气体微尺度流动数值模拟研究现状

1、气体微尺度流动数值模拟研究现状摘要：文章简要概述了气体微尺度流动的状态，并对当前气体为尺度流动研究现状作了具体总结分析，在此基础上提出了气体微尺度流动可研究的方向。关键词：微尺度流动；格子Boltzmann方法1引言致密岩石中并存的节理裂隙和微小孔隙使得气体的运移机理偏离常规的宏观流动，此时我们需要从微尺度流动的角度对煤岩气的部分渗透机理进行解释。随着微尺度渗流理论和技术手段的不断完善，从微尺度角度研究气体流动规律，进而全面了解气体的运移机理显得尤为重要。目前，相关学者普遍采用物理试验、理论分析及数值模拟等多种方法相结合，从多方面对气体运移规律进行研究。目前普遍认为致密岩石微观孔隙结构直接影响

2、气体的解吸附、扩散、富集和渗流特性，与运移规律密切相关。由于微尺度渗流试验难以有效展开，故常常采取物理试验和数值模拟的方法进行研究。本文将总结前人研究结果对气体微尺度流动研究现状进行阐述。2 气体微尺度流动当气体在微米级孔隙中流动时，往往会出现较为明显的微尺度效应。微尺度流动中，主要通过努森数来判断气体的流动状态，努森数的表达式为，其中为分子平均自由程；为孔隙的特征长度。根据努森数不同，微尺度流动主要可以分为：连续区（）、滑移区（）、过渡区（）和自由分子区（）。当气体流动处于滑移区和过渡区时，最明显的现象为壁面处速度不再为零而是出现滑移速度，该滑移速度对整个流场中的流动起到不可忽视的作用。3

3、微尺度气体流动数值模拟方法3.1分子动力学方法分子动力学方法将原子核视为在其他原子核和电子所提供的经验势场作用下，按牛顿定律运动1。Wu等人采用分子动力学方法，研究了甲烷在裂缝状纳米孔隙中的吸附和注气驱替微观机理，发现由于甲烷分子与壁面之间的作用导致纳米孔隙中赋存的甲烷气体多于相同体积下的自由态。Yuan等人通过研究发现采用二氧化碳提高受限气体甲烷开采率。Li4等研究发现气体的滑移和吸附与气体压力有关。气压降低时，滑移效应增强而吸附效应减弱气体表观渗透率大于固有渗透率；当气压增大，滑移效应减弱而吸附效应增强，气体表观渗透率低于固有渗透率。2014年，Zhao5等使用分子动力学建立起甲烷气体在纳

4、米碳管内的吸附层状态方程，得到了吸附能力最佳的孔径。分子动力学在页岩气纳米级孔隙流动的研究中得到了大量的运用，但由于一个系统中往往有巨大数量的分子，且为取得高精度的结果时间步长需要尽可能地小，导致即使是模拟微型系统在短时间内的流动状态也需要大量的计算量和储存量。目前在气体孔隙流动的研究中，分子动力学在处理10纳米以上的孔隙时并不适用。3.2直接模拟蒙特卡洛方法1994年，Bird等提出使用直接模拟蒙特卡洛方法研究气体流动。该方法基于Boltzmann方程，由于Boltzmann方程直接求解十分困难，因此用蒙特卡罗方法进行仿真模拟来求解。不同于分子动力学方法，直接模拟蒙特卡洛方法不精确模拟每个分

5、子的碰撞状态，而是随机的产生具有散射速率和碰撞后速度的碰撞，通过模拟代表许多真实分子的粒子的运动状态来模拟流体整体的流动状态。在使用直接模拟蒙特卡洛法时，系统被按照流场划分为许多足够小的单元，每个单元拥有集合边界和体积。模拟粒子均匀的分布在单元格中，在每个时间步互相作用并且与边界发生作用并重复大量时间步的模拟直到误差足够小。2016年Chariton7等采用直接模拟蒙特卡洛方法研究了气体在滑移区和过渡区的流动规律。直接模拟蒙特卡洛法适用于高速稀薄气体流动的研究，而在低速度、稀薄气体的研究中计算效率较低且统计噪声较大。3.3格子Boltzmann方法格子玻尔兹曼方法的基础是格子气自动机(Latt

6、icegasautomata)。格子气自动机方法中，流体被离散成一系列粒子，时间和空间被离散到一个二维正方形格子上，并与临近格点相互作用。在任意特定时间内检查自己和其临近的状态，然后根据特定的规则重置状态。通过给定相关的初始和边界条件，即可使用格子气自动机模型进行模拟。由于碰撞算子中随机因素的不确定性，LGA显示出了明显的局限性。针对这个问题，格子玻尔兹曼方法用Boltzmann方程进行了代替。经过多年的发展和完善，格子Boltzmann方法已经在流体力学中得到了广泛的应用，尤其是在多相流、多孔介质流动、热传导等方面显示出其计算简单、边界条件处理方便的优势。4结论综上所述，气体在微尺度通道中的

7、流动现象与常规情况不同，具有明显的微尺度效应。目前常用的气体为尺度流动数值模拟方法有分子动力学方法、直接模拟蒙特卡洛法和格子Boltzmann方法，其中格子Boltzmann方法是一种较为成熟的数值模拟方法，适合对介观尺度的气体流动进行模拟。根据努森数划分的不同气体微尺度流动区域下，气体的流动状态值得进一步研究与探讨。参考文献：1 文玉华分子动力学模拟的主要技术J.力学进展，2003,33(1).2 WuHA，ChenJ，LiuH.Moleculardynamicssimulationsaboutadsorptionanddisplacementofmethaneincarbonnanocha

8、nnelsJ.TheJournalofPhysicalChemistryC，2015，119(24)：13652-13657.3 YuanQ，ZhuX，LinK，etal.MoleculardynamicssimulationsoftheenhancedrecoveryofconfinedmethanewithcarbondioxideJ.PhysicalChemistryChemicalPhysics，2015，17(47)：31887-31893.4 LiZZ，MinT，KangQ，etal.Investigationofmethaneadsorptionanditseffectongas

9、transportinshalematrixthroughmicroscaleandmesoscalesimulationsJ.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2016，98：675-686.5 ZhuX，ZhaoYP.AtomicmechanismsandequationofstateofmethaneadsorptionincarbonnanoporesJ.TheJournalofPhysicalChemistryC，2014，118(31)：17737-17744.6 BirdGA，BradyJM.MoleculargasdynamicsandthedirectsimulationofgasflowsM.Oxford：Clarendonpress，1994.7 ChristouC，DadzieSK.Direct-simulationMonteCarloinvestigationofaBereaporousstructureJ.SpeJournal，2016，21（03）：938-946.8 FrischU，HasslacherB，PomeauY.Lattice-gasau