关键词： 相变储热   格子Boltzmann   多孔介质   强化传热  

摘要： 相变储能作为一种新型储能方式因其具有潜热大,相变温度变化小等优势且能解决能源利用在强度、时间和空间上不匹配的问题而受到广泛关注。然而目前相变材料的导热系数普遍较低,导致了相变储能系统储放热效率低,因此强化相变材料的导热,提高储能系统换热效率尤为重要。根据相变材料的固液相变传热特性,在相变材料中填充高导热的多孔介质是提高相变材料等效导热,强化储能系统传热的有效方式,本文使用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质复合相变材料的固液相变过程,并通过改变多孔介质的孔隙率,分布规则以及Rayleigh数的大小来研究其对相变储能系统固液相变过程的影响。此外,本文还构建且验证了基于中心距格式的多松弛格子Boltzmann固液相变模型,进一步提高了固液相变模型在应对大Rayleigh数、粗网格以及低Prandtl数等条件下的计算精度。本文主要研究内容和结论如下:(1)针对方形相变储能系统,建立了固液相变格子Boltzmann传热模型,并研究了扇形多孔介质的孔隙率、填充角度对储能系统传热性能的影响。结果表明,加入多孔介质能够有效提高传热效率并扩大潜热的作用,从储能系统底部开始填充多孔介质能够有效强化底部传热,缓解腔体顶部热量积聚,提高储能系统整体传热速率,在高Rayleigh数下,加入180°多孔介质的完全熔化时间要小于加入270°的多孔介质,而评估参数也说明了在这种情况下210°是能平衡强化传热性能和能量储存密度的多孔介质最佳填充角度。(2)针对环形储能相变储能系统,建立了具有曲线边界的格子Boltzmann固液相变传热模型,考虑了4种不同的梯度孔隙分布多孔介质类型和3种均匀孔隙率多孔介质对储能系统传热的影响,并综合分析了储能系统中热传导和热对流协同作用下最佳孔隙分布多孔介质类型。相较于纯相变材料,再加入孔隙率为0.5的均匀多孔介质后相变材料的完全熔化时间缩短了80.6%。在此基础上,相较于其他孔隙分布的多孔介质,孔隙分布为Type3型的多孔介质具有更高的强化传热效果和储能密度,在高Rayleigh数下,强大的对流换热会削弱多孔介质强化导热的作用,因此充分考虑多孔介质的高导热和自然对流引起的对流换热的共同作用对储能系统提高换热效率尤为重要。(3)针对现有固液相变模型在粗网格、高Rayleygh数或者低粘度情况下计算精度较低的问题,本文将所建立的中心距多松弛格式格子Boltzmann固液相变模型且应用于孔隙尺度下的固液相变过程,研究了三种模型在应对不同条件下的固液相变问题时的计算精准度与稳定性。在面对方腔熔化自然对流问题时,相较于256×256的网格系统,单松弛模型,多松弛模型与中心距多松弛格式模型在应用64×64的网格系统时相对误差为0.238%,0.019%和0.014%。在此基础上,本文还研究了中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在应对孔隙尺度下相变材料的熔化过程时的准确性。当Rayleigh数为5×10～7时或者Prandtl数为0.005的条件下采用单松弛模型会导致非物理现象的热量传递的发生,而采用中心距多松弛格式模型能够有效缓解相界面效应,得到清晰的固液相界面。中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在处理强自然对流与低粘度条件下的固液相变问题时能够展示较强的稳定性与精准度。(4)针对流动换热相变储能系统,本文建立了填充有梯度孔隙率多孔介质的格子Boltzmann流动换热固液相变模型,通过改变对流换热储能系统中的多孔介质孔隙分布以及Rayleigh数的大小对流动换热相变储能系统固液相变的影响。加入梯度孔隙分布的多孔介质能够在强化相变材料热传导的同时充分利用自然对流引起的对流换热,从而综合强化相变材料的传热速率,缩短其熔化时间。相对于纯相变材料,加入孔隙分布为type1的均匀多孔介质后熔化时间缩短了58%,而加入孔隙分布为type4的多孔介质后熔化时间缩短了63.5%。在此基础上,采用梯度孔隙分布的多孔介质会强化传热,增大潜热比,降低热积聚,再加入孔隙分布为type7的多孔介质后,最大潜热比由80.8%上升到84.5%。此外,在高Rayleigh数情况下,强大的对流换热会削弱多孔介质的强化传热效果,要根据具体的工况选择合适孔隙分布的多孔介质从而充分利用热传导与对流换热,提高储能系统换热效率的同时使温度分布更加均匀。

关键词： 泡沫金属   多孔复合系统   孔隙尺度和宏观尺度   应力跳跃系数   对流换热   相间传热系数  

摘要： 多孔介质中的动量和能量传输机理复杂,涉及多尺度效应问题,一直是研究的热点。泡沫金属作为一种强化传热多孔介质,具有优异的高导热性和强热扩散性的特点,广泛应用于工程领域,如:热管,工业换热器,蓄热器和多孔质气体轴承等。因此,多孔泡沫金属内流动和传热的研究具有重要的工程价值和科学价值。鉴于多孔泡沫金属内动量和热量传递研究的重要性,本文构建了Weaire-Phelan泡沫结构,以及多孔复合系统的孔隙模型和宏观模型,主要研究了多孔泡沫金属与自由流体交界面的动量传递以及旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流换热。 本文对多孔复合系统孔隙模型和宏观模型内流动进行模拟,确定了多孔层与自由流体层交界面的应力跳跃系数,并对应力跳跃系数特性进行研究。结果表明,应力跳跃系数与孔隙结构有关,但是与流动形式无关,即使旋转条件下产生了二次流,相较于非旋转情况流动变得复杂,但应力跳跃系数不变;并且,在自由流体层厚度较大时,应力跳跃系数也是与流体层厚度无关的。 本文对旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流传热进行数值研究,基于孔隙尺度模拟,分析了泡沫单元中的流体流动及其对传热的影响。同时,获得了空气和泡沫金属系统的相间传热系数,并研究分析了相间传热系数的特性。结果表明,增大雷诺数、旋转数和旋转距离,以及降低孔隙率,都能增大相间传热系数。基于225组数据点,拟合了空气和泡沫系统的相间传热努塞尔数关联式,分析了该关联式的预测误差。另外,模拟了更大的旋转距离和通道尺寸,该关联式在一定程度上也适用。

关键词： 三维重构   孔隙网络模型   多尺度孔隙   孔隙连通性   致密储层  

摘要： 为了研究致密油储层的三维孔隙结构,以鄂尔多斯盆地延长组S113井粉砂质页岩样品为研究对象,采用XRD衍射实验、TOC测试、岩石热解实验、FE-SEM、氮气吸附和高压压汞实验对该井样品的矿物成分、有机地化特征、孔隙类型和孔隙结构参数等储层特征进行评价。然后选取有代表性的样品进行微米CT、纳米CT和FIB-SEM等多尺度扫描实验,并对扫描结果进行图像预处理、图像分割、孔隙网络模型构建、孔隙结构定量计算以及绝对渗透率模拟,从而对致密储层样品进行三维孔隙结构多尺度表征。研究区致密油样品以黏土矿物层间粒内孔为主。样品经过抽提后S1和S2的大幅下降表明较大的可动油比例;抽提前后氮气吸附结果指示样品中可动油主要存在于2～4 nm和60～100 nm范围的孔隙中。基于最大球算法和中轴线算法两种算法提取了致密油样品的孔隙网络模型。通过对比这两种孔隙网络模型,发现基于最大球算法的孔隙网络模型展示的三维孔喉空间信息和孔隙喉道定量参数更全面,准确性更高。以基于最大球算法的孔隙网络模型为基础,计算了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间的孔隙、喉道大小以及配位数等孔隙结构参数。根据分割的孔隙相数据体,定量计算了孔隙长宽比、圆球度等孔隙形貌参数,并分析了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中不同形貌孔隙的发育情况;同时,定量计算了孔隙方位角和极角,绘制出孔隙方位角和极角的玫瑰图,评价致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中的优势孔隙。总体而言,优势孔隙方向与层理面之间的夹角较小。对比分析了氮气吸附、纳米CT和微米CT三种技术在孔隙测量方面的优势,绘制了典型致密油样品的全孔径分布曲线,计算了微米孔和纳米孔的体积百分比。结合三维孔隙网络模型和连通孔体积百分比定量评价了致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中孔隙连通性,发现在这三种尺度下,尽管非连通孔在数量上都占据绝对优势,但这些孔隙体积都比较小,而连通孔的体积大多较大,这三种技术评价的连通孔体积百分比分别为10.22%、50.75%、90.51%。因此致密油样品的孔隙连通性在FIB-SEM的观测尺度下最好,在纳米CT的观测尺度下居中,在微米CT的观测尺度下最差。在此基础上,构建了孔隙连通性的二维概念模型,以便直观地理解致密油储层岩样的三维多尺度孔隙连通性特征。最后,利用FIB-SEM三维孔隙空间开展了流动模拟,计算典型致密油样品的绝对渗透率为0.41m D,并通过渗流流线场展示了渗流的优势通道。

关键词： 多孔介质   自发渗吸   强制渗吸   格子Boltzmann方法   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质渗吸驱替是润湿流体驱替非润湿流体的一种广泛存在于自然界的典型非混溶流体流动现象,在工程和工业领域的许多过程中扮演着重要角色,如油气资源开采、CO2地质封存和地下水污染修复等。由于多孔介质普遍具有复杂的孔隙结构,以及孔隙内非混溶流体界面具有的不稳定性特征,多孔介质渗吸驱替过程中往往伴随着非紧凑的界面形态和不完全孔隙填充现象,进而影响宏观驱替效率。因此,全面表征岩石微观孔隙结构,深入认识孔隙尺度流体流动特征和赋存状态,厘清多因素影响下的微观渗吸机理,具有重要研究意义。本文基于CT扫描及数值重构的多孔介质数字模型,通过格子Boltzmann方法的孔隙尺度数值模拟方法,研究了微裂缝的几何结构、颗粒型多孔介质的几何特征以及渗吸边界条件对自发渗吸过程中流体界面的整体演化规律、局部孔隙填充特征以及渗吸速率和采收率的影响,揭示了关键因素影响下的微观渗吸机理;在此基础上,进一步考虑注采条件,研究了天然储层岩石完全润湿条件下不利粘度比流体强制渗吸过程中的驱替模式和孔隙填充机理,全面评价渗吸过程中的原位流体分布特征和流体几何结构动态演化规律。主要成果与认识如下:（1）微裂缝的几何结构几乎不影响逆向自发渗吸初始阶段渗吸前缘的演化,但强烈影响着渗吸过程中渗吸前缘的整体形态特征。微裂缝的存在显著提高整体采收率,但微裂缝的不同几何结构对渗吸速率有着不同的影响。（2）颗粒形状仅对逆向自发渗吸过程中渗吸界面的演化具有显著影响,而颗粒堆积模式同时影响渗吸和排驱界面的演化以及渗吸采收率。不同边界条件下的渗吸速率和最终采收率差异显著:模型开启面与水接触的面积越大,渗吸速率越快,因此AFO边界条件下的渗吸速率最快;模型开启面与油接触促使油相主要通过同向渗吸方式排出,有利于自发渗吸的持续进行,因此TFO-free边界下的最终采收率最高。（3）不同注入速率下,多孔介质强制渗吸过程中主导的驱替模式和孔隙填充事件显著不同。随着毛管数的对数由-2.5向-4.0变化,侵入流体的流动特征由大孔隙壁面上的先驱流转变为所有尺寸孔隙内的角流,主导的孔隙填充事件由神经节动力学转变为卡断捕获,而驱替前缘的形态由指进转变为粗糙但均匀的形态特征。两相界面形态和演化动力学的这种转变决定着两相流体的空间分布和流体结构,控制着驱替效率、比界面面积、流体连通性和非润湿流体残余捕获。本文工作揭示了多孔介质渗吸驱替过程中的两相界面演化动力学、孔隙填充机制以及孔隙空间内的流体分布特征,厘清了孔隙结构和作业条件等多因素影响下的微观渗吸机理,建立了微观驱替机理与宏观驱替效率间的联系,为石油资源的高效开发、CO2安全存储和地下水污染物有效净化提供了理论依据。

关键词： 低渗透区   孔隙尺度物性   裂缝   双孔隙度   CMG  

摘要： 随着常规天然油气藏产量下降和对天然油气资源需求的增加,传统的天然油气资源越来越不能满足经济发展的需要。非常规来源的天然气和石油被视为最有前途的能源。例如,渗透性能好的油气藏已成为非常规油气资源开发的重点。四川盆地古老地层裂缝-孔隙型碳酸盐岩油气藏高渗部位储量已基本开发完毕。低渗透区域剩余储量大、采收率低,是减缓递减速率和提高采收率的关键潜在区域。 为实现微观认识与宏观认识的结合,有必要深入研究储层内部的微观孔喉特征和渗流机理,并对低渗透储层高效生产的边界条件进行协同分析,以便进一步分析影响低渗透储层高效生产的因素。通过本文研究,可以更好地了解低渗透储层的微观渗流特征和宏观开发特征,对于低渗透油气田的开发具有重要意义。在此基础上,对研究结果采用了升尺度方法,将孔隙尺度物性应用于CMG软件,对双孔隙度模型进行数值模拟并预测了储层未来油气产量。 结合孔隙尺度物性的大尺度分析结果表明,从微观尺度上在数字岩心中添加裂缝后,由于整个岩石系统的连通性得到改善,渗透能力提高,因此岩石渗透率增加。在此基础上进行宏观数值模拟时,由于岩石的流体流动特性得到提升,可以以较高的速度开采出更多的原油。

关键词： 格子Boltzmann方法   粘性指进   化学反应   固态物质析出   溶解模式   孔隙尺度  

摘要： 反应流体的输运过程广泛存在于自然界与工业应用中,如二氧化碳地质封存、油藏增产、环境污染物处理以及燃料电池等。由于孔隙结构复杂,且流体输运、溶质传输及化学反应之间互相耦合,因此多孔介质内反应流体的输运行为非常复杂。本文从孔隙尺度出发,基于格子Boltzmann方法研究多孔介质内反应流体的混合析出过程以及流-固反应导致的溶解现象,详细分析化学反应对界面组分分布特征的影响以及溶解产物对溶解过程的影响,为实际工程应用提供技术指导及理论依据。论文的主要工作包括: 首先采用分层模块化的设计方法,开发了多孔介质中反应流体输运的并行计算程序。通过模拟顶盖驱动方腔流及方解石颗粒的溶解过程,验证了并行计算程序的可靠性,并对计算程序进行了测试,结果表明计算程序具有较好的并行效率。 其次基于反应流体输运的并行计算程序,模拟研究了多孔介质内的反应流体粘性指进析出过程,分析了反应速率、成核速率以及聚集速率的影响。结果表明,化学产物、固相组分主要集中在指进界面处,且浓度分布受到反应速率和Peclet数的影响。另外,研究结果表明多孔介质结构会对流体输运过程产生明显影响。 最后研究了多孔介质中反应流体驱替过程中的溶解模式。重点分析了五种不同的溶解模式:致密溶解、锥形溶解、优势虫洞、分枝虫洞以及均匀溶解。此外,产物粘性变化会导致溶解模式改变,即分枝虫洞与优势虫洞之间的转变。

关键词： 土壤孔隙结构   生物膜代谢功能   生物膜群落结构   代谢组学   微流控技术  

摘要： 土壤微生物是驱动陆地生物地球化学循环的引擎。活性微生物主要以生物膜的形式存在于土壤环境中,其生物膜形成量、群落结构多样性和代谢功能差异与周围土壤的理化环境密切相关。前人研究表明土壤的空间结构是影响生物膜形成的重要因素。多孔网络结构的理化性质决定了液相流动,影响了细胞的空间分布、群体行为及进化过程。但是前人的研究大部分是基于实际土壤粒径分离和高通量测序技术研究土壤不同粒径团聚体中的微生物群落组成。而由于土壤不透光性和高度的时空理化异质性,土壤孔隙结构对生物膜形貌特征、代谢功能及群落结构等的影响鲜少有研究。为此,本研究采用微流控技术设计并制作四种孔径(20 μm、50μm、100 μm和300 μm)微流控芯片模拟土壤微环境,通过荧光示踪剂及显微成像表征土壤生物膜形成,结合扩增子测序及代谢组学来研究不同孔隙结构对生物膜群落组成的影响。本研究的主要结果如下:显微成像结果显示,土壤菌群的生长过程主要可以分为初始附着、表面定殖、发育成膜、生物膜成熟和生物膜衰亡五个阶段。随着孔径尺寸增加,土壤菌群形成生物膜至成熟的时间也逐渐增加。土壤菌群在小孔径芯片(20μm和50μm)中主要围绕着微柱生长成膜,成熟期能填满孔隙,造成生物堵塞;而在大孔径芯片(100 μm和300μm)中,土壤菌群主要分布在孔隙间,形成团聚体后逐渐连成带状、片状生物膜。胞外聚合物(EPS)组分含量随着孔径尺寸的增加而减少,蛋白在生物膜形成过程中起主导作用。大孔径芯片(100μm和300 μm)中具有呼吸活性细胞数量占比较高,分别为50%与48%。而小孔径芯片(20 μm和50 μm)中微生物对养分的利用更充分,摄取葡萄糖的细胞分别占63%与87%。16S rRNA测序结果表明,孔径大小显著影响土壤生物膜群落多样性。在生物膜成熟期,不同孔径芯片中的生物膜微生物类群存在显著差异。初始菌群中相对丰度最高的优势细菌类群是γ-变形菌纲、放线菌纲和β-变形菌纲。在生物膜成熟期,放线菌纲和β-变形菌纲的相对丰度增加,γ-变形菌纲的相对丰度降低。在20 μm芯片中,最优势细菌类群是放线菌纲,300 μm芯片中的最优势细菌类群为β-变形菌纲。其中,伯克氏菌属的相对丰度与芯片孔隙尺度成正相关。微生物种类数量随着孔径增大而增多。在大孔径芯片(100 μm和300 μm)中,微生物种类数量较多,竞争较激烈,影响了 土壤生物膜的形成。进一步通过代谢组学分析不同孔隙结构对土壤微生物代谢功能的影响,结果显示在土壤微生物生物膜成熟时期的代谢物中,脂类及类脂分子、有机酸及其衍生物所占的比例较多,占26.15%。20 μm芯片中筛选出的代谢物种类最多,50 μm芯片中筛选出的代谢物最少。小孔径芯片(20 μm)中代谢物之间相关性较复杂,存在各类代谢物共同调节,有机杂环化合物和有机氧化合物在共调节中起重要作用。另外,在20、50、100 μm芯片中主要是ABC转运蛋白的代谢受到了扰动,而在300 μm芯片中主要是硫胺素代谢存在显著差异。本研究结果揭示了不同孔隙结构对土壤生物膜形貌与群落特征的影响,为了解微生物在土壤界面上定殖过程及生物膜群落多样性与功能提供理论依据。

关键词： 催化型颗粒捕集器   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   多孔介质   流动传热  

摘要： 柴油机颗粒捕集器利用多孔介质壁面将颗粒物过滤,是行业公认的降低机动车污染物最有效装置之一。但随着装置的长期工作,颗粒物会在过滤体内大量积累,影响机动车性能。为使颗粒物能够在正常排气温度下氧化燃烧,在过滤体表面涂覆催化剂,形成具有被动再生能力的催化型颗粒捕集器。为进一步明确催化型颗粒捕集器在孔隙尺度下流动传热机理,本文使用格子Boltzmann方法对三维重建的催化型颗粒捕集器多孔介质壁面进行流动传热及氧化再生模拟研究。首先,为构建研究所需多孔介质结构三维模型,对催化型颗粒捕集器过滤壁面切割制样,并使用Micro-CT扫描仪进行扫描,再三维重建过滤壁面多孔介质结构模型。编写格子Boltzmann程序并加载结构模型,为确保编程的准确性与正确性,进行了网格无关性验证和程序验证。在本文模拟研究中,均选用格子Boltzmann方法中的D3Q19离散速度模型。模拟研究内容主要包括:(1)不同孔隙率、渗透率、孔隙分布和进气速度对催化型颗粒捕集器内白载体多孔介质结构流动传热的影响;(2)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构流动传热的影响;(3)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构在氧化再生时传热的影响。最后,模拟结果表明:(1)白载体多孔介质结构中,在同样进气速度下,结构孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;在多孔介质入口端,会因速度摩擦产生温升,温升会进气速度的增加而增大;在多孔介质内部流动时,多孔介质内部孔隙分布越均匀,平均速度变化越小。(2)加载颗粒层的多孔介质结构中,颗粒层对多孔介质上方速度场有削弱作用,随着颗粒层孔隙率降低,削弱作用增强;削弱作用会使多孔介质入口端温升减小,当颗粒层孔隙率降低,速度摩擦加剧,温升增大;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质入口端平均速度仍由结构的孔隙率决定,孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;多孔介质入口端平均速度越大,速度摩擦产生的温升越大。(3)加载颗粒层的多孔介质结构氧化再生时,在多孔介质入口端产生温度峰值,随着颗粒层孔隙率降低,氧化再生时温度峰值上升;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质的平均速度最小值越小,高温越易堆积在多孔介质入口端,温度峰值就越高。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   煤堆自燃   孔隙尺度   自然对流   多场耦合  

摘要： 煤堆自燃是一种在全球范围内普遍存在的复杂自然灾害,对经济发展和生态平衡有着严重的威胁。研究煤堆内的流动传热问题对预防煤火,保护能源安全具有重要的意义。煤堆自燃是一种典型的多孔介质流动传热问题,格子玻尔兹曼方法因其物理背景清晰、边界处理简单等优点被广泛应用于多孔介质的流动、传热和反应过程的数值模拟。本文采用多松弛时间的不可压格子玻尔兹曼模型,分别对封闭空间和开放空间中含煤粒多孔层内的反应问题进行了研究。主要研究工作如下:(1)针对规则排列的含煤粒封闭多孔层内的自然对流问题,研究了不同的Rayleigh数、粒径、排列方式和孔隙率对内部流动传热的影响,给出了不同条件下封闭多孔层内部的流场、温度场和流线图,并通过分析对应条件下的对流传热过程总结出了内部升温规律。(2)针对含煤粒多孔通道内流场、温度场和氧化反应的多场耦合问题,研究了不同来流速度、温度、浓度和粒径大小对通道内部流动传热传质过程产生的影响。探究了通道内部温升曲线的变化特征,并给出了不同条件下内部稳态时的流动传热分布云图。本文采用格子玻尔兹曼方法研究了煤堆自燃问题,对含煤粒封闭多孔层及多孔通道进行了微观分析,探究了内部流动传热规律,为预防煤堆自燃提供了理论依据。