利用孔隙尺度结构研究宏观土壤特性:Simpleware基于图像的孔隙弹性结构建模

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概述 重型机械造成的土壤压实会对土壤水力特性产生不利影响,并可能产生持续超过 15 年的影响。理解土壤力学性能的一个关键挑战是土壤本质上是多尺度的,其宏观孔隙弹性性能依赖于微观结构的精确细节。将这种微观尺度建模与宏观尺度联系起来是一个重要的挑战。 本项目采用均质化理论推导的由三个不同相组成的土壤孔隙弹性特性平均宏观模型,生成的方程通过一组在代表性几何上求解的单元问题进行参数化,可应用于大型结构变形的情况。同时还展示了如何利用结合 x 射线计算机断层扫描(X-CT)和基于图像建模的方法,比较不同初始条件下水分含量和压实对土壤宏观结构特性的影响。 亮点 推导由三个不同相组成的土壤孔隙弹性特性平均宏观模型在 Simpleware 软件中处理土壤图像并生成网格模型采用基于图像数据建模的方法研究不同初始条件下水分含量和压实对土壤宏观结构特性的影响为设计和优化土壤或其他多孔结构提供了新的见解 图像获取 土壤是在北威尔士某处地表收集的砂质饱和始成土,初筛至 5 mm 以下,在 23℃ 左右风干 2 天,然后再过筛至 0.6-1.18 mm。选取三种不同土壤条件的六个重复试样,共计 18 个样品。三种土壤分别是:高含水量的疏松土、高含水量的机械固结土和低含水量的机械固结土。采用瑞士同步辐射光源(SLS, Swiss Light Source)的 TOMCAT 光束线和 19 kV 单色光束条件对土壤进行扫描。 将扫描后的图像数据导入 Simpleware 软件,通过阈值工具分割出土壤中不同的相:固体矿物颗粒相、混合相(粘土颗粒和水)和充满空气的孔隙空间,应用分水岭算法分离粘连颗粒。 图1:不同土壤的原始CT图像和对应在Simpleware软件中的分割结果 平均模型 研究人员推导出土壤变形的平均孔隙弹性模型,可以从将 X-CT 获得的数据与土壤的宏观性质联系起来。步骤为:(1)对所涉及的相形成完整的微观描述;(2)推导没有明确考虑底层土壤几何形状每个细节的平均方程,参数通过具有代表性的土壤结构得出;(3)计算平均时考虑了微观和宏观尺度的压力和位移梯度。 图2:宏观尺度应变梯度引起的土体剪切变形示意图。箭头表示位移方向和相对大小,红色对应较大位移,蓝色对应较小位移。(a-c)为单个周期单元的位移;(d-f)四分之一结构的等效问题,即对称性降低;(a)和(d)是宏观位移;(b)和(e)是微观位移;(c)和(f)是总位移。 网格划分和模拟 在 Simpleware FE 模块直接对图像处理后的模型进行网格划分,采用的 FE-Free 算法可以最大限度地通过参数控制网格单元,同时最小化内存需求。为确保计算域包含足够大的体积代表土壤结构,考虑了一系列不同体积的网格。具体来说是边长为 100-400 的体素网格,对应为总边长为 0.16 mm 的最小网格和 0.64 mm […]

利用多孔介质和数字岩石研究孔隙尺度流动模拟的参考和基准

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概述 数字岩石物理(DRP)是一种快速发展的多学科工具,可用于计算岩石性质(如孔隙率、渗透率、地层因子、I-Sw 曲线、毛细管压力曲线和相对渗透率),并采用高分辨率图像(如 x 射线计算机断层扫描、扫描电子显微镜)表征微观结构。 在某些情况下,DRP 可以起到补充作用,取代实验室中相对缓慢且昂贵的测量和根据经验趋势获得模型的需求。此外,将岩心柱上的 DRP 工作流程与同一柱体上的物理测量相结合,可以在更大长度范围内实现更可靠、更详尽的地层评估和表征。本研究对包含理想化和异质化的不同微观结构进行图像处理,利用多种不同数值模拟方式计算渗透率并对结果进行比较。 图1:典型的 DRP 工作流程 亮点 采用 36 个包含理想化和异质化的微观结构使用 12 种不同的数值模拟方式计算渗透率对于比较各种数值模拟的速度和精度具有重要参考意义 理想化微观结构和数字岩石 在这项研究中,使用 36 个微观组织生成绝对(单相)不可压缩渗透率的数值参考,其中包含一组具有不同横截面形状、直径(固定值及其正弦变化)的管道结构,5个 2D 岩石结构,1 个球体填充结构和 5 个由 micro-CT 扫描获得的数字化 3D 岩石结构。这些结构的孔隙空间复杂程度不等,除球体填充 Sp.pa. 外,其余结构均为 10243 体素。选择这些样本是因为它们涵盖了可能遇到的组合和纹理的范围。 表1:微观结构名称、孔隙率、图像和体素大小 2D 管道:12 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面管道,截面形状分别为不同尺寸的圆、正方形、三角形、六角形;2D 正弦管道:12 个由以上形状沿流动方向呈正弦变化的三维结构; 图2:4 种不同的截面形状 图3:横截面为圆形及其沿流动方向正弦变化的三维结构图示 2D 混合:1 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面,截面为 4 个直径不同的圆形; 图4 2D 岩石:5 个由二维岩石结构沿流动方向延伸得到的三维结构; 图5 球体填充:1 个在 x、y、z 方向上都是一组相同球体的三维结构;3D 岩石:5 个硅质碎屑岩的三维数字岩石,分别来自 Berea(Rock 1 和 Rock […]

数字岩石:多孔介质中的多相流模型

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概述 数字岩石技术是基于孔隙尺度多相流的高端模拟,是分析评价枯竭井和生产井过程中的关键组成部分。数字岩石技术有助于优化原油产量,利用水、天然气、蒸汽、化学品或二氧化碳提高石油采收率。数字岩石密集的模拟关键成果包括相对渗透率、饱和度和润湿性。 开展这种高端模拟面临两方面的挑战:(1)清晰的多孔介质数字化;(2)在曲折的微尺度(10-40微米)岩石图案中求解多相流方程,考虑在非常低的毛细数流动条件(Ca~0.001-0.0001)下的润湿性。 亮点 数字岩石方法能够同时优化一次采油量和提高石油采收率(EOR) Simpleware软件能够从岩石样品的二维图像生成可用于模拟的网格模型 Pöyry公司的TransAT ©CFD软件可研究孔隙尺度的多相流动 砂岩样品的概念验证工作流程展示了该方法的高效 本次互补技术的协作为表征多孔介质开辟了新的可能性 概念验证工作流程 Simpleware软件基于数百万像素岩石样品数字化的独特网格划分技术与Pöyry公司的TransAT CFD相结合,成为专门针对毛细力驱动多流体流动的强大CFD工具。 此案例是关于石油经过Berea砂岩的流动研究。这个例子是作为前期的概念验证,带着这些想法,之后的工作内容和协作是为多相岩石的分割研究更多样的地质样本。该项目的工作流程如下: Simpleware网格划分工具为描述孔隙提供质量非常高的STL文件 然后将STL文件上传至TransAT 用户界面读取 Simpleware软件中的图像处理和STL文件导出 这个过程涉及将2D图像堆叠导入Simpleware ScanIP,之后使用中值滤波器去除图像噪声。利用软件的图像处理工具将数据裁剪成子样本,使用阈值工具选择孔隙,去除岛状物然后创建一个单一的连通区域,导出一个孔隙分割后严密的STL文件。 TransAT中的多相流模拟 利用IST网格技术,TransAT基于Simpleware的STL文件重构了CFD网格。在Pöyry HPC集群下运行TransAT多相混合模型的流动条件是: Berea砂岩,孔隙尺度~10微米 油气两相渗流,毛细数 = 0.001 网格大小 30 μm 网格 1283 入口流速 = 1 m/s 密度 = 1000 kg/m3 粘度 = 1 cP 使用Simpleware网格的TransAT模拟结果在下图中呈现,描述了沿岩石扫描方向压力场和油气前缘传播。这些结果与Simpleware软件的分析结果一致,即通过Simpleware FE模块进行网格划分,并由Simpleware FLOW模块计算绝对渗透率张量。 图:利用TransAT CFD得到在岩石孔隙中的油气前缘传播 结论 Simpleware软件和Pöyry AMS的联合工作流程展示了一种快速、准确的多孔介质建模和多相模拟方法的优点。值得注意的是此处讨论的Berea砂岩这一特殊案例,展示了深入了解油流的组合解决方案。鉴于这些工作流在石油生产和采油方面的巨大价值,这种高效的方法使得模拟孔隙尺度的多相流方法更易于在工业中应用。 更多信息 英文原文、致谢等信息请参考:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/fluid-flow.html  

Simpleware 在数字岩石物理中的应用

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3D 图像处理和网格化软件 Simpleware 为数字岩石物理和岩石分型提供解决方案。使用 Simpleware 这款全面的 3D 图像处理软件,可轻松可视化、分割并量化扫描数据(CT、micro-CT、FIB-SEM……)。利用软件强大的网格化工具进行多孔介质分析和虚拟特殊岩心分析,导出多域模型至 FE 和 CFD 求解器。也可用于计算扫描样本的有效材料性质。 处理和量化图像数据 Simpleware能够可视化、分割图像并生成测量和统计数据,轻松表征扫描样本。 检查扫描图像的内部特征 使用转折点工具轻松分割并分析不同微粒 使用半自动分割工具识别目标区域(ROIs) 测量获得统计数据(孔隙率、裂纹、晶粒取向……) 导出用于 FE 和 CFD 的模型 使用 Simpleware 软件专利 FE 和 CFD 网格划分算法生成可用于 FE 和 CFD 求解器的仿真模型。 网格具有一致界面和共享节点 定义 FE 接触面、节点集和壳体 定义 CFD 边界条件 针对特定指标优化网格质量 直接导出至主流 FE 和 CFD 求解器 计算有效材料性质 这些模块 Simpleware SOLID(静态弹性性质)、Simpleware FLOW 模块(绝对渗透率)和Simpleware LAPLACE 模块(电导率/热导率、分子扩散率)可用于计算有效材料性质。通过软件易于使用的工作流程,量化扫描的岩石样本。 […]