多孔介質(zhì)滲流模擬的案例
第二屆國際多孔介質(zhì)協(xié)會中國年會暨第四屆數(shù)字巖心分析技術國際研討會會議總結(jié)
張東曉院士作題為《機器學習方法在多孔介質(zhì)滲流中的應用》主題報告，介紹了如何通過機器學習方法、最小絕對收縮和選擇算子（LASSO）來學習地下水流方程和污染物輸運方程，并將該方法結(jié)合數(shù)據(jù)同化方法，可以有效地識別參數(shù)未知的物理過程。=
中國石油大學（華東）副校長姚軍致開幕詞
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國際多孔介質(zhì)協(xié)會前主席Oleg Iliev介紹國際多孔介質(zhì)協(xié)會
會議開幕式由組委會副主任楊永飛副教授主持，中國石油大學（華東）副校長姚軍、國際多孔介質(zhì)協(xié)會（InterPore）前主席Oleg Iliev出席并致開幕詞。姚軍對與會人員的到來表示歡迎，期待會上展示多孔介質(zhì)滲流最新研究成果，希望會議的召開對我校學科建設和人才培養(yǎng)起到良好的推動作用。Oleg Iliev對多孔介質(zhì)滲流與數(shù)字巖心分析的發(fā)展現(xiàn)狀和國際多孔介質(zhì)協(xié)會進行簡要介紹。會議特邀張東曉、Birol Dindoruk、Abbas Firoozabadi、Roland N. Horne四位美國國家工程院院士進行主題報告。
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美國國家工程院院士、北京大學張東曉教授做主題報告
張東曉院士作題為《機器學習方法在多孔介質(zhì)滲流中的應用》主題報告，介紹了如何通過機器學習方法、最小絕對收縮和選擇算子（LASSO）來學習地下水流方程和污染物輸運方程，并將該方法結(jié)合數(shù)據(jù)同化方法，可以有效地識別參數(shù)未知的物理過程。
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美國國家工程院院士、殼牌公司首席科學家Birol Dindoruk做主題報告
Birol Dindoruk院士作題為《多尺度多孔介質(zhì)滲流與尺度升級中的挑戰(zhàn)》主題報告，詳細闡述了目前多尺度多孔介質(zhì)滲流模擬的研究進展，指出多組分多相流動模擬與巖石-流體相互作用是未來多孔介質(zhì)滲流研究熱點。
展開 COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達西滲流模擬
在實際工程中滲流路徑往往不是單一材料，如滲流發(fā)生在夾雜碎石的土體中，這就造成滲流的復雜性。這里采用兩項材料通過COMSOL達西定律模塊對滲流進行模擬。
模型采用CAD隨機球體顆粒&過渡區(qū)插件建立后導入到COMSOL軟件內(nèi)。
模型包括滲流發(fā)生的外側(cè)基體、內(nèi)部顆粒、顆粒及基體過渡區(qū)（ITZ）三部分組成，由于內(nèi)部顆粒的滲透系數(shù)遠小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動。設置過渡區(qū)的目的是在實際情況中，土體及內(nèi)部碎石顆粒間往往會有孔隙，這就造成了接觸面的實際滲透率遠高于土體，模型剖切面如下。
模型設置左右兩側(cè)的水頭差，最終壓力及流速模擬結(jié)果如下。
展開 COMSOL微觀多孔介質(zhì)二維滲流模擬基于四參數(shù)隨機生長建模
微觀多孔介質(zhì)流體
微觀多孔介質(zhì)廣泛存在于巖石、土層等流體介質(zhì)之中，這使得流體穿過存在復雜性，滲流的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀現(xiàn)象，在研究中可采用表征單元體（representative elementary volume，簡稱REV）方法，這就涉及到微觀介質(zhì)的模型重構(gòu)。
這里采用AbyssFish四參數(shù)隨機生長2D軟件進行微觀多孔介質(zhì)的構(gòu)建，V1.1版本軟件通過優(yōu)化改進的算法，可指定四參數(shù)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(shù)，并可進行同一參數(shù)不同孔隙率的動態(tài)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(zhì)模型，并將其導入到COMSOL內(nèi)，多孔介質(zhì)的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構(gòu)建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型教程
多孔介質(zhì)中的孔隙為單聯(lián)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(lián)通，需要將非聯(lián)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(cè)為流體入口，右側(cè)為出口，以下為流速及壓力計算結(jié)果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數(shù)隨機生長2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
展開 多孔介質(zhì)中的滲流物理
薛定諤多孔介質(zhì)中的滲流物理
多孔介質(zhì)中的滲流物理1.rar
多孔介質(zhì)中的滲流物理2.rar
CAD隨機圓形插件 ￥99
可用于如混凝土細觀模型、多孔材料模型、多孔介質(zhì)滲流模擬、多相材料擴散模擬等方面的研究。
三、使用須知
1、軟件使用需注冊，一機一碼；
2、軟件運行需要安裝AutoCAD（2010~2021均可使用）。
四、樣圖實例
2010版CAD文件，.dwg格式。
隨機圓形樣圖.rar
V2.0版本已發(fā)布
CAD隨機圓形骨料插件 V2.0
可直接聯(lián)系QQ：1135122921
獲取軟件及注冊，價格一致
多孔介質(zhì)滲流現(xiàn)象
編譯：葛越峰 上海安世亞太流體應用工程師
文章首發(fā)：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯(lián)系我們：021-58403100
本文共計2489字，閱讀時間預計8分鐘
滲流的概念
滲流是指流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動。滲流現(xiàn)象廣泛存在于人造材料和自然界中。如地下水的開發(fā)、石油的開發(fā)、天然氣收集、煤炭的開采等都需要對滲流進行分析研究。
滲流力學主要研究流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的運動規(guī)律，是流體力學的一個分支。
但同時又與多孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學、固體力學和生物學等學科交叉滲透，是一門綜合的學科。當前的研究主要集中在單相滲流理論、多相滲流理論、雙重介質(zhì)滲流理論、滲流基本定律和多孔介質(zhì)理論。
滲流理論的應用面也很廣。
如在生物醫(yī)療領域、海水入侵，水利水電工程、農(nóng)林工程、凍土工程等都需要對滲流進行分析。
研究滲流區(qū)域內(nèi)水頭或地下水位的分布，滲流對建筑物基底的作用力，區(qū)域內(nèi)滲流量，滲流速度以及滲流對多孔結(jié)構(gòu)的影響等。
按其應用范圍，大致可以劃分為地下滲流、工程滲流、生物滲流3個方面。
CFD仿真在多孔介質(zhì)中的運用
ANSYS Fluent 中Porous Zone可以分析液體在多孔介質(zhì)中的流動趨勢。
本次以簡單模型，模擬液體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動情況。
▲上圖陰影區(qū)域?qū)旅嬉曨l中的多孔介質(zhì)區(qū)域
滲透與滲流
實際生活中往往觀察到的是液體向固體縫隙內(nèi)部滲透的現(xiàn)象，為了分析這一現(xiàn)象，我們引入了滲流概念。
滲透
地下水在巖石孔隙或多孔介質(zhì)中的運動，液體在彎曲孔隙中流動，速度各不相同。為了研究地下水的整體運動特征，引入滲流的概念。
滲流
具有實際水流的運動特點（流量、水頭、壓力、滲透阻力），并連續(xù)充滿整個含水層空間的一種虛擬水流；是用以代替真實地下水流的一種假想水流。
展開 CAD隨機球體顆粒 中空圓柱分布 ￥399
插件可實現(xiàn)中空圓柱狀圓環(huán)部件的模擬，如材料內(nèi)部缺陷、復合材料、顆粒增強材料等。
插件生成的CAD模型可導入其他有限元軟件進行建模，如在comsol、ANSYS、Abaqus等有限元軟件內(nèi)用于混凝土細觀力學分析、圓柱試件受力模型、內(nèi)部缺陷分析、多孔介質(zhì)滲流模擬、顆粒導電分析等。
說明提醒
插件支持AutoCAD2010~2023版本。
插件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態(tài)，注冊請聯(lián)系QQ：1135122921。
樣圖
中空圓柱隨機球體樣圖CAD2010.rar
CAD隨機圓形生成插件——發(fā)布預告及意見征求
可用于如混凝土細觀模型、再生骨科混凝土、泡沫混凝土、多孔材料模型、多孔介質(zhì)滲流模擬、多相材料擴散模擬等方面的研究。
插件界面參考：
軟件界面暫定如下，如有其它需求，可在評論區(qū)留言。
插件生成參考：
生成文件樣式暫定如下所示，歡迎提出改進意見。
價格及優(yōu)惠：
插件價格暫定388元，具體價格以實際發(fā)布為準。曾購買過（在該插件的發(fā)布日期前購買）ABAQUS混凝土隨機骨料生成插件可享受一折優(yōu)惠，。
預計發(fā)布日期：
插件暫定于2021/09/06日前發(fā)布，具體發(fā)布時間將根據(jù)需求情況動態(tài)調(diào)整。
意見征求：
歡迎各位學者提出建議及改進意見。對于有建設性的改進或?qū)崿F(xiàn)方案將給予最高五折的優(yōu)惠。
插件已于2021/06/15日發(fā)布
CAD隨機圓形插件
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1806896
展開 comsol巖土凍土裂隙滲流多孔介質(zhì)培訓
第一講：Comsol簡介與基本操作
lComsol在巖土工程中的應用 幾何模型構(gòu)建
l從CAD導入幾何模型網(wǎng)格劃分后處理技術簡介
lComsol與Abaqus的比較
l第二講：邊坡在自重力作用下的變形
第三講：Comsol中邊坡自重力平衡技術
第四講：基于強度折減法的邊坡穩(wěn)定性計算
第五講：降雨條件下邊坡滲流穩(wěn)定性
第六講：庫水位升降條件下土石壩滲流穩(wěn)定性
第七講：基于Comsol的邊坡雙重介質(zhì)（孔隙+裂隙）滲流
第八講：凍融條件下土柱熱-水-力多場耦合模型
第九講：其它工程案例講解解疑拓展（培訓完長期解疑答惑）
第十講：學員可帶自己案例模型讓老師指導解疑
如果您在用（PFC.FLAC,ABAQUS,等巖土工程仿真軟件）請報名參加培訓
培訓福利：
有長期微信解疑群，幫助學員指導解疑，直到問題解決，這次參加完培訓可以免費參加下次培訓，
培訓資料為紙質(zhì)版和PPT,還有案例模型都將提供給學員
優(yōu)惠名額僅前15名；24個小時培訓時長培訓內(nèi)容的深度層層遞進，從初學入門到理解掌握，再到精通老手，玩轉(zhuǎn)Comsol，達到無師自通的地步，不僅學會Comsol軟件操作，還能理解巖土多物理場耦合理論及其在Comsol中的實現(xiàn)，甚至能夠通過所學進行類似工程問題的應用研究，以及從事更深入的科研理論研究
聯(lián)系人：武老師 電話（微信同號）：15803881035
郵箱：wu15803881035@126.com qq: 2409348792
展開 CAD隨機多邊形顆粒生成軟件 ￥189
可用于如混凝土細觀模型、多孔材料模型、多孔介質(zhì)滲流模擬、多相材料擴散模擬等方面的研究。
四、使用須知
1、如需生成界面過渡區(qū)顆粒的最小邊數(shù)不宜小于5；
2、顆粒所能達到的最大體積比與集配及最小間距關系較大；
3、實際生成的界面過渡區(qū)厚度與設計值略有偏差；
4、軟件使用需注冊，一機一碼；
5、軟件運行需要安裝AutoCAD。（2010~2021均可使用）
五、更新日志
1.新增界面過渡區(qū)（ITZ）繪制功能
2.新增顆粒集配控制功能
3.新增顆粒集配曲線繪制功能
4.新增是否進行CAD繪圖選項
5.美化界面顯示優(yōu)化參數(shù)分組
6.重構(gòu)代碼加快運行速度
7.添加時間控制參數(shù)，防止死循環(huán)
8.精確計算多邊形顆粒體積
9.新增CAD分圖層繪制
10.優(yōu)化軟件注冊識別
六、樣圖實例
CAD文件 .dwg格式。
樣圖.rar
可直接聯(lián)系QQ：1135122921
獲取軟件及注冊，價格一致
展開 多孔介質(zhì)干燥模擬 ￥1000
<p>本案例建立了一Mushroom二維模型，基于COMSOL軟件的多個物理場模塊：動網(wǎng)格，湍流流動，流體傳熱，水蒸氣和液態(tài)水兩個稀物質(zhì)傳遞，固體力學接口，模擬了Mushroom多孔介質(zhì)的流動干燥、水分蒸發(fā)和收縮變形過程。
FLuent 模擬多孔介質(zhì)流動
10 Modeling-Flow-Through-Porous-Media.pdf
如文檔介紹
案例文件：
10 Modeling-Flow-Through-Porous-Media.zip
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模擬多孔介質(zhì)中不同的流體流動
從大規(guī)模的地質(zhì)區(qū)域到納米尺度的結(jié)構(gòu)，多孔材料的流動發(fā)生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經(jīng)涵蓋了許多應用，但是在工業(yè)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(jié)果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質(zhì)中可能出現(xiàn)的不同流動狀態(tài)，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質(zhì)中的流動
為了更深入地理解流經(jīng)多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(qū)域，也包含根本不發(fā)生流動的區(qū)域。即使結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，當放大另一個位置的相同多孔結(jié)構(gòu)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(jié)內(nèi)容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數(shù)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhì)的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
展開 COMSOL三維梯度多孔結(jié)構(gòu)滲流模擬
三維梯度多孔結(jié)構(gòu)（FGM）是一種孔隙率、孔徑等參數(shù)在三維空間內(nèi)呈梯度分布的多孔材料。梯度孔隙結(jié)構(gòu)的研究可優(yōu)化傳熱傳質(zhì)效率，調(diào)控流動路徑，提升能源存儲與材料性能，為復雜系統(tǒng)設計提供關鍵理論支持。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立三維球體梯度孔隙結(jié)構(gòu)模型，并進行滲流仿真模擬。
梯度多孔介質(zhì)FGM模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型在AutoCAD內(nèi)建立完成后導出為sat格式文件。通過插件可靈活控制孔隙率、梯度、孔徑分布及最小間距約束，生成符合實際工程需求的梯度孔隙結(jié)構(gòu)。
將建立的三維梯度孔隙模型導入到COMSOL軟件，在COMSOL內(nèi)定義流體屬性物理域后，需明確流體物性參數(shù)（如動力黏度、密度），為后續(xù)仿真提供基礎條件。
對模型添加滲流研究，設置邊界條件并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分需兼顧計算效率與精度，并確保流動細節(jié)的捕捉能力。
提交計算查看流體在梯度多孔介質(zhì)中的壓力及流速模擬結(jié)果。
展開 模擬多孔介質(zhì)中不同的流體流動
Klinkenberg 參數(shù) (Pa) 取決于多孔介質(zhì)的滲透率，我們可以在文獻中查到 。
COMSOL 中的多孔介質(zhì)流模塊包含了所有上述滲透率模型。Forchheimer 和 Kozeny-Carman 方程也可用于支持多孔介質(zhì)流動的其他模塊。
軟件中滲透率關系的位置。
非達西流，從微觀到宏觀尺度
那么，我們?nèi)绾螌⑦@兩種方法聯(lián)系起來呢？第一個模型（REV）給出了速度對壓力梯度的關系，我們還可以確定孔隙率和滲透率。類似的，我們還可以觀察幾個數(shù)量級的壓降流動行為。由于結(jié)構(gòu)復雜，孔隙結(jié)構(gòu)模擬的計算成本相對較高，因此必須合理的求解。此外，與平均方程（方程2–方程 6）相比，納維-斯托克斯方程本身就更為復雜。
使用宏觀方法可以得到非常好的近似值。達西定律適用于小壓降和低速流動，而 Burke–Plummer 方程適用于大壓降和高速流動。
Forchheimer 方程可以很好地計算過渡區(qū)域。在本文的示例中，將 Forchheimer 方程與來自微觀模型的數(shù)據(jù)相擬合，以獲得 Forchheimer 參數(shù) ，該數(shù)據(jù)通常是在實驗中確定的。
本文我們從微觀和宏觀層面研究了多孔介質(zhì)中的流動，并表明了：在各自的適用領域，使用宏觀方法可以得到非常好的近似值。
多孔微通道散熱器的優(yōu)化模型就是使用 Forchheimer 方程模擬的一個工業(yè)應用例子。
在討論了通過多孔介質(zhì)的流動之后，接下來的文章我們將討論多孔介質(zhì)中的傳熱，敬請期待！
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