Permeability prediction of organic shale with generalized lattice Boltzmann model considering surface diffusion effect
页岩中的气体流动与有机物质（OM）和无机物质（IOM）两者相关联，所述有机物质和无机物质包含尺寸范围从几纳米到几百纳米的纳米孔。除了非连续效应导致气体的表观渗透率高于本征渗透率外，吸附气体在有机孔隙中的表面扩散也可以通过其自身的输运机制影响表观渗透率。在这项研究中，一个广义格子玻尔兹曼模型（GLBM）的气体流动通过重建的页岩矩阵组成的OM和IOM。采用期望最大化（EM）算法分配各组分的孔径分布，采用含尘气体模型（DGM）和广义Maxwell-Stefan模型（GMS）计算考虑粘性流、Knudsen扩散和表面扩散等多种输运机制的表观渗透率。研究了孔隙半径和压力对IOM和OM渗透率的影响以及Langmuir参数对OM的影响。此外，还研究了总有机质含量和分布对重构泥质基质视渗透率的影响。结果表明，有机质和无机盐的分布对表观渗透率的影响很小，而有机质总量和表面扩散对页岩基质中气体运移起着重要作用。
2016-01-04 physics.flu-dyn
Pore-scale lattice Boltzmann simulation of laminar and turbulent flow through a sphere pack
格子Boltzmann方法可以用全几何分辨率来模拟多孔介质中的流动。通过这种直接的数值模拟，可以研究通过开发宏观数学模型或实验难以评估的基本效果。我们首先评估的格子玻尔兹曼方法与各种边界处理的固体壁和各种碰撞算子，以评估其适用性的大规模直接数值模拟多孔介质流动。采用周期性压降边界条件模拟了压力驱动下的周期性区域内的简单球包流动。该方法的评估是在达西制度和结果相比，半解析解。考虑到计算成本和精度，我们选择了最有效的固体边界条件和碰撞算子的组合。我们应用这种方法进行模拟的雷诺数从斯托克斯流超过七个数量级的湍流。流场的等值线和流线显示在不同的流动状态的流动行为。此外，未知参数的Forchheimer，Barree-康威和摩擦系数模型进行了数值评估所考虑的流态。
2015-08-12 cs.CE physics.flu-dyn
Understanding Electrolyte Filling of Lithium-Ion Battery Electrodes on the Pore Scale Using the Lattice Boltzmann Method
电解液填充是电池制造过程中的一个时间关键步骤，也会影响电池性能。充填过程中的物理现象主要发生在孔隙尺度上，难以通过实验进行研究。在本文中，一个计算方法，即采用格子玻尔兹曼方法研究了三维锂离子电池阴极中的填充过程和相应的孔尺度现象。使用均匀化方法模拟通过纳米多孔粘合剂的电解质流动。除了处理时间，结构和物理化学性质的影响进行了研究。这些是颗粒尺寸、粘结剂分布、活性材料和粘结剂的体积分数和润湿行为。利用毛管压力-饱和度关系讨论了最佳充注条件。它示出了上述影响因素如何影响电解质饱和。此外，还详细分析了残留气相的截留量和相应的气团尺寸分布。这两个因素都显示出对可能对电池性能产生不利影响的机制具有强烈影响。这里获得的结果表明如何通过调整工艺参数以及电极和电解质设计来优化填充过程、最终电解质饱和度以及潜在的电池性能。
2022-03-10 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.flu-dyn
Fluids flow in granular aggregate packings reconstructed by high-energy X-ray computed tomography and lattice Boltzmann method
本研究利用高能X射线计算机断层扫描和格子玻尔兹曼方法，重构并模拟了不同粒径颗粒聚集体堆积中的流体流动，揭示了孔隙率、壁面效应及孔隙网络参数对渗透率和质量流量的影响。
2024-06-02 physics.flu-dyn
Pore Network and Medial Axis simultaneous extraction through Maximal Ball Algorithm
基于X射线显微CT的网络提取算法已成为获取多孔介质孔隙连通性和孔隙形态信息的常规方法。这种提取的主要方法是基于最大球算法或中轴提取。第一种是将孔隙空间分离为孔喉的稳健方法，其直接提供孔喉尺寸分布。第二种方法通过将体积细化为一个体素宽的中心线来简化介质，从而保留体积的拓扑信息。由于每种方法都有截然不同的实现方式，因此通常不会同时使用这两种方法来表征多孔结构。本文提出了一种在MaxBall算法基础上增加几个步骤来提取多孔材料简化中心线的方法。砂岩和碳酸盐岩样品的结果表明，该中轴网络可以用于单相流动模拟，以及保存介质的形态。
2019-12-10 physics.app-ph physics.comp-ph physics.data-an
Evaluation of pressure boundary conditions for permeability calculations using the lattice-Boltzmann method
格子玻尔兹曼（LB）模拟是一种常用的工具来数值估计多孔介质的渗透率。对于有价值的结果，多孔结构必须得到很好的解决，导致大量的计算工作量以及高内存需求。为了估计实际样品的渗透率，重要的是不仅要实现非常有效的代码，而且要选择最合适的模拟设置以获得准确的结果。重点放在精度和计算工作量，我们提出了不同的方法之间的比较，适用于有效的压力梯度，有效的边界条件，以及两个LB实现的基础上孔隙矩阵和孔隙列表数据结构。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nanoscale simulation of shale transport properties using the lattice Boltzmann method: permeability and diffusivity
基于四川盆地泥页岩样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，重建了泥页岩的孔隙结构。对纳米级改造页岩进行了表征分析，包括孔隙度、孔径分布、比表面积和孔隙连通性。采用多重弛豫时间（MRT）格子玻尔兹曼方法（LBM）流体流动模型和单弛豫时间（SRT）LBM扩散模型分别模拟了重构页岩中流体流动和努森扩散过程。弯曲度，固有渗透率和有效努森扩散系数的数值预测。该方程的弯曲度比Bruggeman方程中常用的弯曲度大得多。考虑到努森扩散的贡献，导致表观磁导率的固有磁导率的校正，进行。估算了不同努森数和压力下的修正系数，并与文献中已有的修正系数进行了比较。对于所研究的宽压力范围，校正因子总是大于1，表明努森扩散总是在页岩气的传输机制中起作用，在本研究中研究的页岩。修正系数的值大多位于过渡区，没有观察到达西流区。
2014-10-08 physics.flu-dyn
Upscaled Lattice Boltzmann Method for Simulations of Flows in Heterogeneous Porous Media
本文提出了一种适用于非均质多孔介质渗流数值模拟的尺度放大格子玻尔兹曼方法（LBM）。在微观尺度模拟中，我们使用LBM与修改后的郭等人的算法，我们取代了一个简单的山-陈力模型的力模型的流动模型。所提出的放大LBM使用粗网格来表示细网格（孔隙尺度）模拟的效果。对于升级的LBM，有效的属性和降阶模型，我们提出了粗网格。使用局部问题（例如，通过执行局部LBM模拟）服从某些边界条件。实现了一种升级的LBM，它可以降低现有LBM的计算复杂度，并在不同尺度之间传递信息。粗网格，降阶，模拟的结果与平均结果使用细网格。
2013-12-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Pore-scale simulation of multicomponent multiphase reactive transport with dissolution and precipitation
多组分多相反应输运过程是能源与环境系统中广泛存在的一种过程。针对这类复杂的输运过程，建立了基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的孔隙尺度两相多相混合模型，将每一相都看作是可互溶组分的混合物，采用多组分多相赝势LB模型模拟大密度比的液-气流体流动，采用质量输运LB模型求解溶质在相应溶剂中的输运，并对不同溶质浓度下的输运过程进行了数值模拟。并通过界面跟踪方案捕捉溶解-沉淀过程中液-固界面的动态演化。该模型可以预测耦合的多物理化学过程，包括多相流，多组分传质，均相反应在散装流体和非均相溶解-沉淀反应在流体-固体界面，并在孔隙尺度上的固体基质几何形状的动态演化。然后将该模型应用于页岩气/石油工业中遇到的物理化学系统，涉及多相流，多组分反应传输和溶解-沉淀，在给定温度下，其速率可以是几个数量级不同的几个反应。详细研究和讨论了孔隙尺度现象和不同子过程之间的复杂相互作用。
2014-10-14 physics.flu-dyn
Pore scale mixing and macroscopic solute dispersion regimes in polymer flows inside 2D model networks
溶质分散制度与流速的变化进行了研究，在宏观和孔隙尺度上的透明阵列的毛细管通道使用光学技术，允许同时进行本地和全球的浓度映射。两种不同聚合物浓度（500和1000 ppm）的溶液已被用于不同的Péclet数。在宏观尺度上，位移前沿显示扩散扩散：对于$Pe \leq 10$，分散度$l\_d$与$Pe$恒定，并随聚合物浓度增加;对于$Pe > 10$，$l\_d$随$Pe^{1.35}$增加，并且对于两种浓度是相似的。在局部尺度上，平行和垂直于平均流的通道的饱和度之间的时间滞后已被观察到，并作为流量的函数进行了研究。这些局部测量结果表明，色散制度的变化与结处混合度的变化有关。对于$Pe \leq 10$，完全混合导致纯几何色散增强剪切稀化流体;对于$Pe >10$，较弱的混合导致沿平行于平均流的流路的更高的相关长度，以及几何和泰勒色散的组合。
2006-11-04 physics.class-ph physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann simulations on the role of channel structure for reactive capillary infiltration
多孔介质的结构与各种力学和物理现象密切相关，这一点已被广泛认识。目前工作的重点是毛细作用，发生在微米级的孔隙尺度的过程。我们试图通过晶格玻尔兹曼模拟在2D与反应边界导致表面生长，并最终孔隙关闭毛细渗透的孔形状的影响进行表征。所调查的系统包括单通道与不同的简化形态：即，周期性的配置文件与正弦曲线，阶梯形和锯齿形的墙壁，以及收缩和扩张与矩形，凸和凹的步骤。这是一个有用的方式来分解的复杂性，典型的多孔介质的基本结构。模拟结果表明，最小半径本身无法正确表征的渗透动力学。通道的结构成为控制该过程的主要属性。导致这种行为的一个因素被确定为接触线的钉扎的发生。事实证明，孔结构的最佳配置来自于具有圆形形状的大颗粒的堆积。在这种情况下，具有宽且直的流动路径的概率更高。应避免出现锐边的刻面表面，因为在窄到宽的部件附近会出现钉扎现象。这项研究的动机是熔融金属渗透到碳预制件。这是一种为高级应用设计的陶瓷部件的制造技术。实验工作的指导方针进行了讨论。
2015-05-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Influence of fluid rheology on multistability in the unstable flow of polymer solutions through pore constriction arrays
本文通过实验研究流体流变学对孔隙收缩阵列中弹性流动不稳定多稳态的影响，提出用流向德博拉数这一单一无量纲参数描述多稳态起始，为聚合物流体设计提供指导。
2024-06-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.CD
Detailed analysis of the lattice Boltzmann method on unstructured grids
格子玻尔兹曼方法已成为有效解决流体动力学问题的标准。虽然非结构化网格允许复杂边界的更有效的几何表示，但格子玻尔兹曼方法通常使用规则网格来实现。本文分析了格子玻尔兹曼方法在非结构网格上的两种实现方式：标准前向欧拉方法和算子分裂方法。我们通过Chapman-Enskog展开导出了宏观变量的演化，并证明了它产生的纳维-斯托克斯方程在时间离散上是一阶精度，在空间离散上是二阶精度.推导了欧拉法和算子分裂法的动力粘度与积分时间步长之间的关系。最后，我们提出了一个改进的版本的反弹边界条件。我们测试我们的实现在两个标准的基准几何形状和多孔岩石的真实样品的孔隙网络。
2014-09-09 physics.flu-dyn
Pore-Scale Transport and Two-Phase Fluid Structures in Fibrous Porous Layers: Application to Fuel Cells and Beyond
我们提出了孔隙尺度模拟的两相流在一个重建的纤维多孔层。通过X射线计算机断层成像获得材料的三维微观结构，即燃料电池气体扩散层，并将其用作晶格玻尔兹曼模拟的输入。我们进行了定量分析的多相孔隙尺度动力学，我们确定的主导流体结构管理质量传输。结果表明，存在三种不同的运输制度：- 在短时间内的快速惯性动力学，其特征在于紧凑的均匀前缘;在中间时间的粘性-毛细管状态，其中液体沿着数量逐渐增加的1 - 2孔尺寸的优先流动路径输送;以及在较长时间的第三状态，其中液体，在到达出口之后，仅仅沿着这样的流动路径流动，并且两相流体结构被稳定。我们观察到，纤维层呈现出显着的变化，在其微观形态，这有一个重要的影响孔隙侵入动力学，并抵消稳定的粘性力。液体传输确实受到微结构诱导的毛细管压力的存在的影响，对流动产生不利影响，导致毛细管指状传输机制和不稳定的前位移，即使在没有疏水处理的多孔材料。我们提出了一个宏观模型的基础上有效的接触角，模仿这样的动态毛细管压力的影响。最后，我们强调研究结果对优化口罩设计以缓解当前COVID-19疫情的重要性。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Electrical Conductivity of Nanoscale Hydrophobic Porous Media: Surface Charge Density and Heterogeneous Pore Structure
导电性是疏水多孔介质（HPM）的固有性质，并且具有关键应用。本研究旨在为预测具有非均匀孔结构的纳米HPM的电导率提供一种解决方案。比较了分子动力学（MD）模拟与改进的Poisson-Boltzmann（MPB）模型对纳米孔中离子电荷密度分布的理解。有效介质近似（EMA）参与计算纳米HPM的有效电导和电导率。结果表明，表面电荷密度影响疏水纳米孔中的离子密度分布。随着孔径的增加，电导增加。随着电解质水溶液（AES）的摩尔浓度降低，电导降低。当AES的摩尔浓度很低时，会出现电导饱和现象。HPM的有效电导随着配位数的增加而增加。最后，基于计算出的有效电导和非均匀孔结构参数，计算了纳米级HPM的电导率。
2021-05-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pore-scale investigation on natural convection melting in a square cavity with gradient porous media
School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
该研究通过孔隙尺度格子玻尔兹曼方法模拟梯度多孔介质中PCM熔化，发现梯度结构增强自然对流、缩短熔化时间，且瑞利数临界值决定正负梯度的优劣，小颗粒直径利于传热。
2021-05-01 physics.flu-dyn
A pore-scale model for electrokinetic in situ recovery of copper: the Influence of mineral occurrence, zeta potential, and electric potential
动电原地回收是传统采矿的一种替代方法，依靠施加电势来增强地下离子流。了解电势下的孔隙尺度流动和离子迁移对于岩石物理性质估计和流动行为表征至关重要。电迁移和电渗流是动电迁移和电渗流的主要物理机制，它们取决于电势梯度、矿物产状、畴形态和电解质性质。在此，矿物的存在和其相关的zeta电位的EK运输进行了研究。控制模型包括三个耦合方程：（1）Poisson方程，（2）Nernst-Planck方程，（3）纳维-斯托克斯方程.在X射线计算机显微断层摄影图像中使用格子玻尔兹曼方法求解这些方程。在二维微通道中，当双电层是可分辨的和不可分辨的时，该模型对COMSOL Multiphysics的流体流动行为进行了验证。然后通过显微CT扫描获得更复杂的黄铜矿-二氧化硅系统以评估模型性能。矿物产状，zeta电位，和电势的三维黄铜矿-二氧化硅系统的影响进行了评估。虽然黄铜矿的正zeta电位可以诱导铁离子沿电迁移方向的反向流动，但净效应取决于黄铜矿的存在。然而，由电迁移引起的离子通量是主要的传输机制，而由电渗引起的平流作出较低的贡献。总体而言，孔隙尺度的EK模型，提出了直接模拟孔隙尺度的图像。该模型可以与其他地球化学模型耦合，进行完整的物理化学输运模拟。
2023-03-30 physics.flu-dyn
Capillary Pressure-Saturation relation derived from the Pore Morphology Method
本研究提出一种扩展的孔隙形态法，纳入润湿角、流体圈闭机制并结合密度泛函理论，可高效计算二维孔隙的毛细管压力-饱和度关系，经实验验证后探究了多因素对入口压力和残余饱和度的影响。
2025-01-13 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nanoscale study of reactive transport in catalyst layer of proton exchange membrane fuel cells with precious and non-precious catalysts using lattice Boltzmann method
采用四重结构生成集重构方法，对质子交换膜燃料电池中多组分催化剂层（CL）的高分辨率多孔结构进行了重构。实现了纳米结构的表征分析，包括孔径分布、比表面积和相连通性。发展了基于格子玻尔兹曼方法的孔隙尺度模拟方法，并用于预测宏观输运性质，包括有效扩散率和质子电导率。离聚物在CL中的不均匀分布使反应物的传输路径更加曲折，大大降低了有效扩散系数。CL的弯曲度远高于传统的Bruggeman方程。努森扩散在氧扩散中起重要作用，并显著降低有效扩散率。CL内的反应性运输也进行了研究。虽然非贵金属催化剂（NPMC）CL的反应表面积远高于Pt CL的反应表面积，但与Pt CL相比，NPMC CL中的氧反应速率相当低，这是由于NPMC CL中的氧反应速率低得多。NPMC CL中的微孔（几纳米）虽然可以增加反应位点，但对增强传质贡献不大。需要中孔（几十纳米）或大孔来增加传质速率。
2014-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.flu-dyn
Droplet impact of Newtonian fluids and blood on simple fabrics: effect of fabric pore size and underlying substrate
当液滴以足够高的冲击速度冲击织物网时，它不仅在织物上扩散，而且还穿透其孔隙。为了确定织物的这种液体渗透对薄织物网格上的液滴铺展的影响，我们使用高速相机测量了具有和不具有底层基底的织物上的液滴铺展比。对于没有基底的织物，液滴铺展率降低，因为液体的织物渗透减少了铺展在织物顶部上的液滴体积。使用熵晶格玻尔兹曼模拟，我们发现，较低的液滴在织物上的蔓延比，无论是有没有基板，是由于增加的粘性损失内的液滴在蔓延。比较血液与其牛顿对应的液滴的影响，我们表明，在织物上的传播，就像在光滑的表面上，血液可以近似为牛顿流体。
2020-01-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann modeling of two-phase flow in macroporous media with application to porous asphalt
多孔沥青（PA）是一种开级配多孔材料，孔隙率为20%，可快速排水，改善驾驶和声学条件。然而，高孔隙率导致与水的显著接触，从而导致较短的预期寿命。为了提高PA的耐久性和性能，必须了解水的分布及其停留时间，这需要捕获各种多相现象。出于这些原因，进行了数值研究，详细分析在PA中发挥作用的流体传输机制，对估计PA的纳米至毫米级的孔结构内的液体分布。在这项研究中，LBM用于复杂多孔区域中的多相流的详细分析。本文发展了一种多相单组分LBM方法，并采用并行计算的方法，对多孔介质中和表面上的不同相分离现象进行了数值模拟。LBM用拉普拉斯定律和动态毛细管侵入测试进行验证，然后用解析解、不同的接触角、管形状和尺寸验证毛细管吸收模拟。本文研究了方管和三角管中的孔弯月面和角部弧弯月面。为了解决雨滴在PA表面上的行为，径流，润湿，钉扎和蒸发的单滴考虑的接触角的变化，表面润湿不均匀性和结构的影响。最后，重力驱动排水在PA研究与LBM根据时间演变的水分分布与实验数据进行比较，显示出良好的协议。这项研究可以更好地了解发生在复杂的多孔介质，即PA，在孔隙尺度上在饱和和不饱和状态下的各种多相流现象，提供信息，提高PA的耐久性和性能。
2018-04-06 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Surface growth effects on reactive capillary-driven flow: Lattice Boltzmann investigation
沃什伯恩定律对陶瓷一直起着至关重要的作用。在微观尺度上，表面力取代体积力，窄间隙中的自发渗透现象变得特别相关。应用格子玻尔兹曼方法，以确定的作用，表面反应和随后的变形的一个单一的毛细管在2D的线性Washburn行为。提出的调查的动机熔融硅到碳预制件的反应渗透的问题。这是一种复杂的现象，由流体流动、润湿过渡、表面生长和传热之间的相互作用引起。此外，其特征在于在窄间隙中的缓慢渗透速度，导致难以用单个毛细管再现的小雷诺数。在我们的模拟中，考虑了毛细管的几个几何特征，以及不同的渗透和反应条件。我们的工作的主要结果是，孔隙闭合的现象可以被视为独立的渗透速度，反过来，一些其他参数。从我们的模拟中得出的仪器结论是，具有宽开口的短孔和喉部附近的圆形形态代表多孔预成型件的底层结构的最佳配置，以实现更快的渗透。的近似的作用进行了详细讨论，我们的研究结果的鲁棒性进行评估。
2014-11-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Multiphase lattice Boltzmann simulations for porous media applications -- a review
在过去的二十年里，格子玻尔兹曼方法已经成为一种越来越流行的工具来计算复杂几何形状如多孔介质中的流动。除了单相模拟允许，例如，多孔样品的渗透率的精确量化，格子玻尔兹曼方法的一些扩展是可用的，其允许在孔隙尺度水平上研究多相和多组分流动。在这篇文章中，我们给出了一个广泛的概述，这些扩散界面模型，并讨论其优点和缺点。此外，我们很快报告包含固体颗粒的多相流，以及实施细节和优化问题。
2016-02-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Linking continuum-scale state of wetting to pore-scale contact angles in porous media
润湿现象在多孔介质流动中起着关键作用。相对渗透率和毛细压力-饱和度函数对润湿性表现出高度敏感性，其在连续体和孔隙尺度上有不同的定义。在连续尺度上，润湿状态被定义为Amott-Harvey或USBM（美国矿业局）通过毛细管压力排水和吸胀循环。在孔隙尺度上，使用接触角的概念，直到最近才通过实验在不透明多孔介质内确定。因此，通过X射线计算机显微断层扫描测量孔尺度接触角的最新进展引起了各种研究团体的极大关注。在这项工作中，高斯-博内定理被应用到提供一个直接的联系毛细管压力饱和$P_c(S_w)$数据和测量的孔隙尺度接触角分布。我们建议，多孔介质的润湿状态可以描述的几何参数，约束不混溶流体的形态状态。该约束描述了给定系统可能存在的可能的接触角和界面曲率的范围。我们目前在测试砂岩的USBM指数，$P_c(S_w)$，和孔隙尺度接触角测量。还使用两相格子玻尔兹曼模拟进行了其他研究，以测试更广泛的润湿条件。我们发现，平均孔隙尺度接触角测量可以预测岩石物理数据在几个差异。这提供了一个一般的框架，如何连续尺度的数据可以用来描述多孔介质内的流体的几何状态。
2019-10-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modeling and scaling spontaneous imbibition with generalized fractional flow theory and non-Boltzmann transformation
本研究提出基于Hausdorff分形导数的广义分流量理论与非玻尔兹曼标度，用于建模自发渗吸，通过分形指数alpha调整幂律关系，在多种多孔介质数据上验证了其优于传统方法，可更准确预测渗吸速率。
2024-11-12 physics.flu-dyn
Numerical Modeling of Ion Transport and Adsorption in Porous Media: A Two-scale Study for Capacitive Deionization Desalination
提出了一个双尺度模型，模拟了电容去离子（CDI）多孔电极中离子的动态输运和吸附过程。在孔隙尺度上，使用格子玻尔兹曼方法求解控制多孔CDI电极中的水流的Stokes方程，并且使用有限体积方法求解描述离子传输的Nernst-Planck方程。离子吸附过程被认为是在碳电极的表面。在连续介质尺度下，利用OpenFOAM求解了控制水流和溶质运移的达西方程和对流扩散方程。经过验证后，对分析解决方案和以前发表的结果，该模型被用来研究耦合水流，离子传输和吸附在孔隙和连续尺度。在孔隙尺度模型中，定量研究了电极微观结构、电位和流速对吸附过程的影响，并确定了各参数的相对重要性。此外，平均吸附速率来自孔隙尺度模拟中使用的连续模型来模拟水脱盐在流通CDI电池。在脱盐过程中的盐浓度的演变已被量化。结果表明，电极的吸附能力直接影响到整个离子的吸附。结果还表明，两个电极之间的较窄间隔物允许更快的离子吸附。该模型为定量分析离子在多孔电极中的迁移和吸附提供了一种数值工具。这有助于提高对多孔电极电容去离子吸附过程的基本认识。
2022-01-12 physics.flu-dyn
Pore-scale study of dissolution-induced changes in hydrologic properties of rocks with binary minerals
采用基于格子玻尔兹曼方法的孔隙尺度反应输运过程数值模型，研究了溶解作用引起的裂隙介质和多孔介质水文性质的变化。两种介质的固相均由两种矿物组成，采用四重结构生成集的结构重构方法生成两种矿物的分布。重点研究了不同Peclet数和Damkohler数下未溶矿物对渗透率和孔隙度变化的影响。模拟结果表明，未溶矿物形成的多孔层保留在溶解反应前沿之后。由于这些多孔层中的大的流动阻力，尽管孔隙率增加了大量，但渗透率增加非常缓慢或甚至保持在小的值。此外，由于溶解的非均匀性，化学、机械和水力孔隙彼此之间存在很大差异。此外，在复杂的多孔结构中的模拟表明，非反应性矿物的多孔层的存在抑制了在单矿物岩石溶解中观察到的虫洞现象。
2014-10-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
PoreML: A Data-Driven Framework for Learning Multiphase Flow in Porous Media
Imperial College London（帝国理工学院）；Stanford University（斯坦福大学）；EarthFlow AI, Inc.（EarthFlow AI公司）；Queen Mary University of London（伦敦玛丽女王大学）
PoreML是一个开源框架，统一了多孔介质多相流的数据生成、模型训练与评估，提供3.3TB数据集和GPU求解器，以推动可靠的机器学习预测模型发展。
2026-10-08 cs.LG physics.flu-dyn
A comprehensive Darcy-type law for viscoplastic fluids: II. Rheology & topology
James Weir Fluid Laboratory, Department of Mechanical & Aerospace Engineering, University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学机械与航空航天工程系詹姆斯·威尔流体实验室）
扩展框架推导粘塑性流体渗流达西型定律，考虑更现实流变模型与多孔介质拓扑，改进原工作，给出统一理论基础以预测复杂多孔介质中屈服应力流体输运。
2026-09-18 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann methods for simulating non-Newtonian fluids: A comprehensive review
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
Prediction of three-phase relative permeabilities of Berea sandstone using lattice Boltzmann method
对临界界面张力条件下的伯里亚砂岩孔隙网络中的三相渗流进行了数值研究。结果表明，每种流体的相对渗透率随其饱和度的增大而增大。润湿性流体与非润湿性流体的比界面长度随中间润湿性流体饱和度的增加而单调减小，而其它两种比界面长度则呈现非单调变化。随着润湿（非润湿）流体润湿性变差（非润湿），润湿流体的相对渗透率单调增加，而其它两种相对渗透率呈现非单调趋势。由于扩展层的存在，润湿和非润湿流体之间的比界面长度总是稳定在一个低水平。随着润湿（非润湿）流体与中间润湿流体的粘度比增加，润湿（非润湿）流体的相对渗透率增加。随着粘度比偏离1，相界面变得越来越不稳定，导致比界面长度增加。
2021-03-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Surface growth for molten silicon infiltration into carbon millimeter-sized channels: Lattice-Boltzmann simulations, experiments and models
研究了在致密碳预制件中钻出半径为$0.25$ ~ $0.75$ [mm]的通道的液态硅渗透过程。这种设置的优点是简化了对现象结果的研究。为了比较的目的，尝试，以制定出一个框架来评估模拟的准确性。该方法依赖于涉及表面反应性质的无量纲数。结果表明，由牛顿第二定律导出的复杂流体动力学行为可以与格子玻尔兹曼模拟一致。实验结果表明，碳化硅的生长分为两个不同的阶段，并强调了其基本机制。格子玻尔兹曼模拟被证明是一个有效的工具，用于描述的生长阶段。也就是说，可以实施必要的实验约束。其结果是，现有的模型是有用的，以获得更多的洞察反应渗透到多孔介质中的渗透的第一阶段，即孔隙关闭，因为表面生长的过程。提出了一种实现达西定律中化学反应阻力的方法。
2016-05-02 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Cascaded Lattice Boltzmann Modeling and Simulations of Three-Dimensional Non-Newtonian Fluid Flows
非牛顿流体流动，特别是三维（3D）的非牛顿流体流动，出现在物理学感兴趣的许多环境中。以前的研究，使用格子玻尔兹曼方法（LBM）的这种流动到目前为止，主要局限于两个维度，并使用不太强大的碰撞模型。在本文中，我们开发了一个新的三维级联LBM的基础上，中心矩和多重弛豫时间的三维，十九速度（D3Q19）格子模拟广义牛顿（幂律）流体流动。二阶矩的弛豫时间根据局部剪切速率局部变化，并由幂律流体的非线性本构关系的一致性系数和幂律指数参数化。数值验证研究的三维级联LBM的各种基准问题，包括复杂的三维非牛顿流在立方腔在不同的雷诺数和幂律指数的大小，包括剪切变稀和剪切增稠流体，提出。此外，所提出的改进的LBM格式与基于其他碰撞模型的LBM，如SRT模型和MRT模型基于原始矩的数值稳定性进行了比较。数值结果表明，三维级联LBM的精度，二阶网格收敛性和显着改善的稳定性，用于模拟三维非牛顿幂律流体的流动。
2021-01-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
4D Synchrotron X-Ray Multi Projection Imaging (XMPI) for studying multiphase flow dynamics and flow instabilities in porous networks
KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；J.M. Voith SE & Co. KG（J.M.福伊特SE及合伙公司）；Lund University（隆德大学）；MAX IV Laboratory（MAX IV实验室）
本文提出XMPI技术用于四维研究多孔网络中的多相流动力学及流动不稳定性，通过高分辨率成像揭示孔隙尺度事件，对比模拟结果发现当前模拟方法在接触线动力学和边界条件方面的局限性。
2026-03-13 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann simulation of the surface growth effects for the infiltration of molten Si in carbon preforms
将熔融硅渗透到碳预制件中是工业中广泛采用的技术，以提高最终陶瓷产品的热性能和机械性能。对这种现象的正确理解是相当具有挑战性的，因为它源于流体流动之间的相互作用和反应，过渡到润湿，质量传输，沉淀，表面生长以及传热。因此，对此类问题的详尽建模是一项复杂的任务。考虑到表面反应和随后的表面生长，在等温制度下进行二维毛细渗透的格子玻尔兹曼模拟。准确地说，对于一个单一的毛细管在线性Washburn制度，特别注意的是延迟的渗透过程中引起的增厚的表面后面的接触线的入侵前线。有趣的是，事实证明，导致孔隙闭合的表面生长过程在一定程度上取决于渗透速度。我们的结论是，多孔矩阵与直和宽的途径代表浸渍的最佳情况。我们的分析还包括表征渗透过程的半径之间的比较（即，最小、水力、平均和有效半径）。
2013-09-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
The flow of power law fluids in elastic networks and porous media
采用基于残差的孔隙尺度网络模型方法，研究了幂律流体（包括剪切变稀和剪切变稠流体，以及牛顿流体作为特例）在弹性管网络中的流动。在推导这些公式时考虑了描述弹性可膨胀管中局部压力与局部横截面积之间的力学相互作用的两个关系。该模型可用于描述主要为粘性性质的剪切相关流动。在一些特殊和限制的情况下，可以定量或定性地验证结果的几个测试所提出的模型的行为是证明。该模型是同类模型中的第一个，它包含了一个以上的主要非线性对应的流体流变学和管道的机械性能，即非牛顿效应和管膨胀。该模型的建立、实现和性能表明，与现有模型相比，该模型具有在约束假设范围内精确、易于实现、计算量小、可靠性高和收敛平稳等优点。因此，所提出的模型可以用作现有的牛顿可膨胀模型的替代方案;此外，它扩展了现有建模方法的能力，以达到非牛顿流变学。
2014-05-24 physics.flu-dyn
A generalized lattice Boltzmann model for flow through tight porous media with Klinkenberg's effect
当气体分子的平均自由程在多孔介质的特征孔径的数量级时，发生气体滑脱。这种现象导致Klinkenberg效应，其中气体的测量渗透率（表观渗透率）高于液体的测量渗透率（固有渗透率）。本文在Guo等人（Z.L.）的模型基础上，提出了考虑Klinkenberg效应的广义格子Boltzmann模型。Guo等人，Phys.Rev.E 65，046308（2002））。二阶Beskok和Karniadakis-Civan相关（A. Beskok和G. Karniadakis，Microscale Thermophysical Engineering 3，43-47（1999），F. Civan，Transp Porous Med 82，375-384（2010））基于固有渗透率和努森数计算表观渗透率。对两平行板间填充多孔介质的流体流动进行了数值模拟，验证了模型的正确性。在具有不同孔隙度和渗透率组分的非均质多孔介质中进行的模拟表明，Klinkenberg效应对低渗透多孔介质中的流体流动起着重要作用，并且随着Knudsen数的增加而更加明显。流体在有裂缝和无裂缝的页岩基质中的流动也进行了研究，并且发现裂缝大大增强了流体的流动，并且Klinkenberg效应导致页岩基质的更高的整体渗透率。
2014-11-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Efficient, Geometry-only Prediction of Advection-dominated Particle Transport through Saturated Soils
University of Bayreuth（拜罗伊特大学）；University of Cologne（科隆大学）
提出仅需几何信息的孔隙网络模型minD-PNM，高效预测饱和土壤中对流主导的微塑料颗粒输运穿透曲线，经模拟和实验验证，可扩展至宏观尺度。
2026-10-06 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
Hydrodynamic coupling of a cilia--mucus system in Herschel--Bulkley flows
本研究基于 Herschel--Bulkley 模型和 lattice Boltzmann 方法，数值模拟了人气道中纤毛与粘液的流体动力学耦合，揭示了三种粘液流动状态及其形成机制，发现粘液粘度是主导参数，并成功重现了实验中的固体旋转现象。
2024-10-15 physics.flu-dyn physics.med-ph
Enhanced and reduced solute transport and flow strength in salt finger convection in porous media
本研究基于格子玻尔兹曼方法数值模拟多孔介质非达西流态下的盐指对流，发现孔隙率减小会先增强后减弱溶质输运，并对流动强度产生复杂影响，为工程中被动控制溶质输运提供了重要参考。
2023-04-08 physics.flu-dyn
A multi-level parallel solver for rarefied gas flows in porous media
开发了一种使用多层并行化的高性能气体动力学求解器，以实现多孔介质中稀薄流动的孔隙尺度模拟。Boltzmann模型方程用离散速度法迭代求解。多层次MPI/OpenMP并行化的目的是有效地利用计算资源，允许直接模拟稀薄气体在多孔介质中的流动的基础上，数字岩石图像的第一次。详细分析了多级并行方法，证实其性能优于通常使用的MPI处理单独的迭代方案。通过提高通信效率和CPU进程间的负载均衡，在1536核的二维仿真中并行效率达到94%，在12288核的三维仿真中并行效率达到81%.虽然在空间中的分解不影响仿真结果，这种方法的一个额外的好处是，子域的数量可以保持最小，以避免恶化的迭代过程的收敛速度。这种多层并行方法可以很容易地扩展到解决其他玻尔兹曼模型方程。
2017-12-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Cross-validation of meshless Navier-Stokes solvers in porous media flows
本文交叉验证了两种无网格CFD求解器（LBM和人工可压缩Navier-Stokes）在多孔介质流动中的性能，通过h-细化离散和RBF方法，在多种孔隙率下与文献数据高度一致，并扩展了模拟范围。
2025-09-11 physics.flu-dyn
Electro-osmotic flow through a nanopore
考虑了穿过绝缘膜的纳米孔的流体的电渗泵送。假设膜上的表面电荷的密度是均匀的，并且足够低以使泊松-玻尔兹曼方程线性化。功的互等定理给出了由施加的弱电场产生的流率，表示为对流体体积的积分。对于厚度为零的薄膜中的圆孔，解析结果可能达到求积。对于任意厚度的膜，完整的Poisson-Nernst-Planck-Stokes方程组用有限体积法数值求解。当膜厚大于孔径时，数值解与标准解析结果一致。当膜厚度较小时，流量与利用功的互等定理计算的流量一致。
2014-05-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Volume-averaged macroscopic equation for fluid flow in moving porous media
达西定律和Brinkman方程是两个主要的模型，用于蠕动流体在运动的可渗透颗粒内的流动。在这两种模型中，动量方程中忽略了流体速度的时间导数和非线性对流项。本文采用体积平均法，从孔隙尺度微观方程出发，严格推导出包含这两项的新的动量方程，该方程在蠕动流条件下可简化为达西定律和Brinkman方程。采用格子Boltzmann方程方法，求解了多孔圆柱沿通道中心线运动的宏观方程组。研究了方程组在内禀相平均速度和相平均速度下的伽利略不变性。结果表明，常用的相平均速度不能作为表观速度，而应选择本征相平均速度作为多孔颗粒体系的表观速度。
2014-04-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Physics-informed convolutional neural networks for fluid flow through porous media
Dioscuri Center in Topological Data Analysis, Institute of Mathematics, Polish Academy of Sciences（拓扑数据分析迪奥斯库里中心，波兰科学院数学研究所）；Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics and Astronomy, University of Wrocław（物理学与天文学系实验物理研究所，沃林堡大学）；Institute of Theoretical Physics, Faculty of Physics and Astronomy, University of Wrocław（天文学与物理学系理论物理研究所，沃林堡大学）；Parallel and Distributed Systems Laboratory, Jožef Stefan Institute（乔泽夫·斯蒂芬研究所并行与分布式系统实验室）
本文提出了一种基于卷积神经网络的框架，用于直接从样本几何结构预测孔隙尺度的流速场，通过结合流体不可压缩性、固体内部无流条件、周期性约束和全局迂曲度指数等物理一致性约束，提高预测精度，并在不同几何和边界条件下验证了模型的泛化能力。
2026-05-18 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
CNN-powered micro- to macro-scale flow modeling in deformable porous media
Institute of Mechanics and Computational Mechanics (IBNM), Leibniz University Hannover（莱布尼茨汉诺威大学力学与计算力学研究所（IBNM））；Institute of Applied Mechanics, University of Stuttgart（斯图加特大学应用力学研究所）；Institute of General Mechanics, RWTH Aachen University（亚琛工业大学普通力学研究所）
本研究针对可变形多孔介质渗透率传统估算效率低的问题，提出以二值化显微CT图像为输入、基于CNN预测对称二阶渗透率张量的方法，经Bentheim砂岩数据集和LBM模拟数据训练验证有效，可服务于多学科领域。
2025-01-11 cs.CV cs.LG physics.flu-dyn
A Generative Deep Learning and Explainable Machine Learning Framework for Heat Transfer Prediction and Analysis in Porous Structures with Oscillatory Flows
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Houston（休斯顿大学机械与航空航天工程系）；Department of Mechanical Engineering, Rice University（莱斯大学机械工程系）；Department of Mechanical Engineering, Embry‑Riddle Aeronautical University（埃默里-里德尔航空大学机械工程系）
针对多孔结构振荡流动热性能预测难的问题，本研究提出整合wGAN-GP、LBM与可解释机器学习的框架，XGBoost预测Nu精度达R²=0.9981，识别出关键影响因子及协同作用，给出传热优化阈值指导。
2026-09-21 physics.comp-ph physics.data-an physics.flu-dyn
Neural Networks for Predicting Permeability Tensors of 2D Porous Media: Comparison of Convolution- and Transformer-based Architectures
PoreLab, The Njord Centre, Department of Physics, University of Oslo（PoreLab、Njord中心、物理系、奥斯陆大学）；PoreLab, Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology（PoreLab、物理系、挪威科学技术大学）；The Njord Centre, Department of Physics, University of Oslo（Njord中心、物理系、奥斯陆大学）
本研究比较了卷积与变换器架构在预测二维多孔介质渗透张量中的性能，发现ConvNeXt-Small模型在准确率上表现最佳。
2025-12-01 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
