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软件X 18(2022)101097原始软件出版物MPLBM-UT:用于可渗透介质分析的哈维尔·E. Santosa,Alex Gigliottib,Abhishek Bihanib,Christopher Landryb,Marc A. Hessec,d,Michael J. Pyrczb,Maša Pyranovićb,a美利坚合众国洛斯阿拉莫斯国家实验室地球和环境科学司非线性研究和计算地球科学小组中心b美利坚合众国得克萨斯大学奥斯汀分校,石油和地球系统工程系,Hildebrandc美利坚合众国德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院d美利坚合众国得克萨斯大学奥斯汀分校奥登计算工程和科学研究所ar t i cl e i nf o文章历史记录:2021年10月1日收到收到修订版,2022年4月4日接受,2022年关键词:多相单相相对渗透率格子玻尔兹曼多孔介质数字岩石物理a b st ra ctMPLBM-UT是一个专门的格子玻尔兹曼库,使每个人都可以在多孔介质中运行单相和两相流模拟。我们提供了一套工具来预处理模拟计算域,设置自定义边界条件,运行模拟,对仿真输出进行后处理,并可视化仿真结果和数据。所有这些工具用户可以通过MPLBM-UT中包含并随MPLBM-UT自动安装的mplbm_utils Python包轻松访问。高性能、高度并行的Palabos库用作求解器后端。MPLBM-UT可以轻松部署在各种系统中,从笔记本电脑到超级计算机集群。MPLBM-UT还具有多个示例和基准模板,允许快速原型制作不同的多孔介质问题。我们还提供了一个接口,用于从Digital Rocks Portal读取不同的文件类型和下载域以执行模拟。©2022作者(S)。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00184法律代码许可证GNU通用公共许可证第3使用git的代码版本控制系统使用C++、Bash、Python的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性Unix/Linux系统,Python 3.6+,MPI,GCC(或其他C++编译器)问题支持电子邮件alex. utexas.edu1. 动机和意义流体在多孔介质中的流动问题在自然界和工业应用中普遍存在。地下应用包括油气开采[1]、CO2分离[2]和地下水含水层开采[3].此外,还有自然发生的例子,包括盐水通过岩盐的渗透[4],冰雪融化通过冰川的渗透[5对于工业应用,电池[13]、纤维[14]、过滤器,甚至咖啡制作[15]都存在涉及流体流过多孔材料的挑战。为了预测,设计,描述,*通讯作者。电子邮件地址:masha@utexas.edu(M. Ananović)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101097理解或放大涉及流体流过多孔介质的问题,重要的是描述和量化不同流体如何流过这些复杂材料并在其中相互作用。可以使用不同的实验和数值方法来估计给定多孔材料样品的输运性质。首先,实验室测量可以通过特殊的岩心分析测量提供典型厘米级样品的整体流动特性,例如渗透率和相对渗透率[16]。微观模型实验提供了准二维(2D)透明多孔介质中微观现象[ 17 ]《明史》卷17。三维观测例如,使用X射线显微断层摄影术,尽管在某种程度上能力有限,2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx哈维尔·E.Santos,Alex Gigliotti,Abhishek Bihani等.软件X 18(2022)1010972阿阿观察动态现象或反应流[18]。用于描述样品的流动性质的另一途径是通过布雷夫t+v布拉夫+F=(f)Coll(一)使用已公布的函数关系,估计这些根据拟合参数,说明几何描述,ChanggeinPDFDiffusionExternal部队Comartisiomartisiemartismtors(即,孔隙率、弯曲度、孔径分布)。虽然这些方法实现起来很快,但它们不能提供准确的其中f是本体分子的概率密度函数,x是位置矢量,v是分子速度,F是外部导致复杂结构域的存在。接下来,有几种数值模拟方法可以力矢量,t是时间,(Δf)Coll是分子碰撞在孔隙尺度上再现流体流动物理学。其中,直接模拟方法是有吸引力的,因为它们解决了所需的偏微分方程在现实的领域,这给用户的流体如何相互作用的快照与他们自己和介质。在直接模拟方法中,有几种方法经常用于从3D图像中获得流动特性:有限体积法[19,20],光滑粒子流体动力学[21,22],有限元法[23]和晶格玻尔兹曼方法(LBM)[19,20,24,25]。这些模拟方法提供了流体如何通过复杂几何形状流动的精确图像,分辨率为微米级,甚至更小;随着计算性能的进步,实际上可以模拟更大的域。在列出的选项中,LBM通常被选择,因为其模拟通过复杂几何形状(如多孔材料)的流动的能力经过充分测试[26]。LBM可以构建为基于最小假设进行操作,并且非常适合对复杂材料中的流体进行建模,而无需简化几何形状。对于多孔介质中的直接流动模拟,通常term.从概念上讲,Eq. (1)对具有特定位置和速度(或动量)的分子随时间经受分子扩散、外力和分子碰撞的概率进行建模。LBM依赖于玻尔兹曼方程的概率密度函数(PDF)来表示模拟域中的流体;域的每个节点托管由PDF表示的流体粒子,这些流体粒子在其邻域中传播并相互作用,LBM的实现方式。从PDF,宏观特性,如密度和速度,可以计算。 对于单相流模拟,用户可以选择Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)碰撞项[33]或多松弛时间(MRT)碰撞项[34,35]。对于两相流模拟,MPLBM-UT使用Shan-Chen LBM框架。Shan-Chen模型[36,37]从玻尔兹曼方程开始(最初没有外力)。接下来,玻尔兹曼方程用BGK碰撞项离散化,并且每个流体相由两个单独的概率密度函数表示:1使用真实样品的3D图像作为输入几何形状。数字岩石物理学指的是一系列技术,fσ,i(x,t)−fσ,i(x+eit,t+t)=τ(fσ,i(x,t)−f(x,t))(2)O多孔材料几何形状的微观描述,用于模拟感兴趣的不同物理现象。通过3D成像技术和对数字岩石物理学的理解,可以从真实样品中创建模拟输入几何形状用于创建数字样本的传统工作流程从使用X射线扫描仪来产生真实样本的灰度体积然后,对灰度体积进行分割以产生二值图像。这些图像处理方法的综述见[18]。该二进制图像指示孔隙和固体体素的位置,然后可以用作模拟的输入。对于不同类型的模拟,例如有限体积或有限元方法,可能需要进一步处理还值得注意的是,上述工作流程可以应用或修改以研究许多不同类型的多孔材料,包括在上述应用领域中描述的那些。在数字岩石门户网站上也可以找到各种各样的数字岩石样本[27]。对于MPLBM-UT [28],我们选择专注于实施LBM模拟工作流程,因为它在多孔介质中已被证明是成功的,它的灵活性,并行化的能力,以及它轻松使用数字岩石图像作为输入的能力[3,29]。LBM首先被提出[30]作为格子气体自动机的替代[31],以研究玻尔兹曼方程的流体动力学性质。简而言之,LBM在均匀网格上求解Boltzmann方程的修改版本,并且LBM公式近似Navier-Stokes(NS)方程[32]。LBM特别突出的问题,解决NS方程变得麻烦,如在通过复杂的几何形状,湍流,大克努森数流量等,由于LBM不需要解决复杂的系统,并在一个统一的网格离散化,实现相对简单,很容易并行化。流体流动的数学描述是由NS方程给出的,在复杂的几何形状中近似NS实际上是一项具有挑战性的任务。然而,LBM能够通过其动力学理论公式来近似解。根据动力学理论,玻尔兹曼方程可以被看作NS方程的分子尺度模拟。下面是玻尔兹曼方程:其中σ表示哪个流体相,i表示晶格方向,x表示晶格上的位置,t表示时间,e表示速度,τ表示特征弛豫时间。此外,MPLBM-UT通过包括流体-流体和流体-固体相互作用以及代表分子力的附加项来增加使用这些附加参数,可以设置界面张力和接触角值[38]。采用Shan-Chen模型,可以得到流动特性、毛管压力和相对渗透率曲线。我们使用Palabos平台[39]作为我们的LBM后端。Palabos是用C++编写的,基于MPI进行并行执行,并使用C++模板和面向对象的多态形式来支持广泛的LBM模型,同时表现出高计算性能。目前,我们的库支持三种主要的模拟设置:单相流:渗透率和优先路径评估非稳态多相流:排渗和吸渗,毛管压力曲线,非稳态相对渗透率稳态多相流:相对渗透率、接触角研究我 们 的 多 相 模 型 已 使 用 Young-Laplace 方 程 [ 41 , 42 ] 、Washburn方程[ 43 ]和Brookes-Corey相对渗透率模型[ 44 ]的分析解进行了广泛验证[40]这三个捕获最重要的微观尺度物理在多相多孔介质流。MPLBM-UT库的主要目标如下:为LBM设置和模拟提供用户友好的方法,提供模拟方法以帮助理解表面润湿现象为定性和定量解释σ,i······哈维尔·E.Santos,Alex Gigliotti,Abhishek Bihani等.软件X 18(2022)1010973帮助建立参数扫描以开发更好的构造关系(即,相对渗透率)到高档孔隙尺度过程帮助创建大量数据来训练机器学习模型[45,46]。2. 软件描述MPLBM-UT库分为四个主要组件:输入解析和域构造、仿真、仿真结果处理和可视化。 每个组件将在下面的小节中进行详细说明,并在图中详细说明。1.一、MPLBM-UT库及其所有核心组件都是通过一行代码(bash脚本)安装的,与用户我们已经在笔记本电脑(Unix,Mac和Windows的Linux子系统),工作站和机构超级计算机集群上测试了MPLBM-UT为了提供对核心组件的 快速 和轻 松的 访问 , MPLBM-UT 库 被统 一在mplbm_utilsPython包下,该包包含在库中并自动安装。2.1. 软件功能MPLBM-UT可以执行稳态和非稳态流模拟。单相流采用BGK和MRT模型为了进行流量模拟,MPLBM-UT包含以下功能:几何读取、清洁和预处理单相和多相模拟设置,用于多孔介质问题中的各种边界条件• 输出读取和后处理此外,MPLBM-UT还包含执行以下功能的工具:• 毛管压力-饱和度动态计算• 绝对和相对渗透率计算和绘图• 渗流路径分析• 接触角研究表1Fig. 1. MPLBM-UT仿真工作流程。• 流动模拟输出的可视化和动画第3节中的说明性示例显示了具有上述工具和功能的常用工作流程。2.2. 软件构架输入。流程模拟过程的第一步是导入二进制图像并对其进行优化以进行模拟。如表1中所详述的,tiff、raw、png、hdf5、csv和txt格式的用户提供的几何形状此外,存储在数字岩石门户网站中的几何图形可以通过界面下载[47]。在加载域之后,去除图像中的不连通区域,并且确保在感兴趣的流动方向上的渗流。也可以使用PoreSpy [48]排水模拟来创建初始两相流体配置PoreSpy的排水模拟对于初始化稳态模拟特别有用,通常可减少模拟运行时间。最后,二进制图像被转换为具有三个标签的图像:孔隙空间(或润湿流体)、非润湿流体、回弹边界和内部固体。由于许多多孔材料的孔隙率范围为10%至35%,因此使用这些标签进行预处理可以实现计算效率更高的模拟域。允许的输入文件格式。输入格式文件内容.txt/.csv球坐标.tiff/.png堆栈2D横截面.raw/.h5 3D图像Digital Rock Portal url下载的文件仿真处理完输入几何图形后,必须创建单相和/或两相仿真的输入文件。MPLBM-UT examples目录中提供了各种示例输入文件对于单相和两相模拟,域大小、输出方向、流体边界条件、收敛标准和输出数据都需要指定。对于单相模拟,还可以选择所施加的流体压力特别是对于两相流,必须在输入文件中指出以下内容:每个流体相的初始位置、界面张力、润湿力、流体密度和指定的压力或恒定力边界条件。如果使用压力边界条件,则需要侵入的最小内接球半径和模拟的压力阶跃(点)数;该数据转换为压力和等效密度差,····哈维尔·E.Santos,Alex Gigliotti,Abhishek Bihani等.软件X 18(2022)1010974图二. 非稳态仿真原理图。密码如果使用恒定的力,则需要对每种流体施加的力。生成输入文件后,用户可以运行单相模拟或两相Shan-Chen模拟。当运行单相模拟时,这是获得绝对渗透率和速度数据的最后一步。对于两相模拟,在Shan-Chen模拟完成后需要额外的后处理步骤,以获得相对渗透率数据。此步骤涉及完成两项任务:第一项任务是从Shan-Chen模拟中获取生成的流体密度配置文件,并将每个流体相分离为两个不同的文件,每个流体相对应一个文件;第二项任务是将每个分离的流体配置文件转换为有效的几何体,如“输入”部分所述。一旦处理了各个流体相配置文件,就可以在每个文件上完成单相模拟,首先,使用原始几何形状的单相渗透率模拟来获得绝对渗透率。然后,使用每个分离的流体配置文件进行单相渗透率模拟,以获得有效渗透率。相对渗透率可以计算为有效渗透率与绝对渗透率的比值这两个任务和计算已经通过MPLBM-UT中包含的脚本自动化。想象力。3D可视化本身就是一项具有挑战性的任务,在多孔介质中更具挑战性。为了帮助应对这一挑战,为MPLBM-UT开发了可视化工具。默认情况下,Palabos输出包含3D密度和速度数据的VTK文件。这些VTK文件可以使用各种软件包(如Paraview或Visit)进行可视化,但为了最大限度地提高灵活性,使用PyVista[49]和Vedo [50]模块创建Python脚本,用于密度配置文件的等值面可视化同样的可视化脚本也用于从屏幕截图创建动画。此外,还创建了绘图脚本,以帮助快速可视化毛管压力和相对渗透率曲线。3. 说明性实例3.1. 球包内非稳态两相流本示例的目的是说明使用MPLBM-UT的两阶段Shan-Chen仿真的工作流程具体而言,使用非稳态流动模拟来模拟使用球体包的排水测试。首先,选择来自Digital Rocks Por- tal [51]的Finney Packingof Spheres作为输入几何。之所以选择这种几何形状,是因为球包已得到充分研究,并且结果易于验证。通过用润湿流体完全饱和孔隙空间来设置排水测试,然后注入非润湿流体以测量毛细管压力和相对渗透率(该设置如图2所示)。还假设在该模拟中润湿相完全润湿晶粒。第二步,配置MPLBM-UT的输入文件以反映上述设置。一旦模拟结果完成,MPLBM-UT中包含的绘图实用程序用于绘制毛细管压力和相对渗透率数据。此外,使用可视化脚本创建了两相流模拟的动画。动画包含在补充材料中。模拟结果显示了预期的稳定性[52,53]。参见图3,非润湿流体的基本均匀的前沿置换润湿流体,直到达到残余润湿相饱和。这反映在图1所示的毛细管压力和相对渗透率曲线中。3也是。更多的例子和数值验证可以在MPLBM-UT examples目录中找到。4. 影响和结论MPLBM-UT库提供了一个易于访问的界面,专门用于多孔介质研究,同时还利用Palabos最先进的在Palabos之上构建还允许高效的并行化,并且模拟可以在任何地方运行,从单核系统到Peta规模的集群[54]。MPLBM-UT的主要特点是用户不必熟悉C++中的Palabos类或数据描述符就可以安装代码或运行模拟。安装MPLBM-UT很简单:只需要一行代码。与其他开源的直接模拟和LBM软件相比,这是更用户友好的。此外,最常见的模拟案例已作为示例提供,因此主要修改将来自修改示例输入文件中的值MPLBM-UT还提供额外的2D、3D和4D可视化工具,以帮助执行额外的仿真分析。总的来说,MPLBM-UT增加了一个灵活的LBM仿真工具,可以很容易地使用和定制,而无需深入了解先进的计算工具和编码。哈维尔·E.Santos,Alex Gigliotti,Abhishek Bihani等.软件X 18(2022)1010975图三. 图像(a)-(f)是来自球包LBM模拟的帧。润湿相用蓝色表示,非润湿相用红色表示。左上图(a)是模拟初始条件,右下图(f)是模拟结束点。标签也显示在毛细管压力曲线上在相应的饱和值。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作致谢J.E.S感谢美国能源部通过LANL/LDRD计划和非线性研究中心对这项工作的支持。作者感谢奥登计算工程与科学研究所以及德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心(TACC)提供的高性能计算资源,这些资源为本文中报告的研究结果做出了贡献A.G.,M.P. 和M.A.H也想感谢来自NASA-EW赠款80 NSSC 19K 0505的资金附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101097上找到。引用[1] 放大图片作者:Jiang R,Jiang M. 润湿性不均匀条件下粘土中水吸附及甲烷运 移 的 孔 隙 尺 度 研 究 。 2020 年 , 数 字 岩 石 门 户 网 站http://dx.doi.org/10.17612/EV4G-KX65。网址https://www.digitalrocksportal.org/projects/276/。[2]Guiltinan E,Estrada Santos J,Kang Q,Cardenas B,Espinoza DN.粗糙度和润湿性可变的裂缝。2020年,数字岩石门户网站。网址://dx.doi.org/10.17612/P522-CC94网站。314https://www.digitalrocksportal.org/第314章.[3]Pan C,Hilpert M,Miller CT.多孔介质两相流的格子Boltzmann模拟水资源研究2004;40(1). http://dx.doi.org/10的网站。1029/2003WR002120,URLhttp://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10。1029/2003WR002120。[4]Ghanbarzadeh S,Hesse MA,Kazanović M,Gardner 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