关键词： 低共熔溶剂   非水系液流电池   孔隙尺度   多孔电极   格子玻尔兹曼方法  

摘要： 间接性的可再生能源如太阳能、风能等在大规模直接并网利用中会存在能量输出不稳定的问题,因此发展高效的储能系统可保障可再生能源的合理利用。近年来,液流电池由于安全性好、能量效率高等优势被视为一种极具发展潜力的大规模储能技术。其中部分水系电解液液流电池目前已进入商业化发展阶段,但由于水的电化学窗口窄导致该类电池无法实现更高能量密度。因此,发展高效的非水系电解液液流电池是目前的研究热点之一。低共熔溶剂（Deep eutectic solvent,DES）是一种具有发展前景的非水系电解液,其具备电化学窗口宽、易生物降解等优势。目前基于DES的非水系液流电池尚处于研究的起始阶段,电极作为核心部件限制着非水系液流电池的发展。本文以电池中运用较广泛的碳基电极为研究对象,通过对其进行表面修饰和结构优化设计,旨在获得高性能的电极以改善DES液流电池性能。同时,本文也利用数值模拟从孔隙尺度探究了多孔电极内部的反应传输特性,为发展高效的非水系液流电池提供理论基础和技术途径。具体研究内容如下:1.利用浸渍与高温煅烧相结合的方法在石墨毡表面引入Cr2O3纳米颗粒进行修饰,对修饰后的石墨毡电极进行物理表征和电化学测试。结果表明,与空白石墨毡相比,Cr2O3的修饰显著改善了电极的亲水性且增加了高效活性位点。同时,修饰改性后的电极对Fe（II）/Fe（III）和V（II）/V（III）氧化还原电对也具有较高的电催化活性。此外,将修饰后的电极用于铁钒DES液流电池的测试,实验结果表明,该电池的能量效率在2 m A·cm-2的电流密度下达到了87.19%,且峰值功率密度为11.22 m W·cm-2,相比于未修饰的电极其能量效率和峰值功率密度分别提升了7.67%和14.98%。2.基于DES液流电池多孔电极内部反应传输的非均匀性,本文利用不同孔隙率的石墨毡和碳纸作为基础材料,设计并制备了一种直接拼接式的双层复合电极。该电极由靠膜侧经480℃高温空气热处理12 h的低孔隙率碳纸和靠流道侧具有铜纳米颗粒沉积的高孔隙率石墨毡复合构成。其中,低孔隙率的碳纸电极具备良好的亲水性和高于石墨毡数倍的比表面积,从而可有效促进靠膜侧的电化学反应。此外,经电沉积后含铜的高孔隙率石墨毡电极具有较高的渗透率、导电性以及低电位下良好的界面催化效率,有利于协同降低电池负极侧的电解液流动/离子/电荷转移阻力。将该复合电极应用于铁钒DES液流电池的负极侧,由于电极内部传输性能和电化学性能的协同优化,该电池的功率密度及能量效率都有所提升。3.基于以上实验内容,建立了一个三维多松弛时间格子-Boltzmann模型以探究DES液流电池放电过程中多孔电极（包括石墨毡、碳纸、复合电极）内部孔隙尺度的反应传输特性。通过对比不同电解液流速和流道结构影响下的电池性能,明确了降低复合电极总功率损失的优化运行条件。模拟结果表明,在较低的电解液流速下,当采用交指形流场时多孔电极内部电解液的流动分布易出现不均匀现象,从而会导致膜侧对流传质性能的下降。但通过增加入口电解液流速可有效改善膜侧对流传质效果。同时,在高电解液流速下,采用交指形流场的复合电极电池相比于单层电极具有最低的总功率损耗。

关键词： N-S方程   孔隙尺度   高含水期   油水相界面   渗流模型  

摘要： 现阶段,我国东部大多数水驱开发油田都已进入高含水期至特高含水期,但原油采出程度仍不高,可见高含水油藏仍具有一定的勘探开发潜力。由于高含水期储层剩余油呈现高度分散及非连续分布的特征,基于达西定律的传统两相渗流理论无法准确描述高含水期油水两相流动过程。此外,实际多相流中流体相界面不断演化,其对流体流动的影响不可忽略。本研究基于N-S方程耦合相场方法建立了微观两相流模型,揭示了孔隙尺度下油水两相流动规律及影响因素,通过油水相界面的定量表征研究了相界面、含水饱和度与相渗透率三者之间的关系,并建立了高含水期油水两相渗流模型。首先,根据孔隙半径方差建立了三种不同非均质性的二维多孔介质模型,基于此模型研究了润湿性、油水粘度比以及毛管数对不同多孔介质中两相流动的影响,研究发现随着润湿角的增加,指进现象减弱,出口端见水与进入高含水期的时间差增大,含水饱和度增大,随着油水粘度比增加,驱替模式逐渐转变为粘性指进,见水时间提前,含水饱和度减小,随着毛管数增加,毛管力作用减弱,出口端见水更早,但流动波及范围扩大,含水饱和度增加,多孔介质非均质性增强,促进了指进现象的形成,使得驱替效果更差,剩余油饱和度更高。其次,本文研究了不同驱替条件对油水两相界面变化的影响,发现当润湿角减小及油水粘度比、毛管数增大时,相界面长度增加,而在驱替过程中相界面长度呈现先上升后在高含水期下降的趋势。第三,本文基于对相界面的定量化表征,研究了相界面长度-含水饱和度-相渗透率三维关系,将相渗透率表征为含水饱和度与相界面长度的二阶多项式,而不仅是含水饱和度的函数。最后,基于考虑相界面的相渗关系建立了适用于高含水期的两相渗流模型。本文基于N-S方程研究了微观油水两相渗流机理,分析了不同因素对流动形态、剩余油饱和度及相界面长度的影响,建立高含水期新的渗流模型,为高含水油藏进一步开发提供了理论支持。

关键词： 微流控芯片   PDMS多孔光热材料   蒸发浓缩   孔隙尺度   界面蒸发  

摘要： 微流控芯片体积微小,比表面积高,在能量传递和物质传输方面颇具优势,因此具有样品消耗量小、反应迅速、灵敏度高、高度集成化、便于携带的特点。这使得微流控芯片在生化检测、材料合成、能源高效应用等领域极具应用前景。在生化分析和检测过程中,样品溶液浓缩处理是重要的中间环节,也是提高检测灵敏度的最佳方法。光热蒸发浓缩技术通过光照射在流体或者光热材料,产生光热效应对样品溶液进行加热,可以实现非接触式的样品浓缩,具有局部精确调节、迅速响应的特点。现有的微流控光热蒸发浓缩技术存在以下问题:(1)封闭式的光热蒸发微流控芯片,蒸发产生的蒸汽不易排出,导致蒸汽分压增大,会抑制蒸发,降低蒸发效率;(2)流道内蒸发产生气泡后形成两相流动,会出现气液界面不稳定的情况,影响蒸发稳定性;(3)缺乏高效的蒸发器结构的设计。多孔光热材料由于本身具有光热转化特性,并且可以将气液相分隔开,丰富的孔隙又可以方便蒸汽的排出,既提高了光热蒸发效率,又保证了蒸发的稳定性。但是现有的部分多孔光热材料不易于微流控芯片相结合,且制备方法复杂,不方便按需求灵活调节定制。基于以上问题,本文围绕多孔光热材料以及其在微流控芯片浓缩中的应用开展了系统研究。首先,制备了具有良好生物相容性且易于加工的PDMS多孔光热蒸发材料,研究光照强度、多孔层厚度、孔隙结构对光热蒸发性能的影响以及盐溶液蒸发特性,并提出能量高效利用和防止析盐的方法。然后,用光刻的方法加工孔隙网络微通道,通过可视化实验,研究多孔材料孔隙尺度下光照强度、孔隙率和盐溶液浓度对光热蒸发特性的影响,揭示光热致孔隙网络流道中的界面蒸发与物质输运特性。最后,根据光热致多孔介质内物质传输特性规律,将制备的PDMS多孔材料集成到光热蒸发浓缩装置,设计具有多孔光热蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,研究光照强度、流量等运行条件对光热蒸发浓缩效果的影响,并测试了硫酸铜溶液和溶菌酶溶液的浓缩效果,提出浓缩效果的调控方法。本文获得的主要结论如下:(1)基于PDMS与碳纳米颗粒,通过盐模板法制备了光热多孔材料,制备方法简单,可以根据需要调控孔隙和厚度。制备的PDMS多孔材料具有良好的工艺性能和优异的光热蒸发特性,一个太阳辐照条件下,蒸发速率可以达到1.36 kg/(m·h),光能-蒸汽转化效率为77.89%。多孔层厚度增加会减少热量损失,进而提高蒸发速率。用于盐溶液光热蒸发时,蒸发速率随着盐溶液浓度增加而降低,孔隙尺寸的增加可缓解多孔材料析盐现象。(2)以微通道网络结构模拟多孔层二维切片,研究了光热多孔介质相变与组分传输过程。界面蒸发过程中,孔隙区域上开口处的气液界面在毛细力作用下保持稳定,蒸发发生在气液界面,蒸汽传输阻力远小于内部蒸发,有利于蒸发进行,蒸发效果明显提高提升。相同光照强度下,孔隙率增大时蒸汽传输阻力随之减小,有利于蒸发的进行,蒸发速率更高。用于盐溶液蒸发时,较大的孔隙,界面到液相主体扩散传质阻力较低,可以减少溶质结晶析出,有利于多孔光热介质在高溶液浓度工况下运行。(3)设计加工了具有多孔蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,探究了不同工作模式、入射光强、液相流量、工质种类等因素对其蒸发浓缩特性的影响规律。具有亲水多孔层的微流控芯片的蒸发浓缩效率更高,通过调节入射光强及溶液流量,可以在线调控浓缩倍率。通过探究不同种类工质浓缩性能,表明设计的微流控浓缩芯片具有良好的工质适应性。

关键词： 砂岩   冻融循环   孔隙结构   损伤特性   细观尺度  

摘要： 近年来，随着中国西部基础设施建设以及矿产资源开发的迅速发展，大量的岩土工程在建设及运营中受到恶劣气候环境因素的影响，尤其是冻融循环引起的岩土体破坏对寒区工程造成了极大的威胁。然而岩石的宏观破坏程度及特征往往受其内部细观结构的控制，岩石冻融损伤本质上是由孔隙水冻结膨胀作用造成的。因此，本文以受冻融作用敏感的砂岩为研究对象，以细观尺度下冻融砂岩孔隙结构变化为切入点，利用获取的砂岩CT扫描图像对冻融砂岩细观结构损伤进行定性定量表征，并结合CT孔隙参数在PFC3D中建立冻融砂岩细观损伤破坏数值模型，揭示了冻融循环条件下砂岩细观损伤演化规律。本文主要内容及结论如下:　　(1)对饱水砂岩开展不同冻融次数下冻融循环试验，然后分别对冻融后的砂岩进行单轴压缩及CT扫描试验。将CT扫描获取的各冻融次数下的砂岩二维切片图像进行初始的内部组成及结构分析，并以随机选取的初始二维面孔率进行对比分析，发现随着冻融循环的不断进行，砂岩初始平均面孔率逐渐增大，砂岩内部产生一定程度的损伤。　　(2)利用AVIZO软件通过调整对比度、滤波降噪等预处理，获取到清晰合适的砂岩CT二维图像，采用交互式阈值分割法将冻融砂岩的孔隙部分与岩石基质部分分离开来，并对其进行三维重构，建立不同冻融循环次数下的孔隙结构模型。然后确定砂岩表征单元体尺寸，对冻融砂岩的二维及三维孔隙结构参数进行表征分析，并基于损伤理论对各孔隙参数在冻融循环作用下的损伤情况进行定量表征，发现孔隙体积在冻融循环过程中损伤变量最大。最后，以孔隙体积为损伤变量建立冻融岩石损伤本构模型，并利用单轴压缩试验曲线进行对比验证，两者较为吻合，其结果表明孔隙损伤表征参数的选取及损伤本构模型的正确性和可靠性高。　　(3)在PFC3D软件中，利用平行粘结接触模型建立常规砂岩试样单轴压缩模型，对各细观参数的敏感性进行研究，为后续冻融砂岩细观破坏模型的细观参数标定提供依据。基于冻融砂岩的孔隙体积和孔隙率等孔隙参数，确定颗粒膨胀系数，通过控制颗粒膨胀系数等效冻融作用，基于PFC3D软件建立冻融砂岩模型，将冻融后的单轴压缩模拟曲线与试验曲线进行对比，验证了模型的准确性后，并对20次冻融砂岩强度进行预测。最后通过冻融砂岩模型颗粒间接触力最大值、颗粒最大位移、裂纹数量及细观能量演化对冻融砂岩细观损伤进行定量分析，从而研究不同冻融次数下砂岩的细观破坏过程。

关键词： 煤   孔隙表征   孔隙分类   甲烷吸附   解吸动力学  

摘要： 我国“富煤、贫油、少气（天然气）”的资源禀赋特点促使高效清洁能源产业的不断发展,而煤层瓦斯的抽采利用不仅有利于我国主体能源产业的健康发展,助力国家“双碳”目标的实现,也能有效预防矿井瓦斯灾害事故的发生,减少环境污染。对煤中不同尺度孔隙结构与CH4分子的相互作用机制、不同尺寸孔隙结构的CH4吸附特征、解吸动力学特征及其影响机制开展相关研究,对于完善CH4在不同尺度孔隙结构中的赋存和运移规律,指导矿井瓦斯抽采工作具有重要意义。本文运用岩石力学、吸附科学、表面物理化学、量子力学、分形几何学和流体力学等理论,采用理论分析、数值模拟和实验室测定相结合的手段,构建了煤中多尺度孔隙结构与CH4等温吸附特性之间的数学模型,通过相关性分析研究了煤中不同尺度孔隙结构与CH4扩散动力学特性之间的关系,揭示了CH4在煤中不同尺寸孔隙结构中的赋存和运移规律及其内在影响机制,得到的主要结论如下:1)煤中CH4极限吸附能力主要取决于1.5 nm以下的微孔结构。根据压汞法、低温N2（77 K）吸附法和低压CO2（273 K）吸附法对煤中孔隙结构的量化表征结果表明,煤中0.33～1.5 nm微孔孔容和比表面积与总孔容和比表面积的比值分别在68%和97%以上;相关性分析结果表明,煤中CH4朗格缪尔体积VL与微孔孔容和比表面积之间的相关性系数R2分别为0.9392和0.9116,说明1.5 nm以下的微孔结构是决定煤中CH4极限吸附能力的主要控制因素。2)煤中CH4主要以微孔填充形式吸附于0.38～1.5 nm的微孔结构中。通过构建极限条件下煤中CH4吸附能力的数学模型,证实了煤中CH4的吸附形式为微孔填充和单层吸附两类;当CH4压力无穷大时,除长焰煤外不同变质程度煤样中93%以上吸附态CH4都以微孔填充形式储存在0.38～1.5 nm的微孔结构中,1.5nm以上孔隙结构的外表面以单分子层形式吸附的CH4不足7%;通过GCMC模拟结果表明,孔隙尺寸越小,吸附达到峰值时所需压力越低,该孔隙CH4吸附能力与总吸附能力的比值随压力的降低逐渐增加,说明低压条件下煤中0.38～1.5nm微孔结构提供的CH4吸附能力与总吸附能力的比值远高于93%。3)煤中CH4扩散动力学特性主要取决100 nm以下的孔隙结构。根据煤中CH4扩散特性与不同尺寸范围孔隙容积之间的相关性分析结果表明,不同粒径煤样初始有效扩散系数与不同范围阶段孔容之间存在明显正相关关系,孔隙尺寸约为50～100 nm;随着平衡压力的增加,相关性系数最高时对应的孔隙范围向大孔径方向转移;随着解吸时间的增加,相关性系数最高时对应的孔隙范围向小孔径方向转移,说明煤中100 nm以下的孔隙结构是决定CH4扩散特性的主要控制因素。4)基于煤中不同尺寸孔隙结构的CH4赋存和运移特征将孔隙划分为不可接触孔、填充孔、扩散孔和渗流孔。将煤中所有CH4分子无法进入的孔隙（小于0.38 nm）统称为不可接触孔;0.38～1.5 nm的填充孔中CH4仅以吸附态赋存,吸附形式为微孔填充;1.5 nm以上孔隙中CH4以吸附态和游离态形式共同存在,吸附态CH4在孔隙表面遵循单分子层吸附形式,游离态CH4在孔隙中央遵循玻义耳定律赋存;将煤中1.5～100 nm和100 nm以上的孔隙分别划分为扩散孔和渗流孔,分别在浓度梯度和压力梯度的驱动下进行气体的传质行为。5)基于煤中CH4吸附形式建立了DA-Lmi/mo等温吸附模型。根据CH4在不同尺寸孔隙结构中的吸附形式构建了煤中多尺度孔隙结构的CH4理论吸附模型,结合极限条件下不同吸附形式CH4的占比情况将理论吸附模型简化为DA-Lmi/mo吸附模型;对比Langmuir与DR吸附模型对煤中实测CH4等温吸附数据的拟合效果,发现DA-Lmi/mo吸附模型能更好地表征煤中CH4的等温吸附特性;同时,DA-Lmi/mo吸附模型能够克服Langmuir和DR吸附模型的限制,反映煤中不同吸附形式CH4的赋存特征。6)基于煤中CH4等温吸附特性初步建立了新的孔隙表征方法。根据GCMC模拟技术获得的不同尺寸孔隙结构的CH4等温吸附特性,构建了多尺度组合孔隙结构与CH4等温吸附特性之间的数学模型,利用该模型拟合煤中CH4实测吸附数据,获得煤中不同尺寸孔隙结构的最优解;对比低压CO2（273 K）吸附法对煤中微孔结构的表征结果,发现两种方法获得的微孔结构分布规律相似,4组煤样0.38～1.4 nm孔隙容积的相对误差都不超过8.70%,说明利用常见的煤中CH4吸附等温线逆向推算煤中微孔结构是可行的。7)基于煤中CH4吸附相体积不变假设建立了新的绝对吸附量计算方法。根据GCMC模拟技术获得不同尺寸孔隙结构中吸附态CH4的密度分布规律,发现不同尺寸狭缝形孔隙结构中的CH4极限吸附相密度在0.253～0.396 g/cm3之间

关键词： 孔隙网络模型   动态   准静态   自适应   加速   多尺度  

摘要： 孔隙尺度建模对于深入理解多孔介质中流体与介质性质对微观多相流动机制的影响至关重要。在计算资源匮乏、对模型精度要求相对宽松的情况下,相对于计算成本较高的直接模拟,孔隙网络模型更适合用来进行孔隙尺度流动模拟。动态孔隙网络模型具有很高的精度,但是计算成本较高;准静态孔隙网络模型则比较简单,但是精度受限。本论文提出了一种自适应孔隙网络模型,结合动态孔隙网络和准静态孔隙网络模型的优势,并且克服两者的局限性。 PyPNM多尺度孔隙网络求解器是孔隙网络模型求解的基础,Py PNM中的多尺度动态求解器可以创建子网络并进行单独的动态模拟。设定一个转换的标准,用来划分使用静态模拟的子网络模型和使用动态模拟的子网络模型。为了使准静态模拟和动态网络更好的衔接,本文改变了准静态模型的初始条件和边界条件以及相应的算法。然后进行了多次模拟,用来测试自适应孔隙网络模型求解器的准确性和稳定性,以及该模型在计算时间和效率上的优势。 结果表明,全动态求解器与自适应孔隙网络求解器具有良好的相关性。同时,使用自适应孔隙网络模型可以提高整体模拟的效率,从而节省计算资源与时间。这些优势使得自适应孔隙网络求解器在研究大尺度样品时比传统的求解器更有优势。

关键词： 热障涂层   多尺度孔隙结构   热导率   力学性能  

摘要： 热障涂层应用于航空发动机、燃气轮机等高温部件的热防护,需具备高隔热性能和良好的力学性能。大气等离子喷涂制备的热障涂层中难以避免出现孔隙,封闭的孔隙是不良的热导体,可以显著降热导率,提高隔热性能。小孔隙可以缓解热障涂层的应力,从而减小应力集中。大孔隙会在一定程度上降低其抗变形能力。因此,本文拟通过在热障涂层中引入微/纳米多尺度分布的孔隙结构（纳米、微米、数十微米）,在保证高隔热性能的同时提高其抵抗变形的协调能力。同时,根据两机实际工况,研究涂层在1000℃、1050℃、1100℃下服役不同时间后组织性能变化,阐明多尺度孔隙结构热障涂层长期高温下组织和热力学性能的演变机制。取得以下重要结果:（1）通过在8YSZ中加入5 wt.%的Yb2O3和5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%的Gd2O3,探究复合陶瓷的热物理性能。优化确定了5 wt.%Yb2O3和10 wt.%Gd2O3加入量的复合陶瓷综合性能最佳。因此,选择其作为陶瓷粉末制备热障涂层。（2）利用Ansys workbench有限元软件,模拟微/纳米多尺度孔隙的热障涂层在不同温度下服役不同时间后热导率的演变机制以及不同载荷下的压入特性。结果表明涂层的热导率随着测试温度的升高呈现下降趋势,随着孔隙率的增加而降低,随着服役时间的延长而升高,直到服役时间为60天后性能趋于稳定。在涂层中引入不同尺度孔隙后,尽管硬度、弹性模量会下降,但是断裂韧性有所提高。（3）通过陶瓷粉末和聚丙烯造孔剂的混合,喷涂具有微/纳米多尺度孔隙结构的热障涂层。研究表明孔隙呈现微/纳米多尺度分布,并且随着服役时间的增加微小封闭孔隙逐渐消失,较大孔隙联结,当服役时间到达60天后趋于稳定,Gd2O3和Yb2O3的加入可以提高8YSZ的稳定性。（4）利用激光闪光法,研究多尺度孔隙结构热障涂层高温下长期服役后热导率的演变机制。研究发现热障涂层的热导率随着温度的升高而下降,随着聚丙烯粉末含量的增加而降低。热障涂层的热导率随着服役时间的增加而增加,直到服役时间到达60天后趋于稳定。实验测试的热导率演变机制与有限元模拟一致。Gd2O3和Yb2O3的加入可以降低热导率,并且提高热障涂层的抗烧结性。（5）利用纳米压痕方法,研究多尺度孔隙结构热障涂层高温下长期服役后力学性能的演变机制。研究发现随着造孔剂含量的增加,硬度、弹性模量呈现下降趋势,断裂韧性呈现上升趋势。随着高温服役时间的延长,硬度、弹性模量增大,断裂韧性下降。当服役时间到达60天后趋于稳定。

关键词： 果蔬干燥   多孔介质   孔隙尺度   传热传质   溶质迁移  

摘要： 果蔬含有人体所必需的各种营养成分,是人们美好健康生活所食的必需品。我国是果蔬的生产与消费大国,但我国的果蔬产后加工技术落后,产后损耗与经济损失巨大。干制是果蔬产后加工的主要形式,果蔬干燥过程中的“流糖”等现象不仅导致物料表面结壳、干燥效率降低、能耗增加,而且还会导致干后产品品质严重下降。传统干燥模型没有充分考虑微孔结构特性、溶质迁移、微尺度效应等因素对干燥过程中营养成分流失的影响。鉴于此,本文运用传递过程原理和孔道网络理论等分析果蔬类多孔介质干燥过程,建立其孔隙尺度下的热湿传递与溶质迁移双向全耦合孔道网络干燥模型,并对果蔬类多孔介质的干燥过程进行了模拟。主要研究工作如下:(1)基于分子动力学方法,分析了果蔬类多孔介质干燥微孔营养溶液中溶质的迁移过程。采用正则系综,选择Lennard-Jones势能模型,模拟观察了水分蒸发过程中蔗糖的变化情况,并通过计算蔗糖溶液体系的径向分布函数、均方位移等,获得微孔壁面粗糙度、孔直径等对蔗糖扩散过程的影响规律,蔗糖溶液中的水分扩散系数及蔗糖扩散系数均随着壁面粗糙度的增大而减小,随着相面积分数的增加而增大。(2)根据果蔬类多孔介质组织结构特征参数,构建孔道网络物理模型;并以此为基础分析干燥过程中营养物质流失的影响机制,建立果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移孔隙尺度耦合模型,并开发模拟软件进行干燥过程的模拟。构建了描述果蔬类多孔介质组织结构特征的参数表征体系,建立“物料-模型”参数映射关系式,得到果蔬类多孔介质干燥孔道网络物理模型。以任意孔节点为中心选取“孔隙微元体”,应用平衡分析法构建果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移的耦合数学模型。采用MATLAB和Visual C++联合编程开发设计了模型求解软件,该软件能够适时吸纳物料对应位置的物理结构信息,模拟得到物料干燥过程中的热湿传递及溶质迁移情况。(3)以甜菜和苹果为果蔬类多孔介质研究对象,开展了热风干燥试验。试验测量了物料干燥过程中的水分比、不同部位的温度、水分状态分布及不同部位的糖分含量。试验结果表明:两种物料的干燥速率都是先增后减,最大干燥速率在40min左右出现。干燥过程中,水分比小于0.1之后的干燥时间几乎占据了总干燥时间的一半。甜菜初始状态下自由水的含量最大,其占有总水分的81.8%,结合水含量4.4%,不易流动水含量为13.8%。随着干燥时间的增加,自由水下降速率最大,不易流动水与结合水都是先增加后减小。对干燥曲线、水分状态分布、平均温度曲线、最大温差曲线以及糖分含量曲线的模拟值与试验值进行对比分析,两者的误差在±10%以内,证明了所建立的数学模型和数值解法具有较高的可靠性和准确性。在热风干燥过程中,糖分会随着干燥的进行而迁移,但物料内部的总糖含量几乎不变,某个部位糖分含量的减少必将造成其相邻部位糖分含量的增大。(4)在数学模型和数值方法可靠性验证的基础上,进一步对不同的干燥工况、不同的传质机理以及不同的模型结构进行模拟分析。结果表明:热风温度的升高、热风相对湿度的减小以及热风风速的增大,均会使干燥速率增大,且导致物料中营养成分的流失增加。热风相对湿度越大,在干燥前期物料温度上升速率越快。海恩斯跳现象的存在,使得物料内部的溶液快速迁移至物料表面,水分在物料表面蒸发,留下糖分在表面层,同时干燥过程吸收了大量温度,导致温度上升缓慢。得出海恩斯跳现象使得大量糖分迁移到最外层,是形成“流糖”现象的主要原因。拉乌尔效应导致干燥速率下降,进而减小了营养成分的流失。(5)由于物料表面的溶质主要是在热风干燥前期伴随着喉道内溶液的海恩斯跳过程迁移形成的,而真空冷冻干燥可以消除海恩斯跳过程的影响。因此进行了甜菜和苹果的真空冷冻-热风组合干燥试验研究及设备设计,得出真空冷冻-热风组合干燥方法能够在不降低干燥速率的前提下较好的保留物料中的营养成分。新鲜苹果的维生素C含量为4.287 mg/100g,新鲜甜菜的维生素C含量为4.9 mg/100g。物料内层的维生素C含量均高于外层,真空冷冻干燥的内层与外层维生素C含量相差1.23%,热风干燥的内层和外层维生素C含量相差28.39%。当中间转换点含水率低于60%时,干燥后物料中的维生素C含量相差不大,因此真空冷冻-热风组合干燥的较优中间转换点含水率为60%。本文建立的模型阐明了果蔬类多孔介质干燥营养流失与微孔结构、微尺度效应之间的关系,揭示了果蔬干燥过程中孔隙界面毛细力、液膜流等对溶质迁移与热湿传递过程的相互影响机制,能有效描述与预测“流糖”现象。本文的工作可为果蔬类多孔介质干燥品质的分析与优化、干燥过程的节能与提效奠定理论基础和提供技术支持。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   渗吸   动态接触角   Navier-Stokes方程  

摘要： 在致密油藏开发过程中主要靠岩石孔隙内液体的自发渗吸驱替油相,达到提高采收率的目的,因此,明晰孔隙内油水自发渗吸过程,研究致密砂岩孔隙尺度油水自发渗吸规律,具有重要意义。本研究主要以理论研究与数值模拟相结合的方式,对致密砂岩孔隙尺度自发渗吸规律进行了研究。基于动态接触角公式,建立了考虑动态接触角的单管自发渗吸数学模型,研究了在不同参数设置下接触角的动态变化过程;基于分形理论与单管渗吸公式,建立了考虑动态接触角的多孔介质自发渗吸数学模型,研究了在致密砂岩内孔隙结构参数变化对自发渗吸过程的影响;开展基于Navier-Stokes方程的单管模型自发渗吸模拟,得到了不同流体参数、壁面粗糙度对渗吸速度、油水界面等的影响;利用真实的致密砂岩岩心开展自发渗吸模拟,分析了不同类型岩心的油水分布规律及残余油形成原因。 研究结果表明,自发渗吸过程中接触角会随着速度的增大而变大,考虑动态接触角的渗吸速度、渗吸距离会与实验和模拟数据更加吻合,考虑动态接触角的多孔介质自发渗吸数学模型能够精确表征致密砂岩油水自发渗吸过程。流体参数对自发渗吸过程有较大影响,增大流体粘度、静态接触角和降低毛管半径都会降低渗吸速度;与光滑壁面相比,粗糙壁面加速壁面粗糙凹槽内流体渗吸过程,会使油水界面产生变化;在岩心结构参数上,提高岩心孔隙度会提高渗吸流量,提高孔隙分形维数,会降低渗吸流量;岩心孔隙结构越简单,最终采收率越高。与驱替过程不同,由于自发渗吸只受毛细管力影响,因此出口见水后饱和度还会增大;由于孔隙空间的非均质性,水相自发渗吸具有多方向性,渗吸前缘曲线具有阶梯状特征;随着水相的不断进入,毛细管压力曲线不断上升;致密砂岩自发渗吸过程主要形成孔隙盲端残余油、双通道孔隙残余油和孔隙凹槽残余油三种残余油。

关键词： 天然气水合物   原位可视化   微观生长特性   润湿性   渗流特性  

摘要： 天然气水合物是一种非常规天然气资源,具有储量大、能量密度高的特点,被认为是未来最具发展潜力的新型替代能源。我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物资源,实现其安全高效开采对于我国可持续能源发展目标具有重大战略意义。然而,在开采过程中因复杂相变所引起的水合物孔隙赋存与含水合物沉积物润湿性变化规律不明,对储层内气-水运移特性及其影响因素把握不清,导致天然气水合物商业化开采仍面临效率低、持续性差等工程瓶颈问题。本文以此为背景,在孔隙-岩心尺度研究多孔介质内水合物生长特性,解析水合物分解孔隙介质润湿性演化规律,最终阐明储层内气-水渗流微观控制机理,具体研究内容如下: 首先,开展了孔隙-岩心尺度气体水合物生长时变特性与孔隙赋存结构研究。利用开发的显微CCD相机、X射线CT以及高场核磁MRI可视化实验系统,发现了气体水合物在微米孔隙尺度下生成过程具有明显的阶段特性,随着水合物饱和度增大,优势成核区域从气-水交界面转变为水-水合物交界面;获得了填砂岩心中颗粒包裹型与孔隙填充型水合物晶体的3D空间赋存规律,通过计算孤立水合物团簇的形状因子,发现其团簇结构的不规则性,水合物的持续生长、包覆使孔隙内颗粒表面粗糙度增加;探究了岩心非均质性与孔隙内初始气-水分布对CH4水合物生成特性的影响规律,发现水合物优先在颗粒较小且初始水饱和度较低的孔隙内生成,揭示了气体水合物在多孔介质内非均质的微观生长特性。 其次,进行了气-水-水合物-孔隙壁面润湿性测量方法及其动态演化规律研究。在孔隙尺度下分别开发了适用于微观平面与3D空间的气-水（液）-水合物（固）局部接触角的测量方法,获取了489组多孔介质内水合物表面润湿性数据,结果表明水合物表面为亲水界面,随着水合物生成排盐效应的影响,水合物晶体表面极性降低,对水分子的吸附能力下降,因此表面润湿性随孔隙水盐离子浓度上升而逐渐降低;基于低场核磁共振NMR分析技术,提出了含水合物沉积物体系动态润湿性的表征方法,通过分析水合物分解过程中岩心孔隙水弛豫时间的响应特征,发现岩心整体润湿性随水合物分解变得更为亲水,建立了岩心亲水性随水合物分解饱和度变化预测模型,实现了分解过程中气-水-水合物-岩心孔壁体系动态润湿特性的定量化分析。 最后,基于上述研究结果,探究了水合物分解过程中赋存特性与润湿性对气-水渗流的微观影响机理。通过开展水合物分解过程中多孔介质内气-水渗流实验,探究了水合物分解气-水渗流过程中孔隙微观结构、流动阻碍层等因素对气-水有效渗透率的影响规律;通过将归一化气体渗透率实验值与经典Kozeny渗透率预测模型对比,发现了渗透率变化与水合物孔隙赋存形态转变的水合物饱和度临界值范围,并提出了相关储层内气-水流动模式的微观控制机理;解析了不同开采方式下水合物的分解特性及其深层变化影响机理,评价了多种降压注热联合开采模式对水合物开采效率的影响;引入含水合物多孔介质动态润湿性影响机制,改进了经典渗透率预测模型,阐明了分解过程前后水合物孔隙赋存与润湿性变化对储层内气-水渗透率的影响规律。