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《中国科学技术大学》 2011年
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多孔介质三维重建及流体动画模拟

宋波  
【摘要】:许多工业应用都涉及多孔介质内流体运动的问题,比如低渗透和特低渗透油气田开发、地下水的利用、煤气层的开采、以及金属材料的制备等等。建立一套软件,能够精确地对多孔介质进行三维重建,并在此基础上抽取介质内的孔隙网络,动画模拟流体在介质孔隙内的流动,不仅可以帮助人们通过计算机实验快速方便地确定多孔介质相关物理参数,而且对于研究多孔介质空间结构对孔隙流的影响也有非常大的帮助。无论从实际应用还是理论研究上来讲,该课题都有非常重要的研究价值。本文要做的工作就是基于一系列多孔介质的断层切片图像重建其三维空间结构并动画模拟多孔介质内流体流动。 本文主要的研究内容及成果如下: 1、介绍和分析多孔介质三维重建及流体动画模拟的研究现状。 2、采用三维图像法重建多孔介质空间结构。针对扫描仪器的成像特点,对获得的断层切片图像采用一系列的图像处理方法进行背景去除和噪声过滤,并结合多孔介质的相关知识,对断层切片图像内的轮廓线进行扩展容纳表面孔隙,识别固体骨架和孔隙空间,提取介质内有效孔隙网络。 3、断层切片的间距有可能大于断层切片内像素的间距,为了避免由此造成的压缩现象,本文在介绍已有插值算法基础上,采用基于灰度值和基于轮廓的插值方法获取夹层图像,并且针对轮廓提取的问题,结合多孔介质的断层切片图像特点,提出了基于双向扫描线的提取算法。 4、基于Marching cube(MC)算法对断层切片图像构成的三维数据场进行绘制。由于多孔介质的孔隙表面结构复杂,为了加快MC算法的运行速度,本文提出了基于区域划分技术对MC算法进行改进,获得了理想的运行速度。 5、介绍了SPH算法的基本理论,并针对其中邻居粒子查找问题,提出了基于坐标系变换的计算域划分方案,优化了查找效率,最后通过一个算例验证了新方案的有效性。 6、针对原有固壁边界处理方法不能够很好适应复杂边界条件的问题,本文提出了基于粒子和多边形边界交互的固壁边界面处理方法。通过模拟兔型复杂容器内的水流流动验证了方法的有效性,同时也模拟了经典溃坝流问题,经过与原有边界处理方法结果的数值比较,验证了新方法的数值正确性。 7、模拟了单个孔隙网络内的孔隙流和和多孔介质渗流,分析多孔介质空间结构对孔隙流和渗流的影响。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP391.41

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