[论文解读] Multiphase lattice Boltzmann simulations for porous media applications -- a review

Haihu Liu, Qinjun Kang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2014

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 2被引用 12

一句话总结

本综述对用于模拟多孔介质中多相流的格子Boltzmann方法（LBM）进行了全面分析，评估了包括颜色梯度、自由能、粒子间势能及稳定化扩散界面模型在内的多种扩散界面模型。研究识别出在虚假速度、界面张力精度以及高密度比和高粘度比条件下的性能之间的关键权衡，为孔隙尺度模拟中选择最优模型提供了指导。

ABSTRACT

Over the last two decades, lattice Boltzmann methods have become an increasingly popular tool to compute the flow in complex geometries such as porous media. In addition to single phase simulations allowing, for example, a precise quantification of the permeability of a porous sample, a number of extensions to the lattice Boltzmann method are available which allow to study multiphase and multicomponent flows on a pore scale level. In this article we give an extensive overview on a number of these diffuse interface models and discuss their advantages and disadvantages. Furthermore, we shortly report on multiphase flows containing solid particles, as well as implementation details and optimization issues.

研究动机与目标

• 评估并比较多种扩散界面格子Boltzmann模型在模拟多孔介质中多相流方面的性能。
• 从虚假速度、界面张力建模和数值稳定性角度，识别每种LBM格式的优势与局限性。
• 根据特定模拟需求（如高密度比或高粘度比）提供选择合适LBM模型的实际指导。
• 讨论实现中的挑战、优化技术，以及表面润湿性和流体-固体相互作用在复杂孔隙结构中的作用。
• 评估LBM相对于孔隙网络模型以及VOF和水平集等传统CFD方法在捕捉微尺度非均质性和界面动力学方面的预测能力。

提出的方法

• 基于模型在界面张力和虚假速度建模方面的能力，评估多种LBM格式，包括粒子间势能、颜色梯度、自由能及稳定化扩散界面模型。
• 采用拉普拉斯定律下的静态气泡测试作为基准，量化平衡状态下界面张力的准确性与虚假电流。
• 通过分析小液滴/气泡的溶解速率，评估不同模型在数值稳定性与相分离行为方面的表现。
• 通过数值实验评估最大可实现的密度比和运动粘度比，包括静态气泡测试和平行板间的两相流。
• 通过比较实现复杂度与性能（特别是高阶近似和多松弛时间方法）来评估计算成本。
• 研究中结合了对流体-固体相互作用的分析，包括接触角建模与润湿性影响，采用适当的边界条件和力方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种格子Boltzmann多相模型在静态气泡测试中表现出最低的虚假速度？
• RQ2 不同模型在模拟多孔介质中典型的高密度比和高粘度比流动时表现如何？
• RQ3 当粘度不匹配时，模型构型（如势能形式与应力/压力形式）对平衡接触角准确性的影 响是什么？
• RQ4 在液滴/气泡溶解速率方面，各模型表现如何，这反映了其数值稳定性？
• RQ5 在所综述的LBM格式中，准确度、稳定性与效率之间的计算权衡是什么？

主要发现

• 稳定化扩散界面模型实现了最低的虚假速度，接近舍入误差水平，因此在最小化数值伪影方面最为精确。
• 自由能模型在势能形式下产生的虚假速度小于其应力/压力形式，从而在粘度不匹配系统中能正确实现平衡接触角。
• 平均场理论模型对小液滴的溶解速率最高，表明其在小尺度相分离中数值稳定性较差。
• 稳定化扩散界面模型支持高达1000的密度比，因此最适用于油-水系统等高密度比流动。
• 颜色梯度模型实现了最高的运动粘度比（高达1000），表明其在高粘度比流动中性能更优。
• 大多数模型的计算成本通常为‘中等’，但稳定化扩散界面模型因需高阶导数和边界识别，导致计算开销显著增加。