孔隙尺度
關注創建者：淵魚 創建時間：2022-11-22
孔隙尺度的實例教程
概述
基于圖像的建模可用于分析通過多孔介質的傳質現象，特別適用于儲層巖石孔隙-喉道網絡。這些分析的目的是為提高我們對流體通過可變孔隙尺度運動方式的理解和表征。
本項目使用真實結構的micro-CT圖像數據，在Simpleware軟件中進行可視化和處理，生成網格化的3D模型，然后將其導出至仿真軟件中研究化學輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結構的 micro-CT數據；
在Simpleware ScanIP中進行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結構生成高質量的多相網格；
在仿真軟件中進行孔隙尺度化學輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學院孔隙尺度模型（PERM）聯盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數據，獲得孔隙空間和微觀結構的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數據轉換為基于3D體素的幾何結構，為網格劃分做準備。由于CT掃描通常會產生噪音，此步驟的處理極其復雜。為了渲染構造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數據的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩健的CFD網格，并直接導出至 仿真軟件。
展開 AF多尺度孔隙處理軟件2D ￥96
孔隙特征
材料的孔隙特征又稱為孔隙結構，一般是指材料內部的孔隙率、孔隙大小、孔隙形狀、分布模式、數量、連通性等特征。如在巖石中，孔隙是流體的基本通道，同樣也是影響巖石力學性能的關鍵因素；在消音材料中，孔隙是能量耗散的主要因素；在混凝土中，微觀孔隙的存在是影響離子滲透進而影響耐久性能的重要原因。因此在模擬中孔隙特征的研究尤為重要。
一般的研究僅局限于孔隙率單一因素的影響，而忽視了孔隙的其他特征參數。AF多尺度孔隙處理軟件2D可在確保孔隙率不變的前提下，基于實際的孔隙圖像，進行孔隙的多尺度處理。
在工程實際中，一種材料的孔隙率參數易于測得，而材料的其他孔隙特征是難以測算的。針對這兩方面的問題，AF多尺度孔隙處理軟件2D采取指定孔隙率加材料圖片處理模式來進行生成多尺度孔隙圖片。具體而言，針對已知的孔隙率，軟件在進行孔隙處理中可保證孔隙率為定值，基本不發生改變，這樣就可控制孔隙率參數不變，研究孔隙的其他特征參數對材料性能的影響。而針對難以衡量的孔隙其他特征參數，如孔隙喉道、孔隙峰度、孔隙連通等特征，軟件采用基于圖像的處理模式，可在最大程度上保留原有的孔隙特征。對于黑白的二值圖片，軟件還提供自適應孔隙率測算功能，識別模式為白色為孔隙。
以下為處理文獻圖片的處理樣圖：
處理后的文件可進行有限元模型的建立，如COMSOL、ANSYS、Abaqus多尺度孔隙結構模型等：
說明提醒
軟件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態，注冊請聯系QQ：1135122921。
展開 通過軟件將png格式的圖片轉換為DXF格式文件，也就是AutoCAD支持的文件：
下一步打開COMSOL軟件建立二維模型，導入事先準備好的dxf模型，需要注意導入選項選擇【不接合】
然后通過轉換為實體命令將圖形的外側輪廓及內部孔隙分兩步轉換為實體，這里在選擇內部孔隙時可采用全選的方式更快速的選擇。
通過布爾操作與分割中的差集做差，將孔隙部位挖空。
網格劃分等后續操作：
本教程用到的CAD文件下載：
AbyssFish.rar
隨機孔隙建模軟件：
隨機微觀孔隙2D軟件
這里采用AbyssFish四參數隨機生長2D軟件進行微觀多孔介質的構建，V1.1版本軟件通過優化改進的算法，可指定四參數隨機增長的分布概率、生長概率、孔隙率、以及孔隙尺寸特征等參數，并可進行同一參數不同孔隙率的動態輸出，方便對比研究。
這里生成尺寸為寬度為2.0，高度為0.5的多孔介質模型，并將其導入到COMSOL內，多孔介質的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
多孔介質中的孔隙為單聯通域，無無效幾何，如果指定的孔隙率過小，軟件生成的孔隙可能非單聯通，需要將非聯通的的幾何進行手動刪除處理。
物理場采用流體流動中的層流，左側為流體入口，右側為出口，以下為流速及壓力計算結果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數隨機生長2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
展開 從大規模的地質區域到納米尺度的結構，多孔材料的流動發生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經涵蓋了許多應用，但是在工業應用中，速度場和壓力梯度之間的關系不再是線性的，達西定律不能提供準確的結果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質中可能出現的不同流動狀態，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質中的流動
為了更深入地理解流經多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結構。這樣我們不僅能更深入的理解多孔材料，也有信心使用宏觀方法來模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結構，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
小型多孔塊中的流型。
這些多孔塊中包含低流速和高流速的區域，也包含根本不發生流動的區域。即使結構是不規則的，當放大另一個位置的相同多孔結構樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節內容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結構的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
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</div><p class="ql-align-center"> </p><h1>建模教程</h1><p>選取一張需要導入的圖像，圖像應清晰且不同區域界限分明，如果圖片需要預處理，可采用<a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1900309" target="_blank" style="outline: none;">AF多尺度孔隙處理軟件
水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。
https://www.yqgqt.org.cn/post/1889789
QSGS四參數隨機生長2D軟件 V1.0 https://www.yqgqt.org.cn/post/1899254
V1.1 V1.2 https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
AF多尺度孔隙處理軟件
COMSOL模型構建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
多孔介質中的孔隙為單聯通域，無無效幾何，如果指定的孔隙率過小，軟件生成的孔隙可能非單聯通，需要將非聯通的的幾何進行手動刪除處理。
物理場采用流體流動中的層流，左側為流體入口，右側為出口，以下為流速及壓力計算結果。
水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。多功能水泥氣凝膠具有高機械穩健性，顯著的絕熱性，輕質和阻燃性，是實際建筑應用的有前途的候選者。
AF多尺度孔隙處理軟件2D可在確保孔隙率不變的前提下，基于實際的孔隙圖像，進行孔隙的多尺度處理。
在工程實際中，一種材料的孔隙率參數易于測得，而材料的其他孔隙特征是難以測算的。針對這兩方面的問題，AF多尺度孔隙處理軟件2D采取指定孔隙率加材料圖片處理模式來進行生成多尺度孔隙圖片。
首先獲取一張多孔介質圖片，這里就以COMSOL官網教程圖片為例了。
通過軟件將png格式的圖片轉換為DXF格式文件，也就是AutoCAD支持的文件：
下一步打開COMSOL軟件建立二維模型，導入事先準備好的dxf模型，需要注意導入選項選擇【不接合】
然后通過轉換為實體命令將圖形的外側輪廓及內部孔隙分兩步轉換為實體，這里在選擇內部孔隙時可采用全選的方式更快速的選擇。
這樣的工作流程可以對真實孔隙尺度結構中化學組分的輸運進行模擬。
結論
本項目在Simpleware軟件中生成高質量的三維模型和穩健的網格，用以模擬多孔介質中孔隙尺度的化學輸運。
線性達西定律適用于 ，因此孔隙尺度流動可以被描述為蠕變流，其中慣性力與黏性力相比非常小。地下水流和其他低速和（或）高黏度流動的應用就是這種情況。然而，在大多數工業應用中，例如在填充床反應器、過濾器甚至食品工業中，都涉及到更高的流速，包括黏度非常低的氣流。在這些應用中，僅使用方程1是無法描述的，還必須引入非線性項。
線性達西定律適用于 ，因此孔隙尺度流動可以被描述為蠕變流，其中慣性力與黏性力相比非常小。地下水流和其他低速和（或）高黏度流動的應用就是這種情況。然而，在大多數工業應用中，例如在填充床反應器、過濾器甚至食品工業中，都涉及到更高的流速，包括黏度非常低的氣流。在這些應用中，僅使用方程1是無法描述的，還必須引入非線性項。
