiscible two-phase pore-scale imbibition and drainage in porous media. Physical Review E, 95, 033306. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.033306
  • Liu H., Kang Q., Leonardi C.R., Schmieschek S., Narváez A., Jones B.D., Williams J.R., Valocchi A.J., Harting J. (2016). Multiphase lattice Boltzmann simulations for porous media applications. Computational Geosciences, 20(4). pp. 777-805. https://doi.org/10.1007/s10596-015-9542-3
  • Moebius F., Or D. (2012). Interfacial jumps and pressure bursts during fluid displacement in interacting irregular capillaries. Journal of Colloid and Interface Science, 377, pp. 406-415. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.03.070
  • Moebius F., Or D. (2014). Pore scale dynamics underlying the motion of drainage fronts in porous media. Water Resources Research, 50, pp. 8441-8457. https://doi.org/10.1002/2014WR015916
  • Soto D., Paradelo M., Corral Á., López Periago J.E. (2017) Pressure jumps during drainage in macroporous soils. Vadose Zone Journal, 16. https://doi.org/10.2136/vzj2017.04.0088
  • Tsuji T., Jiang F., Christensen K.T. (2016). Characterization of immiscible fluid displacement processes with various capillary numbers and viscosity ratios in 3D natural sandstone. Advances in Water Recourses. 95, pp. 3-15. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.03.005
  • Yamabe H., Tsuji T., Liang Y., Matsuoka T. (2015). Lattice Boltzmann Simulations of Supercritical CO2−Water Drainage Displacement in Porous Media: CO2 Saturation and Displacement Mechanism. Environmental Science and Technology, 49, pp. 537-543. https://doi.org/10.1021/es504510y
  • Zacharoudiou I., Boek E.S. (2016). Capillary filling and Haines jump dynamics using free energy Lattice Boltzmann simulations. Advances in Water Resources, 92, pp. 43-56. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.03.013
  • Zakirov T.R., Galeev A.A., Statsenko E.O., Khaidarova L.I. (2018a). Calculation of filtration characteristics of porous media by their digitized images. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 91(4), pp. 1069-1078. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1833-9
  • Zakirov T.R., Galeev A.A., Khramchenkov M.G (2018b). Pore-scale Investigation of Two-Phase Flows in Three-Dimensional Digital Models of Natural Sandstones. Fluid Dynamics. 53(5), pp. 76-91. https://doi.org/10.1134/S0015462818050087
  • Zou Q., He X. (1997). On pressure and velocity boundary conditions for the lattice Boltzmann BGK model. Phys. Fluids, 9, pp. 1591-1598. https://doi.org/10.1063/1.869307



  •  
  •  
Тимур Рустамович Закиров
Казанский (Приволжский) Федеральный университет
Россия, 420008, Казань, ул. Кремлёвская, д. 18
E-mail: tirzakirov@kpfu.ru
 
Максим Георгиевич Храмченков
Казанский (Приволжский) Федеральный университет
Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований РАН
Россия, 420008, Казань, ул. Кремлёвская, д. 18

 

Для цитирования:

Закиров Т.Р., Храмченков М.Г. (2020). Моделирование двухфазных течений жидкостей в пористой среде в режиме доминирования капиллярных сил. Георесурсы, 22(1), c. 4-12. DOI: https://doi.org/10.18599/grs.2020.1.4-12

For citation:

Zakirov T.R., Khramchenkov M.G. (2020). Pore-scale investigation of the displacement fluid mechanics during two-phase flows in natural porous media under the dominance of capillary forces. Georesursy = Georesources, 22(2), pp. 4-12. DOI: https://doi.org/10.18599/grs.2020.1.4-12