شبيه‌سازي عددي نفوذ جريان مايع در يك جسم متخلخل به روش شبكه بولتزمن‌

Numerical simulation of fluid flow penetration through porous medium using Lattice Boltzmann method

در اين پژوهش با استفاده از روش شبكه بولتزمن جريان دو فاز در محيط متخلخل مورد مطالعه قرار گرفته است. يافتن آرايش بهينه براي محيط‌هاي متخلخل با نسبت تخلخل غيريكسان در سرتاسر محيط براي كم كردن ميزان دبي نشتي و نفوذ سيال از اهداف اين پژوهش است. روش انتخاب شده براي حل مسئله، روش عدديِ مزوسكوپيكِ شبكه بولتزمن بر روي يك شبكه‌ي D2Q9 مي‌باشد. براي ارزيابي كد فرترن مورد استفاده در شبيه‌سازي ها، ابتدا جريان دو فاز در كانال با سطح آب گريز و آب دوست و سپس قرارگيري قطره بر روي سطح با آبدوستي و آبگريزي هاي متفاوت شبيه‌سازي شده است. در ادامه ميزان نفوذ سيال در محيط متخلخل با آرايش متفاوت بررسي شده و سپس ميزان نفوذ سيال در محيط‌هاي متخلخل با جنس‌هاي متفاوت از نظر آب‌دوستي و آب‌گريزي مورد مطالعه قرار گرفته است. در انتها نيز ميزان دبي نشتي هر يك از محيط هاي متخلخل با آرايش متفاوت بررسي شده است. نتايج حاكي از آن است كه ايجاد محيط متخلخل تركيبي (از دو محيط با نسبت تخلخل‌هاي متفاوت) به نحويكه محيط با تخلخل پايين در قسمت زيرين قرار گيرد، از حيث كاهش نفوذ و نشتي بهينه خواهد بود. همچنين با آب‌دوست كردن سطح، نفوذ سيال درون محيط متخلخل نسبت به حالت آب‌گريز كند‌تر اتفاق مي‌افتد.

In the present study, modeling of two-phase flow through porous medium is performed by Lattice Boltzmann method; moreover, the porous medium with different porosity ratios is examined. The Shan–Chen-type (SC) multiphase lattice Boltzmann model at D2Q9 network is used to simulate the two phase flow. To validate the used Fortran code in the simulations, first, two-phase flow in channel with hydrophobic and hydrophilic surfaces, and then a droplet on the surface with different hydrophilic and hydrophobic surfaces are simulated. Achieving optimized array of porous medium which reduces the leakage flow rate and fluid penetration was the primary aim of our study. To achieve the mentioned purpose, first, the flow penetration through different porous medium arrays is compared.Then, effect of hydrophobicity on penetration is studied. Finally, the leakage flow rate of various arrays is investigated. The results indicate that utilizing a combined porous medium can drastically reduce the penetration and leakage. This optimized configuration has lower porosity in the underneath part. Also, the result shows when the surface is hydrophobic, the penetration of fluid through the porous medium is slower, compared with the hydrophilic surface.