用于多孔介质的格子-玻尔兹曼方法：超过1亿 GPU 小时

为什么微小岩隙很重要

当我们在地下存储能量、捕集二氧化碳或运行燃料电池时，两种不同流体在岩石微小孔隙中的相互穿行方式可能决定技术成败。然而，在真实岩石中直接观察这些流体运动既缓慢又昂贵。本文提供了一个巨大的开放计算模拟数据集，作为次优但可行的替代：利用超过1亿小时的图形处理器时间，重现了水与类油流体在真实岩样中相互挤压穿过的过程。其结果是一个共享资源，任何研究者都可以用来检验地下流动的想法，而无需自己的粒子加速器或超级计算机。

在数字岩石中探索流体运动

作者把重点放在“两相流”上，即两种不混溶的流体（例如水和油）共同穿过岩石孔隙迷宫的情况。工程师关注的一个关键量是相对渗透率，它表明在另一种流体存在时每种流体的流动难易程度。通常，完整测量每个岩样与每组条件需数周仔细的实验室工作。替代方案是，团队使用专门的模拟软件包 LBPM，直接在真实岩石的三维影像上计算流动。这些数字岩石来自砂岩和烧结玻璃的 X 射线微断层扫描，捕捉到孔隙在几微米尺度上的真实形状与尺度。

一次大规模的虚拟实验

在如此精细尺度上运行逼真模拟仍然代价高昂。团队利用成千上万 GPU 的高性能计算机，扫过在实验室里难以实现的条件。他们改变了岩石表面对两种流体的偏好（润湿性）以及推动流体的驱动力（用毛细数表示）。针对四种不同的多孔材料，他们执行了模仿油气行业标准岩心驱替实验的“稳态”和“非稳态”流动方案。总共生成了50条完整的相对渗透率曲线和超过25,000种不同的流体构型。

看到形态，而非仅仅平均值

除了平均流速外，这些模拟还随时间追踪流体的详细形态与连通性——这是实验难以在大尺度上获取的信息。LBPM 将连通的流动通道与孤立的团块（有时称为群落）分离开来，并测量它们的体积、表面积、曲率、连通性、压力与运动。这些量在每个模拟步长中记录到简单的文本表格中，便于用户重建被困口袋如何形成、断裂、重连或缓慢排出。通过比较不同岩型和润湿模式，数据集揭示了表面偏好微小变化如何改变流体的滞留位置及其流动难易，从而帮助解释实验室测量中观察到的趋势。

关于润湿岩石与被困流体的教训

作者通过检验已知模式来验证其模拟的合理性。例如，随着岩石愈发亲油，水冲洗后残留的油量往往减少，这与既往实验一致。在一些亲水且窄喉道分辨较差的情况下，模拟表现出非湿流体的早期断裂和异常平坦的流动曲线，说明成像分辨率会误导结果。在孔隙分辨更好的其他岩石中，随着润湿性变化流动曲线的移动与早期实验研究相符。连通性度量证实，在某些中间条件下两种流体均保持高度互联，这对应于复杂界面形态和长寿命被困簇聚的状态。

为未来工作提供共享基础

简言之，本文提供了一张详尽的地图，描述了两种流体在各种条件下如何共享岩石内的微小空间，所有内容都以可复用的数据编码保存。模拟已与先进的 X 射线成像实验相互校验，并按便于他人计算新汇总曲线、训练机器学习模型或检验关于孔隙尺度细节如何汇聚成大尺度流动的新理论的方式组织。对地下碳封存、氢气存储、地下水修复或燃料电池组件等领域的研究者而言，这一开放数据集提供了强大的捷径：他们无需从头开始建设，而可以直接建立在这超过1亿 GPU 小时的精心策划的数字实验之上。

引用: Armstrong, R.T., Tavakkoli, O., Da Wang, Y. et al. Lattice-Boltzmann for Porous Media: 100M⁺ GPU Hours. Sci Data 13, 697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06823-1

关键词: 多孔介质, 两相流, 数字岩心, 格子玻尔兹曼, 相对渗透率