关键词： 非饱和孔隙介质   多尺度波至流   波传播理论  

摘要： 弹性波在非饱和孔隙介质中传播时,孔隙流体会发生宏观Biot流、微观喷射流以及由于孔隙流体不同(气、液双相)导致的介(中)观流.将非饱和孔隙介质等效为含液相孔隙流体的背景介质中嵌入含气相孔隙流体的包裹体,在非饱和双重孔隙介质模型基础上,引入微观喷射流,建立了包含宏观、微观和介观三种尺度波至流的非饱和孔隙介质波传播方程.数值分析表明该模型可以更好地预测更宽频带内的波速频散和衰减.

关键词： 多孔介质   泡破压力   有效孔径   分离   孔隙尺度  

摘要： 金属多孔网幕具有比表面积大、物理稳定性好等诸多优点,广泛应用于推进剂在轨气液分离及相变传热等领域。泡破压力是衡量其相分离性能的关键参数,可根据多孔介质的有效泡破孔径确定。然而多孔网幕的孔隙结构极其复杂,泡破孔径计算仍未有通用且高效的方法。建立了一种基于三维孔隙结构的多孔网幕泡破压力的通用型解析模型。该模型仅依赖于多孔网幕的几何结构参数,无须实验即可有效预测多孔网幕的泡破压力。模型预测结果与本文实验及文献实验中不同网幕规格、低温及常温工质数据吻合良好,平均误差仅为8%,表明该解析模型具有普适性和准确性,可为基于多孔网幕的液体获取装置的设计与性能预测提供参考。

关键词： 海陆过渡相泥页岩   分形维数   分形模型   鄂尔多斯盆地  

摘要： 为探讨页岩储层中微孔、介孔和宏孔分形特征以及当前广泛应用的各分形模型的适用性,以鄂尔多斯盆地海陆过渡相太原组页岩气储层为研究对象,通过高压压汞实验和低温氮气吸附实验测试泥页岩孔隙结构参数。利用MENGER海绵模型计算高压压汞测试结果中宏孔分形维数,Frenkel-Halsey-Hill(F-H-H)模型计算低温氮气吸附测试结果中介孔分形维数,并尝试引入Volume-Specific Surface Area(V-S)模型计算低温氮气吸附测试结果中微孔分形维数。以拟合优度R^(2)值为评价指标,与前人基于不同计算方案的结果相互论证,借此探讨不同尺度孔隙的最佳分形维数计算模型。结果表明:微孔分形维数(D_(1))介于2.0136~2.2944之间,平均为2.1132,介孔分形维数(D_(2))介于2.5793~2.7622之间,平均为2.6405,宏孔分形维数(D_(3))介于2.7863~2.9985之间,平均为2.9339。随孔径增大,分形维数值呈增大趋势,孔表面愈发粗糙。F-H-H模型和V-S模型是泥页岩中介孔和微孔分形维数的最佳计算模型,拟合优度R^(2)值大于0.99,前者R^(2)值大于0.998;MENGER海绵模型对宏孔分形维数的计算过程同样体现出了高拟合优度,但R^(2)值和稳定性明显差于前两者。研究结果对海陆过渡相页岩气储层中孔隙分形特征的研究有一定的参考意义。

关键词： 多孔吸液芯   两相流   毛细抽吸   格子Boltzmann   孔隙尺度  

摘要： 通过改进后的QSGS方法构造了三维复杂多孔吸液芯结构,采用格子Boltzmann方法和GPU并行算法,数值模拟了孔隙尺度下多孔吸液芯毛细抽吸两相传输动态特性,并探讨了表面润湿性和孔隙率对两相界面分布和毛细性能的影响。研究结果表明,对于三维复杂结构多孔吸液芯,毛细抽吸过程中两相界面不规则性、分布不均匀性程度较大,孔尺度效应显著。在一定范围内,随着多孔表面润湿性的增强,吸液芯孔隙率的降低,毛细作用相应增强,吸液芯内液体抽吸速率增加,最大吸液量逐步增大,毛细性能也随之提高。

关键词： CO_(2)毛细封存   Ostwald熟化   非均质多孔介质   传质   数值模拟  

摘要： 多孔介质内的气泡熟化行为广泛存在于CO_(2)封存等领域,为探究多孔介质内气泡的熟化特性,本文采用空气作为模拟气体,通过可视化实验和数值计算,对双孔隙和四孔隙气泡熟化过程进行了研究,阐释了多孔介质非均质性对熟化过程的影响规律。结果表明:在双孔隙气体饱和度较小情况下,虽然也发生正向熟化,但是孔隙结构的存在使熟化速率明显低于自由流体情况;四孔隙研究显示多孔介质非均质性对气泡熟化过程影响显著,由于孔隙的几何限制,气泡在某些情况下会发生逆Ostwald熟化,即生长的气泡在充满当前孔隙空间后会停止生长并反向熟化导致尺寸缩小;在非均质多孔介质中,由于熟化作用,气泡有传质到大孔隙区域趋势,导致大孔隙区域富集大气泡,存在泄漏风险,从而影响封存。

关键词： 水合物沉积物   数值模拟   渗透率   孔隙尺度   非均质分布   颗粒粒径  

摘要： 以中国南海泥质粉砂型天然气水合物沉积物为研究对象,基于有限单元数值模拟法,采用孔隙尺度模型定量分析了砂质颗粒粒径、水合物饱和度和砂质颗粒空间非均质性对水合物沉积物(HBS)渗透率演化的影响。首先,本文基于CT图像重构了含水合物沉积物均质模型,基于Darcy定律对不同砂质颗粒粒径和水合物饱和度的含水合物沉积物储层渗透率进行了定量分析;其次,构建了含水合物沉积物非均质数值模型,探讨砂质颗粒空间非均质性对渗透率演化的影响;最后,提出一种基于Tokyo模型的修正方法,并与数值模拟结果及实验数据进行拟合及验证。研究结果表明:HBS绝对渗透率与粒径呈正相关,砂质颗粒粒径下降至拐点(D_(50)=62.5μm)后,绝对渗透率急剧下降,粉砂水合物沉积物绝对渗透率是黏土水合物沉积物的962倍(S_(H)=41.1%);而HBS相对渗透率则与饱和度S_(H)呈负相关,水合物饱和度上升至拐点S_(H)=33.9%后,相对渗透率急剧下降。砂质颗粒空间非均质性会显著降低初始渗透率且导致渗透率变化对饱和度更加敏感,并成为影响Tokyo模型中指数N变化的关键要素。

关键词： 红外无损检测   孔隙尺度   多孔介质   相变过程   降噪优化  

摘要： 红外热成像技术是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术,但其目前仍存在测量精度较低、图像噪声影响较大、数据量巨大等缺点。本文利用红外热成像技术,在孔隙尺度下对多孔材料内石蜡和水的相变过程进行了表征,并对红外热成像测温精度和相界面的表征进行了优化。首先通过添加反射表面(褶皱的铝箔)获取测试过程中环境反射温度,以修正目标物体温度;同时通过引导滤波和主成分热像法(Principal component thermography,PCT)对红外热成像图片降噪,提高红外热像仪对温度场及相界面的检测精度。实验结果表明:环境反射温度修正法可以排除测试环境温度变化对红外测温结果的影响;引导滤波法选取合适的滤波半径和滤波参数后相界面轮廓更加清晰,并取得较好的降噪效果;主成分热像法除了降噪效果好,使相界面更清晰,并使处理数据量减少了4个量级。上述3种优化方法为红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用提供了技术支持。

关键词： SCR脱硝催化剂   多孔介质   孔隙率   格子Boltzmann   孔隙尺度  

摘要： 孔隙率是选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂结构的重要指标,对催化剂的脱硝效率有重要影响。根据工程依据范围创建微观孔隙尺度的SCR脱硝催化剂多孔介质模型,采用随机配置的方法,构造出8种不同孔隙率。采用格子Boltzmann方法模拟SCR催化剂表面流动及传质耦合化学反应过程,在特定烟气流速和NO原始浓度工况条件下获得多孔介质中烟气流动的速度分布和伴随流动过程发生催化还原反应的NO浓度分布,研究孔隙率对流动和脱硝效率的影响。研究结果表明:随孔隙率的增加,全场平均孔隙流速逐渐减小,出口NO平均浓度逐渐增大,脱硝率逐渐降低;孔隙率为0.748时,出口NO平均浓度最低,脱硝效率最高,此孔隙率为最佳孔隙结构。

关键词： 渗透-应力耦合   孔径分布   压缩敏感性   砂岩   渗透率演化  

摘要： 以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1μm)、中孔(0.1~lμm)、小孔(<0.1μm)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。

关键词： 碳封存   孔隙尺度   多组分反应流动   格子Boltzmann方法   线性稳定性分析  

摘要： 在二氧化碳(CO2)的地下咸水层封存中,CO2的溶解会使顶部混合溶液的密度略大于底部咸水的密度,混溶界面在重力以及地层扰动的影响下会变得不稳定,并进一步在咸水层内产生对流。这一过程极大地促进了 CO2由自由状态向溶液状态的转化,提高了封存的安全性。在该问题中,流体流动、多组分溶质传输与反应以及多孔介质孔隙结构变化等多种因素互相影响,动态耦合,相关研究面临巨大的挑战。为此,本文基于格子玻尔兹曼方程(Lattice Boltzmann Equation,LBE)方法,对CO2溶解封存中对流混合过程进行了数值研究。本文工作包含以下几个方面: (1)针对CO2溶解导致的密度驱动对流混合过程,介绍了求解不可压混溶流动过程的多松弛LBE模型,构建了能够准确实现速度和压力边界条件的精确非平衡态外推格式以及处理流固化学反应边界的局部反应边界格式。通过数值实验,验证了所发展边界格式的准确性和有效性。 (2)采用LBE模型及所发展的边界格式,在孔隙尺度上研究了 CO2溶解度对于对流混合过程的影响。结果表明:随着CO2溶解度的增大,混溶界面失稳产生的指状密度分布会变得小而密集,当溶解度足够大时,指状流动首先在缝隙中产生,并进一步发展、融合形成较大的羽流。由于达西尺度无法预测孔隙内流体的流动,当溶解度较高时,达西尺度上所预测的溶解封存速率要明显高于孔隙尺度的计算结果。 (3)采用LBE模型结合精确非平衡态外推边界格式,在孔隙尺度上研究了杂质对于对流混合过程的影响。结果表明:由于杂质组分与CO2性质不同,溶质的多重扩散会使系统密度在重力方向上形成分层结构,扩散阶段密度分布的不同会影响系统的稳定性和后续对流混合过程的发展。为了能够表征不同杂质影响下系统的稳定性及对流混合强度,本文给出了有效Rayleigh数的定义并验证了其有效性。 (4)应用线性稳定性分析和LBE方法分别在达西尺度以及孔隙尺度上对耦合了流固反应以及硫化氢(H2S)杂质的对流混合过程进行了研究。结果表明:系统的整体稳定性是重力密度不稳定和反应渗透不稳定两种机制相互竞争的结果。溶液中的CO2的反应消耗以及H2S的溶解会抑制系统的重力不稳定,而化学反应对于固体的溶解会增大渗透率从而增强系统的反应渗透不稳定。 综上所述,本文首先发展了精确非平衡态外推格式以及局部反应边界格式,并基于已构建的格式,系统地研究了 CO2溶解度、杂质气体以及流固溶解反应对系统的影响。本文的工作为研究多孔介质内反应输运过程提供了必要的手段,同时丰富了对CO2深部咸水层埋存机理的认识。