Homogenized Lattice Boltzmann Model for Simulating Multi-Phase Flows in Heterogeneous Porous Media
提出一种基于格子玻尔兹曼和灰度Shan-Chen方法的均匀化模型，用于模拟非均质多孔介质中的多相流，并在锂离子电池电极填充中验证其准确性、连续性和优势。
2024-05-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A Multigrid Graph U-Net Framework for Simulating Multiphase Flow in Heterogeneous Porous Media
提出基于图神经网络的AMG-GU框架，利用代数多重网格启发的图粗化策略，实现多孔介质多相流的高精度预测，优于单级基线并具良好泛化能力。
2024-12-17 physics.comp-ph
Graph Convolutional Networks for Simulating Multi-phase Flow and Transport in Porous Media
Chevron Technical Center（雪佛龙技术中心）；The University of Arizona（亚利桑那大学）
针对CNN难以处理多孔介质多相流模拟中非结构化网格的问题，提出适配耦合PDE双曲特性的GCN代理模型，可高精度预测压力与饱和度演化，对未见过的不规则域和非结构化网格泛化性好。
2024-04-15 cs.LG physics.comp-ph
A Physics-Constrained Deep Learning Model for Simulating Multiphase Flow in 3D Heterogeneous Porous Media
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
在这项工作中，开发了一种有效的物理约束深度学习模型，用于求解3D非均质多孔介质中的多相流。该模型充分利用了卷积神经网络的空间拓扑预测能力，并与高效的基于连续性的平滑器相结合，以预测需要空间连续性的流量响应。此外，瞬态区域被惩罚以引导训练过程，使得模型可以准确地捕获这些区域中的流。该模型采用包括多孔介质性质、流体性质和井控在内的输入，并预测状态变量（压力和饱和度）的时空演化。在保持流体流动连续性的前提下，将三维空间域分解为二维图像，减少了训练代价，增加了训练样本数，提高了训练效率。此外，代理模型被单独构建为后处理器，以基于来自深度学习模型的状态变量的预测来计算井流量。我们使用CO2注入盐水层的例子，并应用物理约束的深度学习模型，该模型是从基于物理的模拟数据中训练出来的，并模拟物理过程。与基于物理的模拟相比，该模型的预测速度提高了约1400倍，预测的压力和饱和羽流的平均时间误差分别为0.27%和0.099%。此外，利用井流量替代模型对产水生产率进行了有效预测，平均误差小于5%。因此，凭借其独特的方案来应对多孔介质中流体流动的保真度，物理约束的深度学习模型可以成为计算要求高的逆问题或其他耦合过程的有效预报模式。
2021-04-30 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Study of fluid displacement in 3D porous media with an improved multi-component pseudopotential lattice Boltzmann method
将最近发展起来的一种改进的多分量赝势格子玻尔兹曼方法推广到三维，并分析了它在模拟真实多孔介质流动中的适用性。该模型的验证和特点，通过基准，我们研究其性能，通过模拟不混溶流体在三维几何形状的位移。被认为是两个样本，即，一包球数值获得，和Bentheimer砂岩岩石样品实验获得。我们表明，与此模型，它是可能的，以模拟现实的粘度比，调整表面张力独立，最重要的是，以保持被困流体的体积。我们还评估了该模型在图形处理单元（GPU）上的计算性能，并提到了实现的优化，以提高计算速度，减少内存需求。
2022-10-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Gradient-based Deep Neural Network Model for Simulating Multiphase Flow in Porous Media
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
多孔介质中多相流的模拟对于地下能源和环境相关活动的有效管理至关重要。用于模拟这些过程的数值模拟器依赖于通过数值方法将控制偏微分方程（PDE）离散成代数系统的空间和时间离散化。这些模拟器通常需要专门的软件开发和维护，并且从运行时间和存储器的角度来看效率很低。因此，开发具有成本效益的数据驱动模型可以成为一种实用的选择，因为深度学习方法被认为是通用的近似方法。在本文中，我们描述了一种基于梯度的深度神经网络（GDNN），该网络受到多孔介质中多相流相关物理的约束。通过将非线性偏微分方程分解为基本微分算子的字典，我们解决了由岩石非均质性、流体性质和流体-岩石相互作用引起的多孔介质中流动的非线性问题。我们使用一个组合的运营商来处理岩石的空间异质性和流体流动的平流。由于增广微分算子与流体流动物理本质上相关，因此我们将其视为第一原理先验知识来正则化GDNN训练。我们使用地质CO2储存地点的压力管理的例子，其中CO2被注入含盐含水层并产生盐水，并应用GDNN构建一个预测模型，该模型是从基于物理的模拟数据中训练出来的，并模拟物理过程。我们证明了GDNN可以有效地预测地下响应的非线性模式，包括压力和饱和度羽流的时空演变。GDNN在解决高度非线性物理所控制的具有挑战性的问题方面具有巨大的潜力，并能够开发具有更高保真度的数据驱动模型。
2021-04-30 cs.CE cs.LG physics.comp-ph
The LBPM software package for simulating multiphase flow on digital images of porous rocks
在数字岩石图像上直接模拟孔隙尺度的双流体流动，为理解地质油藏中表面润湿现象对流动和输运的作用提供了一种有前途的工具。我们提出的计算协议，模仿传统的特殊岩芯分析实验室（SCAL）的实验，这是在开源LBPM软件包中实现的。协议被描述为模拟非定常位移，在固定饱和度的稳态流，并模仿离心实验。这些方法可用于推断相对渗透率和毛细管曲线，以及基于第一原理理解双流体流动行为。应用形态学工具评估图像分辨率，建立初始条件，并根据流体的分布实例化表面润湿图。描述了测量双流体流动的基本方面的内部分析工具，包括流体连通性和表面测量，这些工具用于跟踪模拟过程中发生的流动行为的瞬态方面。通过将这些组件与双流体格子Boltzmann模型相结合来开发计算效率高的工作流程，以定义混合方法，该混合方法可以通过使用形态学工具来加速计算，从而逐步发展孔隙尺度流体分布。我们表明，所描述的方法可以应用于恢复预期的趋势，由于表面润湿性能的基础上流动模拟本海默砂岩。
2020-07-13 physics.comp-ph physics.geo-ph
An embedded boundary approach for efficient simulations of viscoplastic fluids in three dimensions
我们提出了一种方法来模拟三维流动的不可压缩粘塑性流体广义牛顿流变方程建模。它是在一个高效的框架中实现的，用于在块结构网格上进行大规模并行计算。在这种情况下，几何特征处理的嵌入式边界的方法，这需要专门的治疗，只有在细胞相交或邻近的边界。这构成了第一次公布的实施嵌入边界算法模拟粘塑性流体流动的结构网格。底层算法采用了两阶段的龙格-库塔法的时间离散化，其中粘性条款被视为半隐式和投影法被用来执行不可压缩性约束。我们增加了嵌入边界算法，以处理流体的可变表观粘度。由于粘度强烈依赖于应变率张量，特别注意已采取近似的速度梯度的组件强大的边界细胞附近，无论是在切割细胞的粘性壁通量和更新的表观粘度在细胞附近。在进行收敛性分析和验证代码对标准的测试用例，我们提出了有史以来第一次完全三维模拟的蠕动流动的宾汉塑料周围的平移对象。我们的研究结果揭示了这些物体周围的流场。
2019-08-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Efficient Monte Carlo methods for simulating diffusion-reaction processes in complex systems
本文简要介绍了快速随机游走算法的原理、数学基础、数值捷径和应用。这种蒙特卡罗技术允许模拟扩散粒子的单个轨迹，以研究各种概率特性（谐波测量、首次通过/退出时间分布、反应速率、搜索时间和策略等）。并求解相关的偏微分方程。FRW的自适应特性和灵活性使其特别有效地模拟多孔，多尺度，异质，无序或不规则形状的介质中的扩散过程。
2013-04-29 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
An advanced fully-implicit solver for heterogeneous porous media based on foam-extend
针对非均质多孔介质模拟的数值挑战，提出基于 OpenFOAM 的全隐式块耦合求解器 coupledMatrixFoam，结合 Eulerian 多流体公式与 Darcy 定律，显著提升了计算效率和数值稳定性，并验证了其在高性能计算中的适用性。
2025-09-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A hybridizable discontinuous Galerkin method for two-phase flow in heterogeneous porous media
提出了一种新的模拟多孔介质中不可压缩不混溶两相流的方法。半隐式方法简化了润湿相压力和饱和度方程。采用可杂交的间断Galerkin（HDG）方法对方程进行离散。所提出的方法是高阶的，保持全局/局部质量平衡，和全球耦合的自由度的数量显着减少相比，标准的内部惩罚间断伽辽金方法。几个数值例子说明了该方法的准确性和鲁棒性。这些例子包括验证的收敛速度制造的解决方案，共同的一维基准和现实的不连续渗透率领域。
2018-02-16 cs.CE physics.comp-ph
A multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for convection heat transfer in porous media
本文建立了一个二维多重弛豫时间格子Boltzmann模型，用于模拟多孔介质中典型单元体积尺度下的对流换热。在该模型中，MRT-LB方程用于模拟流场，而另一个MRT-LB方程用于模拟温度场。通过在平衡矩中引入孔隙率，并在矩空间对流场的MRT-LB方程中加入强迫项，考虑了多孔介质的影响。通过对几个二维多孔介质对流问题的数值模拟，验证了本文提出的MRT-LB模型的有效性。数值结果与文献报道的有据可查的数据吻合良好。
2013-11-28 cond-mat.soft physics.comp-ph
Enhanced computational performance of the lattice Boltzmann model for simulating micron- and submicron-size particle flows and non-Newtonian fluid flows
格子玻尔兹曼（LB）模型，在FORTRAN 90编码的计算性能的显着改善，通过应用增强技术实现。应用的技术包括阵列存储器布局的优化、数据结构简化、模拟线程外的随机数生成、通过OpenMP的代码并行化以及时间步内和时间步间任务流水线。这些优化技术的有效性进行了测量上的三个基准问题：（i）瞬态流动的多个粒子在牛顿流体中的非均质裂缝多孔域，（ii）在亚微米尺度的流体的热波动和所产生的布朗运动的颗粒，和（iii）非牛顿流体流动的光滑壁通道。上述优化技术的应用导致平均21的性能改进，这可以显着提高LB模型在不同应用中的实际用途，重点关注非牛顿流体中纳米尺寸或微米尺寸颗粒的命运和运输。
2020-06-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media: A review
自30年前引入以来，格子玻尔兹曼（LB）方法在模拟流体流动和模拟流体物理方面取得了巨大成功。由于其动力学性质，LB方法有能力将基本的微观或介观物理，它是特别成功的模拟传输现象，涉及复杂的边界和界面动力学。LB方法可以被认为是一种有效的数值工具，在多孔介质中的流动和传热。此外，由于LB方法固有的瞬态，它是特别有用的调查瞬态固-液相变过程中的界面行为是非常重要的。本文综述了多孔介质中单相和固液相变传热的LB方法在孔尺度和代表性单元体积（REV）尺度上的研究进展。本文首先介绍了LB方法的基本原理和应用。然后介绍了多孔介质中流动和单相传热的REV尺度LB方法和固液相变传热的LB方法。介绍了LB方法在多孔介质单相和固液相变传热中的应用。此外，还介绍了LB法在预测多孔材料有效导热系数方面的应用。最后，讨论了LB方法在相关领域的进一步发展。
2018-01-09 physics.comp-ph
Uncertainty quantification of reacting fluids interacting with porous media using a hybrid physics-based and data-driven approach
Oregon State University（俄勒冈州立大学）
针对反应流体与多孔介质耦合模拟的高计算成本问题，本研究结合物理驱动建模与数据驱动降阶模型，通过算子推理法实现不确定性量化，且模型在多场景下表现良好。
2026-09-21 physics.comp-ph
Simulating fluid-fluid displacement in a soft capillary tube: How compliance delays interfacial instability and bubble pinch-off
Purdue University（普渡大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出了一种计算模型，研究软毛细管中流体置换过程中柔顺性对界面不稳定性及气泡破裂的抑制作用。
2025-05-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A modified lattice Bhatnagar-Gross-Krook model for convection heat transfer in porous media
格子Bhatnagar-Gross-Krook（LBGK）模型是模拟多孔介质对流换热的格子玻尔兹曼方法中最常用的模型。然而，LBGK模型通常在低流体粘度和有效热扩散率下遭受数值不稳定性。本文提出了一种改进的LBGK模型，该模型在代表性的基本体积尺度下描述了多孔介质中的不可压缩热流动，在平衡分布函数中加入了剪切速率和温度梯度。通过两个附加参数，可以将碰撞过程中的弛豫时间固定在一个与粘度和有效热扩散率无关的适当值。此外，通过构造修正的平衡分布函数和温度场演化方程中的源项，本模型可以通过Chapman-Enskog分析正确地恢复宏观方程，这是本模型不同于以往LBGK模型的另一个关键点。对几个基准问题进行了数值模拟，验证了本文提出的剪切速率和温度梯度的局部计算方法的有效性，数值结果与解析解和已有的文献数据吻合较好。它也表明，本模型和计算方案的梯度算子具有二阶精度的空间，和更好的数值稳定性，本修改的LBGK模型比以前的LBGK模型被证明。
2015-05-12 physics.comp-ph
Numerical Simulation of Multi-phase Flow in Porous Media on Parallel Computers
针对大规模黑油模拟问题，开发了一种并行油藏模拟器。它处理水、油、气三相和水、油、气三组分。该模拟器可以计算传统的储层模型和天然裂缝模型。支持各种井作业，如水驱、气驱和聚合物驱。操作约束可以是固定的井底压力、固定的流体速率以及它们的组合。该模拟器基于我们的内部平台，该平台提供网格，以单元为中心的数据，线性求解器，预处理器和良好的建模。模拟器和平台使用MPI进行计算节点之间的通信。我们的模拟器能够模拟具有数亿个网格单元的大型油藏模型。数值模拟结果表明，该模拟器与商业模拟器相匹配，具有良好的可扩展性。
2016-10-07 cs.CE cs.DC physics.comp-ph
A multiscale porous--resolved methodology for efficient simulation of heat and fluid transport in complex geometries, with application to electric power transformers
流体在复杂几何结构中的流动与传热的数值模拟对于许多应用（例如充油电力Transformers）具有强烈的兴趣。这里的一个基本挑战是，高分辨率是必要的，以解决流体流动现象，但这使得模拟的完整的几何形状非常昂贵的计算能力。在这项工作中，我们开发了一种模拟方法，结合多孔介质的方法来模拟某些区域的域，再加上完全解决的模拟在这些地区被认为是最有趣的详细研究。由于在用多孔方法建模的区域中不能解析诸如热边界层的流动特征，因此这些部分中的分辨率可以是数量级更粗糙的。这种多尺度的方法验证对使用完全解决的模拟在整个域中，以及对扩展Graetz问题的解析解。然后，我们将该方法应用于大型电功率Transformers中的油流和传热的研究，并证明了一个完全解决的方法相比，计算成本显着降低。
2020-09-03 physics.app-ph physics.comp-ph
Lattice Boltzmann methods for simulating non-Newtonian fluids: A comprehensive review
Queensland University of Technology（昆士兰科技大学）；University of Manchester（曼彻斯特大学）
本文综述了用于模拟非牛顿流体的格子Boltzmann方法，涵盖剪切依赖粘度、粘塑性和粘弹性等特性，并讨论了其应用与未来发展方向。
2026-01-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Homogenized lattice Boltzmann methods for fluid flow through porous media -- part I: kinetic model derivation
本文提出均匀化格子玻尔兹曼方法（HLBM）的第一部分，通过统一多孔介质非定常Navier--Stokes方程的均匀化形式，并推导均匀化Bhatnagar--Gross--Krook Boltzmann方程作为动力学模型，为后续构造极限一致的HLBM离散格式奠定基础。
2023-12-04 cs.NA math-ph math.MP
Escape-from-a-layer approach for simulating the boundary local time in Euclidean domains
提出一种结合球面行走算法与边界层逃逸近似解的数值方法，用等效逃逸事件替代耗时模拟，高效计算反射布朗运动的边界局部时间，为多尺度受限环境及相关偏微分方程求解提供工具。
2025-01-15 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Learning Generic Solutions for Multiphase Transport in Porous Media via the Flux Functions Operator
Khalifa University of Science and Technology（哈利法科技大学）；UAE University（阿联酋大学）；College of Petroleum Engineering and Geosciences, KFUPM（法赫德国王石油与矿业大学石油工程与地球科学学院）
本文提出物理信息 DeepONet 模型，学习 Buckley-Leverett 方程通量函数到饱和度解的映射，无需成对训练数据即可对任意通量函数准确预测，并实现高达四个数量级的加速。
2023-07-03 cs.LG physics.comp-ph
A highly scalable numerical framework for reservoir simulation on UG4 platform
本文在UG4平台上提出全耦合全隐式多相流模拟框架，引入LIMEX方法并实现高效并行，可扩展至数千处理器和数十亿自由度。
2025-06-05 cs.DC physics.comp-ph
Generalized network modeling of capillary-dominated two-phase flow
本文提出了一种广义网络模型，用于模拟孔隙尺度下毛细作用占主导地位的两相渗流。孔隙空间的三维图像使用广义网络离散化-在配套论文（https：//doi.org/10.1103/PhysRevE.96.013312）中描述-该网络包括被分成称为半喉的较小元素和随后分成角的孔隙。半喉道定义了粗粒级网络的连通性，将每个孔隙从其较窄的端部连接到其相邻孔隙的半喉道，而拐角定义了孔隙裂缝的连通性。在不同的级别上对角进行离散化，以准确计算使用底层图像上的流动直接模拟获得的入口压力、流体体积和流动传导率。本文讨论了两相流模型，用于计算广义网络的平均流动特性，包括相对渗透率和毛管压力。我们使用合成几何形状的直接有限体积两相流模拟来验证该模型，然后将该模型预测与文献中的传统孔网络模型和相对渗透率的实验测量进行比较。
2017-08-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modeling and Simulation of Coupled Biochemical and Two-Phase Compositional Flow in Underground Hydrogen Storage
本文在MRST中构建了耦合生物地球化学反应与组分流的地下储氢模型，采用双重Monod动力学和Søreide-Whitson状态方程，通过1D/2D/3D模拟揭示了微生物活动对氢气损失、纯度及储存性能的显著影响。
2025-06-03 math-ph math.MP physics.comp-ph
