مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کاربرد روش نوآورانه شبکه بولتزمن آنتروپیک برای شبیه‌سازی جریان چند فازی در بستر متخلخل

نویسندگان
سیدامیر حسینی‌مقدم 1
مسعود ایرانمنش 2
ابراهیم جهانشاهی جواران 3
عابد زاده‌گل 1
1 دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان
2 عضو هیئت علمی دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی کرمان
3 عضو هیات علمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرقته کرمان
چکیده
در این تحقیق، با استفاده از مدل جنبشی سرعت ثابت آنتروپیک که اخیراً معرفی شده و با بکارگیری مدل شبه-پتانسیل شان-چن، جریان دوفازی، سیال های تراکم ناپذیر و مخلوط نشدنی در بستر متخلخل مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در یک دهه‌ی گذشته، استفاده از مدل‌های جنبشی آنتروپیک برای شبیه‌سازی جریان‌های چند فازی و چند جزئی مورد توجه فراوان قرار گرفته است. عدم وجود تابع آنتروپی برای یک مدل جنبشی به معنی آن است که نمی‌توان وجود یک حالت تعادلی مشخص و معین را تحت تمامی شرایط جریان، در تمامی نقاط و در همه‌ی زمان‌ها، برای سیال مورد نظر تضمین نمود. از این رو شبیه‌سازی جریان‌های چند فازی با اختلاف دانسیته‌ی بالا، با استفاده از مدل‌های جنبشی متعارف (که قانون دوم ترمودینامیک را ارضا نمی‌نمایند) می‌تواند دچار ناپایداری‌های عددی گردد. در این تحقیق، دقت و پایداری مدل آنتروپیک سرعت ثابت جدید در مقایسه با مدل‌های شبکه بولتزمن متعارف با بررسی مسائلی همچون قانون لاپلاس، گستره زاویه تماس و شبیه‌سازی جریان در کانال دو بعدی، مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین جریان دو فازی در بستر متخلخل شبیه‌سازی و نتایج مربوط به ضریب نفوذپذیری نسبی برای ترشوندگی‌های مختلف ارائه شده است. نتایج بدست آمده با دقت بسیار خوبی منطبق بر نتایج ارایه شده توسط سایر محققین می‌باشد
کلیدواژه‌ها
جریان چندفازی
مدل جنبشی آنتروپیک
روش شان-چن
بستر متخلخل
ضریب نفوذپذیری نسبی

موضوعات

عنوان مقاله English

Application of innovative entropic lattice Boltzmann method for multiphase fluid flow through porous media

نویسندگان English

Seyed Amir Hosseini Moghaddam 1
masoud iranmanesh 2
Ebrahim Jahanshahi Javaran 3
Abed Zadehgol 1
1 Department of Energy, Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
2 faculty member of energy dept. kerman graduate university of advanced technology
3 faculty
چکیده English

In this research work, using the recently introduced entropic constant speed kinetic model and employing the Pseudo-Potential model of Shan and Chen (SC), two phase flow of incompressible and immiscible fluids through porous media is studied. Applications of the entropic kinetic models in simulating multi-phase and multi-component flows have been thoroughly investigated, during the past decade. Lack of an entropy function, in a kinetics based model, implies that the existence of a unique equilibrium state, under all flow conditions and for all positions and times, cannot be guaranteed by the model. Hence, simulation of two multi-phase flows with high density ratios, using the conventional kinetic models (which do not satisfy the second law of thermodynamics) may not yield proper results, due to numerical instabilities. In this research, performing numerical simulations, the accuracy and stability of the recently introduced constant speed kinetic model and the conventional lattice Boltzmann models have been compared with each other. The present simulations include the verification of the Laplace Law and the contact angles and two phase flow through simple channels. In addition to the above, two phase flow in porous media has been simulated and the relative permeability vs wettability has been reported. The obtained results are in excellent agreement with previous results reported by others researchers.

کلیدواژه‌ها English

Multiphase Flow
Entropic kinetic model
Shan-Chen method
Porous Media
Relative permeability coefficient
[1] C. Cercignani, The boltzmann equation, in: The Boltzmann Equation and Its Applications, Eds., pp. 40-103: Springer, 1988.
[2] M. Sukop, DT Thorne, Jr. Lattice Boltzmann Modeling Lattice Boltzmann Modeling, 2006.
[3] I. V. Karlin, A. N. Gorban, S. Succi, V. Boffi, Maximum entropy principle for lattice kinetic equations, Physical Review Letters, Vol. 81, No. 1, pp. 6, 1998.
[4] S. Chikatamarla, I. Karlin, Entropic lattice Boltzmann method for multiphase flows, Physical review letters, Vol. 114, No. 17, pp. 174502, 2015.
[5] A. Mazloomi, S. S. Chikatamarla, I. V. Karlin, Entropic lattice Boltzmann method for multiphase flows: Fluid-solid interfaces, Physical Review E, Vol. 92, No. 2, pp. 023308, 2015.
[6] A. Zadehgol, M. Ashrafizaadeh, Introducing a new kinetic model which admits an H-theorem for simulating the nearly incompressible fluid flows, Journal of Computational Physics, Vol. 274, pp. 803-825, 2014.
[7] A. Zadehgol, Kinetic models in n-dimensional Euclidean spaces: From the Maxwellian to the Poisson kernel, Physical Review E, Vol. 91, No. 6, pp. 063311, 2015.
[8] A. Zadehgol, M. Ashrafizaadeh, On the entropy variations and the Maxwell relations, International Journal of Modern Physics C, Vol. 28, No. 01, pp. 1750009, 2017.
[9] A. Zadehgol, M. Ashrafizaadeh, S. Musavi, A nodal discontinuous Galerkin lattice Boltzmann method for fluid flow problems, Computers & Fluids, Vol. 105, pp. 58-65, 2014.
[10] B. M. Boghosian, P. J. Love, P. V. Coveney, I. V. Karlin, S. Succi, J. Yepez, Galilean-invariant lattice-Boltzmann models with H theorem, Physical Review E, Vol. 68, No. 2, pp. 025103, 2003.
[11] A. Hosseini, M. Iranmanesh, E. Jahanshahi Javaran, A. Zadehgol, Application of lattice kinetic models with Tsallis entropy in simulating fluid flow through porous media, International Journal of Modern Physics C, pp. 1750110, 2017.
[12] A. Zadehgol, Generalizing the Boltzmann equation in complex phase space, Physical Review E, Vol. 94, No. 2, pp. 023316, 2016.
[13] A. K. Gunstensen, D. H. Rothman, S. Zaleski, G. Zanetti, Lattice Boltzmann model of immiscible fluids, Physical Review A, Vol. 43, No. 8, pp. 4320, 1991.
[14] X. Shan, H. Chen, Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components, Physical Review E, Vol. 47, No. 3, pp. 1815, 1993.
[15] M. R. Swift, W. Osborn, J. Yeomans, Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids, Physical review letters, Vol. 75, No. 5, pp. 830, 1995.
[16] X. He, X. Shan, G. D. Doolen, Discrete Boltzmann equation model for nonideal gases, Physical Review E, Vol. 57, No. 1, pp. R13, 1998.
[17] S. Chen, G. D. Doolen, Lattice Boltzmann method for fluid flows, Annual review of fluid mechanics, Vol. 30, No. 1, pp. 329-364, 1998.
[18] X. Shan, H. Chen, Simulation of nonideal gases and liquid-gas phase transitions by the lattice Boltzmann equation, Physical Review E, Vol. 49, No. 4, pp. 2941, 1994.
[19] P. Yuan, L. Schaefer, Equations of state in a lattice Boltzmann model, Physics of Fluids, Vol. 18, No. 4, pp. 042101, 2006.
[20] Y. S. Wei, R. J. Sadus, Equations of state for the calculation of fluid‐phase equilibria, AIChE Journal, Vol. 46, No. 1, pp. 169-196, 2000.
[21] R. Benzi, L. Biferale, M. Sbragaglia, S. Succi, F. Toschi, Mesoscopic modeling of a two-phase flow in the presence of boundaries: the contact angle, Physical Review E, Vol. 74, No. 2, pp. 021509, 2006.
[22] S. Succi, The lattice Boltzmann equation: for fluid dynamics and beyond: Oxford university press, 2001.
[23] H. Huang, D. T. Thorne Jr, M. G. Schaap, M. C. Sukop, Proposed approximation for contact angles in Shan-and-Chen-type multicomponent multiphase lattice Boltzmann models, Physical Review E, Vol. 76, No. 6, pp. 066701, 2007.
[24] S. Schmieschek, J. Harting, Contact angle determination in multicomponent lattice Boltzmann simulations, arXiv preprint arXiv:0910.3915, 2009.
[25] A. G. Yiotis, J. Psihogios, M. E. Kainourgiakis, A. Papaioannou, A. K. Stubos, A lattice Boltzmann study of viscous coupling effects in immiscible two-phase flow in porous media, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 300, No. 1, pp. 35-49, 2007.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 8
آذر 1397
صفحه 19-29