Mathematical Modeling, Laboratory Experiments, and Sensitivity Analysis of Bioplug Technology at Darcy Scale
本文研究了多孔介质中生物膜形成的达西尺度数学模型。岩心中的孔隙分为三相:水、油和生物膜。水和油的流动是由一个扩展版本的达西定律和基板的传输扩散和对流在水相模拟。最初在孔壁上有生物膜。生物膜消耗基质用于生产生物质并改变孔隙空间,从而改变岩石渗透性。该模型包括由于水通量和细菌死亡的生物量的分离,并在MRST中实现。我们讨论了数值模拟器捕捉实验室实验结果的能力。我们进行了一种新的灵敏度分析的基础上稀疏网格插值和多小波展开,以确定关键的模型参数。采用不同的注入策略进行了数值实验,研究了不同孔隙度-渗透率关系对含水和含油饱和岩心的影响。
2019-12-18 physics.app-ph physics.flu-dyn
Capillarity-Driven Oil Flow in Nanopores: Darcy Scale Analysis of Lucas-Washburn Imbibition Dynamics
我们目前的重力和光学成像实验的毛细管驱动的硅油在单片二氧化硅玻璃中的吸胀贯穿由3D网络的孔(介孔Vycor玻璃与6.5 nm或10 nm的孔径)。如鲁棒的时间平方根卢卡斯-沃什伯恩(L-W)填充动力学所证明的那样,在研究的整个实验时间(从几秒钟到10天)内,在没有惯性和重力效应的情况下,毛细管上升受毛细作用和粘性阻力的平衡支配。渗透过程中的视频证实了集体孔隙填充以及明显的吸胀前扩大所造成的毛细作用和渗透性障碍,典型的Vycor玻璃。运输过程中进行了分析,达西尺度描述,考虑广义前因子的L-W定律,称为卢卡斯-沃什伯恩-达西吸胀能力。它假设在孔隙中的哈根-Poietille速度分布,并取决于孔隙度,平均孔径,弯曲度和速度滑移长度,从而对有效的水力孔径。对于这两种基质的降低的吸胀速度,从而降低的吸胀能力,相比于一个假设的标称孔径,散装流动性和散装毛细作用,可以定量跟踪到一个不动的,孔壁吸附的边界层的1.4 nm厚。据推测,其由吸附在亲水性孔壁上的单层水分子组成,所述亲水性孔壁上覆盖有单层平坦硅油分子。我们的研究突出了不动的纳米级边界层在致密油藏中流动的重要性,以及达西尺度描述在介孔介质中传输的有效性。
2018-08-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Wetting Front Dynamics in Isotropic Porous Media
本文在考虑孔隙尺度上流体的运动类型(模式)的基础上,提出了一种新的达西尺度上的多孔介质润湿锋模拟方法。这种方法是使用一个简单的模型的情况下,吸入的粘性不可压缩液体到一个各向同性的多孔基质的两种运动模式的湿,润湿模式和阈值模式。后者使得有必要引入一种基本上新的共轭问题技术,该技术允许将孔隙尺度上的阈值现象与达西尺度上的运动联系起来。所开发的方法(a)为结合孔隙尺度上的润湿的实际物理学提供了空间,(b)引入了与孔隙尺度阈值相关的物理学,该阈值决定了润湿前沿的部分何时停止(固定),并且,重要的是,(c)为构建日益复杂的模型提供了一个常规框架。
2012-03-06 physics.flu-dyn
Flow in bounded and unbounded pore networks with different connectivity
这项工作是关于流动或孔隙网络中节点或孔隙压力与连接或喉道传导率之间的复杂相互作用。裂缝网络给出了类似于孔隙网络的设置。最近,在无界或周期性孔隙网络的背景下,提出了多孔介质中流动和输运的达西定律的非局部推广。在这项工作中,我们首先概述了一个强大的方法提取的水力传导率分布,这是在非本地达西公式的核心。其次,有界网络中的平均压力和流量的理论概述。该理论的预测进行了验证,对数值网络的结果,它表明,该理论适用于网络具有高连通性,涉及孔与高配位数。对于其他网络,提出了改进概述的理论,并评估其准确性。
2019-07-27 nlin.AO physics.flu-dyn
Permeability Description by Characteristic Length, Tortuosity, Constriction and Porosity
在这篇文章中,我们研究了达西定律中给出的多孔介质的渗透率。渗透率由多孔介质中的有效水力孔隙半径、局部水力孔隙半径的波动、流线的长度和传导流的体积分数来描述。有效水力孔隙半径与特征水力长度有关,局部水力半径的波动与收缩因子有关,流线的长度以曲折度为特征,从入口到出口的体积分数由有效孔隙度描述。因此,特征长度、收缩因子、弯曲度和有效孔隙度是相对于方向的孔结构的内在描述符。我们表明,我们的孔隙结构描述的综合效果充分描述了多孔介质的渗透性。该理论适用于理想化的多孔介质,在那里它再现达西定律的流体流动来自哈根-Poietille方程。我们还将这一理论应用到枫丹白露砂岩的全网络模型中,在那里我们展示了这种天然多孔介质的孔隙结构和渗透率与孔隙度的相关性。这项工作建立了如何渗透率可以与孔隙度,在Kozeny-Carman的意义上,通过基本的和明确的孔隙结构参数:特征长度,收缩,和曲折。
2015-05-10 physics.flu-dyn
Effect of Vadasz term on the onset of convection in a Darcy-Brinkman anisotropic rotating porous medium in LTNE
本文研究Vadasz惯性项对达西-布林克曼多孔介质中对流起始的影响,证明其促进振荡对流而不影响稳态对流,并分析了旋转与各向异性等因素的作用。
2022-11-29 physics.flu-dyn
From Interface Dynamics to Darcy Scale Description of Multiphase Flow in Porous Media
Shell Global Solutions International B.V.(壳牌全球解决方案国际有限公司);Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学);Imperial College London(伦敦帝国理工学院);University of New South Wales(新南威尔士大学);Eindhoven University of Technology(埃因霍温理工大学)
本综述针对多孔介质多相流从孔隙尺度升尺度到达西尺度的长期难题,对比了受实验启发、依托近年孔隙尺度成像与建模进展提出的相关新概念。
2025-10-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flow Characterization in Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) based Porous Geometries: Part 1 -- Hydrodynamics
多孔介质系统中的流动和传热建模一直是一个挑战,扩展的达西传输模型的流动和平衡和非平衡能量模型的传热被用于宏观层面的分析,然而,这些模型的局限性受到多孔几何形状。本文研究了不可压缩粘性流体通过四种不同多孔几何形状的通道的强迫对流流动。四个TPMS晶格形状,即钻石,I-WP,原始的,和Gyroid创建具有相同的孔隙率,和三种不同类型的多孔介质进一步产生每个多孔几何形状的形状曲折,微孔,和孔径的渗透率和惯性阻力因子的关系进行调查。通过求解纳维-斯托克斯方程,对前两类多孔介质进行了孔隙尺度的直接数值模拟。第三类多孔介质中,在固体区域定量推导出比孔隙率,求解Darcy-Forchheimer-Brinkman模型,而在流体区域求解纳维-斯托克斯方程。结果表明,对于原始点阵(1型),达西流态的有效性范围很窄,最大可达Re ~ 4,而对于金刚石点阵(2型),达西流态的有效性范围可达Re ~ 20。当Re > 20时,达西制度对任何晶格类型都不成立。当孔隙率较低(类型1,ε = 0.32)时,惯性阻力在I-WP晶格中最小,在Gyroid晶格中最大;当孔隙率较高(类型2,ε ~ 1)时,惯性阻力在原始晶格中最小,在I-WP晶格中最大。
2022-05-07 physics.flu-dyn
Effects of Pore-scale on the Macroscopic Properties of Natural Convection in Porous Media
多孔介质中的自然对流是深部咸水层长期储存CO2的基本过程。通常情况下,多孔介质中的传质的细节推断从体积平均Darcy-Oberbeck-Boussinesq(DOB)方程的数值解,即使这些方程不考虑多孔介质的微观特性。根据DOB方程,多孔介质中的自然对流由瑞利数唯一决定。然而,与实验相反,DOB模拟产生了舍伍德数与瑞利数(Ra)的线性标度(Ra>> 1,300)。在这里,我们进行直接数值模拟(DNS),完全解决孔隙内的流场。我们表明,边界层厚度是由孔径,而不是瑞利数,如前所述。大羽流和原始羽流的尺寸随着孔隙尺寸的增大而增大.我们的DNS结果表现出非线性缩放的舍伍德数在高孔隙度,并为相同的瑞利数,较高的舍伍德数预测DNS在较低的孔隙度。结果表明,舍伍德数的尺度依赖于孔隙率和孔隙尺度参数,这与实验研究结果一致。
2021-04-27 physics.flu-dyn
Dispersivity calculation in digital twins of multiscale porous materials using the micro-continuum approach
本文推导微连续介质方法的闭合问题,提出结合高分辨率DNS、Péclet数关系与DBS多尺度耦合的有效弥散张量计算流程,并在二维微观模型验证后用于陶瓷泡沫和碳酸盐岩数字孪生。
2024-05-10 physics.flu-dyn
Effective permeability of an immiscible fluid in porous media determined from its geometric state
本文提出一种基于几何状态的人工神经网络,用于预测多孔介质中不混相两相流的有效渗透率,在4500个未见样本上达到R²=0.98,解决了从孔隙尺度到达西尺度的升尺度问题。
2023-06-22 physics.data-an physics.flu-dyn
A Comprehensive Review of Pre-Darcy Flows in Low-Permeability Porous Media
本文综述了低渗透多孔介质中前达西流的理论、实验和建模方法,揭示了其非线性特征与影响因素,为页岩油气开采和核废料处置等应用提供指导。
2024-01-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection in porous media with dispersion
通过在二维Rayleigh-Darcy域中进行直接数值模拟,研究了弥散对多孔介质中对流的影响。控制方程的标度分析表明,该系统的动力学不仅由基于分子扩散的经典Rayleigh-Darcy数、$Ra_m$和畴纵横比控制,而且还由另外两个无量纲参数控制:色散瑞利数$Ra_d = H/α_t$和色散率比$r = α_l/α_t$,其中$H$是畴高,$α_t$和$α_l$分别是横向和纵向色散率。对于$Δ= Ra_d/Ra_m > O(1)$,机械弥散的影响很小;然而,对于$Δ\ll 1$,流型由$Ra_d$控制,而对于大的$Ra_m$,对流通量为$F\sim Ra_m$,但具有对$Ra_d$具有非单调依赖性的前因子。我们的DNS结果还表明,机械弥散的增加,即减少$Ra_d$,将粗糙的对流模式,通过增加烟羽间距。此外,固有的各向异性的机械分散打破了柱状结构的巨型羽在大$Ra_m$,如果$Ra_d < 5000$。这导致了减少对流通量的扇流几何形状。
2018-03-04 physics.flu-dyn
Onset of convective instability in an inclined porous medium
溶质从集中源扩散到水平的、静止的、流体饱和的多孔介质中,当重力不稳定的密度分层发展时,可以导致对流运动。在倾斜的多孔介质中,对流流动变得复杂,因为它起源于扩散和侧向流动的组合,这在溶质源附近占主导地位。在这里,我们调查的作用,倾斜的发病对流不稳定的达西定律和质量守恒的流动和浓度场的线性稳定性分析。我们发现,开始时间增加的倾斜角($θ$),直到它达到一个截止角,超过该系统保持稳定。截止角随着瑞利数$Ra$而增大。开始时的演变波数表现出非单调地依赖于$θ$和线性地依赖于$Ra$的横向速度。在重力稳定构型($θ\geq 90^{\circ}$)中观察到的不稳定性完全是由于非均匀基流产生的速度剪切,通常与开尔文-亥姆霍兹不稳定性有关。这些结果量化了介质倾斜对对流不稳定性的作用,这对地质CO $_2$封存具有重要意义。
2021-12-16 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
Compressibility effect on Darcy porous convection
完全不可压缩材料在自然界中并不存在,但它是几种介质的有用近似,这些介质可以在非等温过程中变形,但体积变化非常小。本文在广义拟热不可压缩流体中对Darcy-Bénard问题进行了线性分析,引入了一个描述流体可压缩性的因子$β$,它在不稳定性结果中起着重要作用。特别是,在Oberbeck-Boussinesq近似,一个更现实的本构方程的流体密度,以获得更多的热力学一致的不稳定性的结果。通过线性不稳定性分析的传导解决方案,临界Rayleigh-Darcy数对流的开始被确定为一个无量纲参数$\widehatβ$的压缩因子$β$成比例的函数,证明$\widehatβ$增强对流运动的开始。
2022-10-14 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Turbulent flows over porous lattices: alteration of near-wall turbulence and pore-flow amplitude modulation
本研究通过直接数值模拟探究多孔晶格上方湍流,发现法向渗透率超过阈值时近壁湍流转为类K-H不稳定性状态,多孔基底微观结构对湍流影响显著,为多孔基底设计提供了依据。
2023-08-14 physics.flu-dyn
Towards the understanding of convective dissolution in confined porous media: thin bead pack experiments, two-dimensional direct numerical simulations and physical models
本文通过薄珠床实验、二维直接数值模拟和物理模型,研究均质多孔介质中由 Rayleigh-Taylor 不稳定性驱动的对流溶解过程,揭示混合长度线性增长、三种混合状态及由扩散尺度、孔隙尺寸和区域高度控制的自相似演化规律。
2024-08-01 physics.flu-dyn
Scaling of Rayleigh-Taylor mixing in porous media
将两种不同密度的流体相互推挤,会导致界面处瑞利-泰勒不稳定性的发展,并进一步演化为复杂的混合层。在多孔介质中,该过程受到在流动通过孔隙时经历的粘性阻力的影响,该粘性阻力由达西定律描述。本文通过三维和二维的直接数值模拟研究了Darcy-Rayleigh-Taylor系统在大Péclet数极限下的混合性质。在混合区中,重力和粘性力之间的平衡导致细长羽流的非自相似增长,其长度随时间线性增加,而其宽度遵循扩散增长。传质努塞尔数被发现与达西-瑞利数线性增加,支持在多孔对流在高Ra数的普遍缩放。最后,我们发现,混合过程中显示重要的定量差异之间的二维和三维。
2020-06-12 nlin.CD physics.flu-dyn
A comprehensive Darcy-type law for viscoplastic fluids: I. Framework
本文提出一种适用于粘塑性流体整个Bingham数范围的综合Darcy型定律,通过结合屈服/塑性极限与牛顿极限的理论模型,并利用增广拉格朗日方法及各向异性自适应网格的计算数据验证了其有效性。
2025-08-09 cond-mat.soft math-ph math.MP
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
Thermal convection in a linearly viscous fluid overlying a bidisperse porous medium
双分散多孔介质是具有两个孔隙度尺度的介质。有通常的孔称为大孔,但也有裂缝或裂缝的骨架,从而产生微孔。在这篇文章中,我们开发和分析的热对流模型,其中一层粘性不可压缩流体覆盖在一层双分散多孔介质。必须注意的是,在流体和多孔材料的界面处的边界条件,这方面进行了研究。这种情况是在从下面加热的层中,在适当的条件下,发现双峰中性曲线,这些曲线取决于流体层的深度$d$与多孔层的深度$d_m$之比${\hat d}$。我们发现,有一个临界值的${\hat d}$,使低于此值对流运动开始在多孔层,而对于${\hat d}$高于此值的对流不稳定开始在流体层。
2021-10-23 math.AP physics.flu-dyn
Multiphase Flow Modelling in Multiscale Porous Media: An Open-Sourced Micro-Continuum Approach
提出了一种开源的多相Darcy-Brinkman方法来模拟包含无固体区域和多孔基质的混合系统中的两相流动。这种微观连续模型植根于基本物理学和体积平均原理,其中一组独特的偏微分方程用于表示区域和尺度中的流动。所提出的模型的关键是,它倾向于渐近的Navier-Stokes流体体积的方法在无固体区域和多相达西方程在多孔区域。与现有的多尺度多相求解器不同,它可以在孔隙和达西尺度上匹配毛细管,相对渗透率和重力效应的分析预测。通过其开源实现hybridPorousInterFoam,所提出的方法标志着计算流体动力学(CFD)模拟包扩展到多孔多尺度、多相系统中。求解器的多功能性示出使用应用程序的两相流在一个破碎的多孔基质和波的相互作用与多孔海岸屏障。
2020-03-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
From mixing to displacement of miscible phases in porous media: The role of heterogeneity and inlet pressure
本文研究非均质性与入口压力对多孔介质中低黏度可混溶相驱替高黏度驻留相的影响,利用修正 Sherwood 数和 BTC 分析量化均匀前缘向指进的转变。
2023-12-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Modeling of relative permeabilities including dynamic wettability transition zones
微扰是一种孔隙尺度的性质,它影响流体在多孔介质中的相对运动和分布。存在促使孔隙内的表面经历润湿性变化的储层流体。这种润湿性的变化,反过来,改变了动态的相对渗透率在达西尺度。因此,模拟润湿性变化对相对渗透率的影响对于理解多孔介质中的流体相互作用是至关重要的。在这项研究中,我们包括随时间变化的润湿性的相对渗透率-饱和度关系,通过修改现有的相对渗透率函数。为此,我们假设润湿性变化由基于吸附的模型表示,该模型依赖于暴露时间和化学。然后将此孔隙尺度模型与三角形管模型耦合,以模拟暴露时间相关的相对渗透率数据。模拟数据被用来表征和量化相对渗透率-饱和曲线中的润湿性动态。这项研究进一步表明了在动态变化的多孔介质中准确预测相对渗透率的重要性。
2020-08-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A hybrid-dimensional Stokes--Brinkman--Darcy model for arbitrary flows to the fluid--porous interface
本文提出混合维度 Stokes--Brinkman--Darcy 模型,通过在复杂界面中引入平均化的 Brinkman 方程作为缓冲区,实现自由流动与多孔介质流动的耦合,适用于任意流动方向,并在多示例中验证了其优越性。
2025-02-03 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
How modeling assumptions shape predictions of convective mixing of carbon dioxide
Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer, TU Wien(维也纳工业大学流体力学与传热研究所);Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Sapienza Università di Roma(罗马智慧大学机械与航空航天工程系)
研究探讨了流体性质模型和边界条件对受限多孔介质中对流混合预测的影响,重点在于地下二氧化碳储存。通过高分辨率模拟,分析了线性、非线性和非单调密度-浓度关系的可混流体在固定和自由界面下的2D和3D混合情况,发现混合由平均标量耗散主导,为对流-扩散相互作用提供统一框架。
2026-08-11 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Upscaling and Effective Behavior for Two-Phase Porous-Medium Flow using a Diffuse Interface Model
研究多孔介质两相流,提出耦合 Allen-Cahn Navier-Stokes 的双尺度模型,将孔隙尺度相分布与表面张力纳入 Darcy 尺度有效行为,发现相对渗透率与饱和度呈非单调关系,凸显孔隙尺度信息的重要性。
2023-06-30 math.AP 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
Solute mixing in porous media with dispersion and buoyancy
本文通过数值模拟分析二维多孔介质中瑞利-泰勒对流混合,研究弥散对混合动力学的影响,发现无弥散时自相似,有弥散时分子与弥散耗散相互作用,并提出理论框架以改进弥散模型。
2025-09-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
An experimental study on the heat transport in porous media convection
Southern University of Science and Technology(南方科技大学)
通过3D打印晶格结构实验,研究多孔介质对流在宽Rayleigh-Darcy数和Darcy数范围内的热输运,揭示从Rayleigh-Darcy行为到Rayleigh-Bénard行为的五个过渡阶段,并绘制Ra-Da相图。
2026-06-04 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A revised gap-averaged Floquet analysis of Faraday waves in Hele-Shaw cells
本文提出一种修正的间隙平均 Floquet 理论,考虑非定常惯性效应,改进 Hele-Shaw 细胞中法拉第波的预测,并解释薄环中的频率失谐现象。
2023-06-20 physics.flu-dyn
A Primer on the Dynamical Systems Approach to Transport in Porous Media
历史上,多孔介质流动、溶质混合和输运的主导概念范式是基于非均质多孔介质中的稳定二维流动。虽然它现在是公认的,新的传输现象,可以出现在不稳定和/或三维流在孔隙或达西尺度,适当的方法来分析和理解这些更复杂的流动还没有被广泛采用。在本书中,我们提倡从动力系统(混沌)理论中借用方法,旨在揭示这些流动的\emph{Lagrangian kinematics}:即流体粒子轨迹(形成动力系统)如何组织和相互作用以及对溶质运输和混合的相关影响。这种动力学系统的方法来运输本质上是拉格朗日,和拉格朗日运动学形式拉格朗日相干结构(LCS),特殊的轨迹集,分为混沌混合区域的拉格朗日框架,不良混合滞留区域(在某些情况下,非混合“岛”)和运输障碍,组织这些地区。因此,动力系统的方法提供了洞察流,可能会表现出混乱,定期(非混沌)或混合拉格朗日运动学,也到LCS如何组织溶质运输和混合。新的实验方法是最近才允许可视化的LCS是在多孔介质流。在这本入门书中,我们回顾了多孔介质流动和传输的动力系统方法,并将相关工具和技术与从孔隙到达西尺度的最新研究成果联系起来。本书介绍了动力系统理论的方法和工具。一旦熟悉这些方法,多孔介质研究人员将更好地了解何时期望复杂的拉格朗日运动学,如何发现和理解LCS及其影响。
2022-05-31 nlin.CD physics.flu-dyn
Convective dissolution of CO$_2$ in 2D and 3D porous media: the impact of hydrodynamic dispersion
对流溶解是注入深层地质地层中的CO $_2$溶解到水相中的过程,这允许通过重力将其常年储存。该过程是浮力耦合的达西流和溶质运移的结果。该过程的正确理论建模应在输运方程中考虑流体动力学(或机械)分散的扩散项,其有效扩散系数与局部间隙速度成比例。一些二维(2D)的数值研究,和三维(3D)的实验研究,研究了对流动力学的流体动力弥散的影响,与矛盾的结论。在这里,我们系统地调查的分散强度$S$(相对于分子扩散)的影响,和各向异性$α$的张量,对流溶解在2D和3D的几何形状。我们使用一个新的数值模型和分析的溶质指的数密度(FND),渗透深度和最大速度;对流的开始时间;溶解通量在准恒定通量制度;溶解CO2的平均浓度;和标量耗散率。对流溶解的效率在很长一段时间内被观察到主要由对流的开始时间控制。对于大多数天然多孔介质($α= 0.1$),发现的起始时间增加作为$S$的函数,与以前的实验结果和以前的数值结果形成鲜明对比。然而,如果$α$足够大,则该行为相反。此外,3D结果与2D结果在所有方面完全一致,除了在3D中的起始时间稍小,准恒定通量区中的溶解通量稍大,并且FND对分散参数的依赖性受$Ra$影响。
2021-10-07 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The role of porosity in the transition to inertial regime in porous media flows
University of Wrocław(弗罗茨瓦夫大学)
本文通过孔隙尺度数值模拟研究多孔介质流动从达西区向惯性区转变的机制,明确孔隙度对涡旋生长动力学的调控作用,揭示不同迂曲度定义的差异来源与应用价值。
2025-11-17 physics.flu-dyn
Bridging Microscopic Dynamics and Hydraulic Permeability in Mechanically-Deformed Nanoporous Materials
通过分子模拟研究机械应力下柔性纳米多孔材料中的流体流动,揭示孔隙力学性质对流动的影响,并利用吉布斯分割面概念将吸附热力学与达西渗透率统一关联,验证了集体扩散率与水力渗透率的关系。
2024-03-28 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Network modelling of yield-stress fluid flow in randomly disordered porous media
The University of Manchester(曼彻斯特大学);Hokkaido University(北海道大学)
本文提出一种二维无序多孔介质中Herschel-Bulkley流体的孔隙网络模型,考虑壁滑动效应,通过物理压力-流量关系模拟屈服和屈服后运输,验证模型能准确捕捉压力降和流动拓扑演变,揭示近屈服压力损失由孔隙统计决定。
2026-05-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
CO$_2$ convective dissolution in a 3-D granular porous medium: an experimental study
将CO $_2$地质封存在深层盐水层中是通过降低大气中这种温室气体的浓度来减缓全球变暖的一种有希望的措施。当将CO $_2$注入地质构造中时,其部分溶解在间隙盐水中,从而使其密度大于下面的不含CO $_2$的盐水,这产生对流不稳定性。由此产生的对流加速了CO $_2$通过溶解在盐水中而常年捕获的速率。不稳定性和由此产生的对流已被深入讨论的数值和理论方法在达西尺度,但很少有实验研究,其特征在于它们定量。通过使用折射率匹配和平面激光诱导荧光,我们测量的对流溶解不稳定性的起始特性,在一个3-D多孔介质位于下面的气体隔室。我们的研究结果强调,尺寸增长率的不稳定性保持不变时,CO $_2$分压在车厢是不同的,在明显的差异与理论预测。此外,在研究的CO $_2$分压范围内,测量的增长率比预测值大1至3个数量级。波前的傅立叶谱非常宽,突出了流动的多尺度性质。根据测量方法和CO $_2$分压,平均波长比预测值小1至3倍。利用Tilton(J.~流体机械:2018),我们证明了我们的实验结果与孔隙度波动对对流的强迫是一致的。最后,我们讨论了这种强迫的多孔介质的孔隙结构上的CO $_2$通量通过接口,在我们的实验中测量约一个数量级高于预期的可能影响。
2021-10-08 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Pressure drop-flow rate nonlinearity in bubble trains through a capillary bundle
Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学物理系);Department of Mechanical and Industrial Engineering, Università degli Studi di Brescia(布雷西亚大学机械与工业工程系)
研究毛细管管束中气泡列的有效流变学,基于经典理论扩展分析,通过假设管半径分布模拟结构异质性,研究与达西定律偏差,结果表明两相流改变有效流变学,呈现特定压降-流量关系及偏差特点。
2026-07-08 physics.flu-dyn
Pore-scale statistics of temperature and thermal energy dissipation rate in turbulent porous convection
本文通过高分辨率直接数值模拟研究二维多孔瑞利-贝纳德对流中温度与热能耗散率的孔隙尺度统计特性,揭示不可渗透固体多孔基质对羽流动力学、温度涨落及耗散间歇性的影响,并指出其在地球物理和能源环境工程中的潜在应用。
2023-09-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
Modeling flow in porous media with double porosity/permeability: Mathematical model, properties, and analytical solutions
University of Houston(休斯顿大学)
本文提出基于最大耗散率假设的数学模型,分析了双重孔隙率/渗透率的性质,并通过解析解探讨了多孔介质中流体流动的特性及与达西方程的区别。
2018-03-06 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Upscaling the Navier-Stokes-Cahn-Hilliard model for incompressible multiphase flow in inhomogeneous porous media
North University of China(中北大学);Taiyuan University of Technology(太原理工大学);Shandong University(山东大学);Southern University of Science and Technology(南方科技大学);Huazhong University of Science and Technology(华中科技大学)
本文提出一种宏观数学模型,用于描述不均匀多孔介质中不可压缩双相流的宏观行为,通过引入润湿行为并结合体积平均方法,实现了对两相流动的精确模拟。
2026-02-27 math-ph math.MP physics.comp-ph
Experimental assessment of mixing layer scaling laws in Rayleigh-Taylor instability
本文通过Hele-Shaw槽实验研究受限多孔介质中瑞利-泰勒不稳定性的混合层增长,证实对流主导阶段混合长度遵循超线性标度,验证了二维模拟的预测。
2022-09-17 physics.flu-dyn
A Numerical Model for Flows in Porous and Open Domains Coupled at the Interface by Stress Jump
建立了一个含均质流体与多孔介质交界面的流动数值模型。数值模型采用有限体积法,采用贴体网格和多块网格。采用Darcy-Forchheimer扩展模型来描述多孔介质区域的渗流。在其界面处,施加了剪应力跃变,以及正应力的连续性。此外,跳跃条件的扩散通量的影响被认为是除了对对流部分,这是通常被认为是。给出了三种流动构型的数值结果。该模型适用于具有复杂界面边界条件的两个流动区域之间的耦合问题。
2006-04-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Population balance models for particulate flows in porous media:breakage and shear-induced events
传输和颗粒过程在环境、工业和生物应用中无处不在,通常涉及复杂的几何形状和多孔介质。在这项工作中,我们提出了一个通用的人口平衡模型的颗粒在孔隙尺度上的传输,包括聚集,破碎和表面沉积。方程中的各项进行了分析与量纲分析,包括一个新的碰撞引起的破碎机制,并分裂成一个和两个粒子的过程。虽然第一种是线性过程,但它们都可能取决于局部流动特性(例如剪切)。这意味着放大(通过体积平均和均匀化)到宏观(达西尺度)的描述需要封闭的假设。我们讨论了这个问题,并推导出一个有效的宏观项的剪切引起的事件,如破碎所造成的剪切力的输送颗粒。我们专注于断裂事件为原型的线性剪切诱导的事件,并获得放大的周期性几何形状的断裂频率,从非线性幂律依赖于当地的流体剪切速率。结果提出了一个二维通道流和一个三维的规则安排的领域,为任意快速(混合限制)的事件。线性剪切诱导碰撞的影响进行了讨论。这项工作奠定了基础的一个新的一般框架多尺度模拟颗粒流。
2021-07-01 physics.flu-dyn
Transport scaling in porous media convection
本文基于Grossmann-Lohse理论思想,将热耗散分解为边界层与体区贡献,推导出多孔介质对流中努塞尔数随瑞利-达西数的标度律,并解释了二维与三维输运差异,模型与数值模拟高度吻合。
2024-05-24 physics.flu-dyn
Glassy phase transition in immiscible steady-state two-phase flow in porous media
Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学);Universidade Federal do Ceará(塞阿拉联邦大学)
通过将两相流中的液滴分布映射到自旋玻璃模型,揭示了两相流中玻璃相变与压力梯度依赖性的关系。
2026-03-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modeling Multiphase Flow Through and Around Multiscale Deformable Porous Materials
深入了解多孔介质中流体流动与固体变形之间的耦合关系,对于开发与广泛的地质和生物过程相关的生物医学设备和新能源技术至关重要。基于孔隙弹性理论的成熟模型存在用于描述耦合的流体-固体力学。然而,这些模型不适合描述多个流体相或“混合规模”的系统包含无固体区域和多孔基质的系统。为了解决这个问题,我们提出了一种新的计算流体动力学方法的基础上,一套独特的体积平均偏微分方程,渐近方法的Navier-Stokes流体体积方程在无固体区域和Biot的多孔弹性理论在多孔区域。与现有的多尺度多相求解器不同,它可以在孔隙和达西尺度上匹配毛细管,相对渗透率和重力效应的分析预测。通过仔细考虑界面动力学和广泛的基准测试,我们表明,我们的模型准确地捕捉到了强烈的双向耦合,经常表现出多种流体和可变形多孔介质之间的过程中,如膨胀,压缩和压裂。该方法的多功能性通过以下研究来说明:1)量化了微孔隙度对沉积岩渗透率的影响,2)确定了预测多孔介质中毛细管和粘性压裂的无量纲参数,3)表征了水力压裂裂缝形成的影响,以及4)描述了多孔弹性海岸屏障中的波吸收和传播。该方法的开源数值实现“hybridBiotInterFoam”,标志着计算流体动力学模拟包扩展到可变形,多相,多尺度多孔系统。
2021-09-20 physics.flu-dyn
Flow morphology and patterns in porous media convection: A persistent homology analysis
TU Wien(维也纳工业大学);University of Twente(特温特大学);Sapienza Università di Roma(罗马第一大学);New Jersey Institute of Technology(新泽理工学院)
利用持续同调拓扑数据分析方法,量化多孔介质对流中的复杂流动模式,并关联热传输速率与流动结构演化。
2026-06-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Tailoring porous media for controllable capillary flow
多孔介质中毛管流的控制假说具有广泛的实际意义。然而,通过调整孔径或通过修改界面润湿性来实现对这些过程的准确和可靠的控制仍然具有挑战性。在这里,我们提出,通过毛细渗透的液体流动可以通过调整多孔介质的几何形状来精确地调节,并开发数值方法来实现这一点。方法达西定律的基础上,提出了一个通用的框架,以方便控制毛细流动在多孔系统中通过剪裁的多孔结构的几何形状。基于有限元法的数值模拟方法也被用来验证理论预测。结果-一个基本的毛细管组件与可调的速度梯度的设计,根据所提出的框架。通过使用基本组件,两个功能的毛细管元件,即(i)流量放大器和(ii)流阻器,被证明。然后,通过集成所设计的毛细管元件,实现了具有可控毛细管流动的多功能流体装置。所有的理论设计都通过数值模拟进行了验证。最后,本文提出的模型可以推广到多孔介质的三维设计
2021-06-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Monolithic kinetic algorithm for heterogeneous porous media systems using a continuous one-domain approach
ETH Zürich(苏黎世联邦理工学院)
提出一种标准格子上的格子玻尔兹曼模型,用于模拟各向同性异质多孔介质内外的流动,通过单域求解器处理自由流体与多孔介质相互作用,恢复正确的孔隙度标度并提高计算效率。
2026-06-28 physics.flu-dyn