关键词： 重非水相   孔隙尺度   润湿性   迁移特征  

摘要： 重非水相(DNAPLs)是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义。为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程。结果表明:模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象。文章提出的双界面模型相较于以往的微观模型能够更好的解释介质润湿性对DNAPL运移的影响。DNAPL的下落速度受前后界面共同影响,而饱和度主要由后界面决定。同时,润湿性对运移的影响大小受制于多孔介质的非均质性。

关键词： 核磁共振   扩散耦合   碳酸盐岩   孔隙连通性   数字岩心  

摘要： 油藏岩石的孔隙连通性是反映流体渗流难易程度的重要参数,对渗透率、有效孔隙度等岩石物理参数的评价具有重要作用.连通的孔隙中,核磁共振(NMR)弛豫的交换会产生扩散耦合现象,可作为孔隙连通性的表征和探测方法.本文提出利用横向弛豫T 2-T 2脉冲序列测量岩石的扩散耦合现象.运用随机游走方法模拟多孔岩石的核磁共振响应特征,分析扩散耦合的影响因素,推导表征扩散耦合强度的弛豫交换速率计算公式.结果表明:孔隙间的扩散耦合强度与T 2-T 2脉冲序列的混合时间呈正相关性,基于双孔弛豫交换模型推导的弛豫交换速率计算公式能够准确表征双尺度孔隙系统的扩散耦合强度.在孔隙尺寸不满足快扩散条件时,会出现与扩散耦合无关的非对角峰信号.针对含多类型孔隙的碳酸盐岩模型,随混合时间的增加,扩散耦合强度变大,一维T 2谱的形态畸变程度加重,在T 2-T 2二维谱中,代表微裂缝、粒间小孔、溶蚀大孔的信号能量变化趋势不同,反映不同类型孔隙间的连通性存在差异.本文的分析与讨论丰富了核磁共振弛豫在岩石物理性质评价中的应用方向,对利用核磁共振评价复杂孔隙岩石的孔隙结构和连通性提供了新思路和新方法.

关键词： 多尺度机理   瓦斯扩散   双孔隙介质模型   数值模拟  

摘要： 基于煤层瓦斯运移的多尺度扩散效应,根据变直径毛细管物理模型,通过压汞实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验对贵州某矿7#煤层煤样的孔径分布进行测定,通过Knudsen方程得出不同扩散方式的临界直径,从而得出不同扩散方式所占比例,提出考虑多种扩散方式的有效扩散系数.建立了考虑多尺度扩散、Klinkenberg效应、基质收缩和有效应力的双孔隙介质耦合模型,利用多物理场耦合软件对煤层瓦斯钻孔抽采情况进行了数值模拟研究,分析了新模型条件下钻孔抽采煤基质和煤裂隙中的瓦斯压力分布以及瓦斯扩散速度和瓦斯渗流速度的差异,得出煤层瓦斯钻孔抽采情况下的运移规律.通过在井下打穿层钻孔进行瓦斯抽采,测量每天的瓦斯流速和流量,将现场测得的瓦斯流速和流量与数值模拟结果做对比,得出所建立的双孔隙介质模型符合工程实际的要求,为深煤层开采瓦斯防治提供参考.

关键词： 热管理   热分析   孔隙网络模型   跨尺度分析  

摘要： 针对电池热管理系统进行跨尺度分析以提高电池安全性是当前产业界的迫切需求。该文将电池组类比为多孔介质,将电池热管理系统优化等效为多孔介质对流换热过程,采用具有计算高效、多物理场耦合能力强等优势的孔隙网络模型对实际电池热管理系统进行了多尺度分析。该方法在进行准确性验证后,可以有效建立电池单体与电池组整体之间的信息交互,并搭建电池热管理系统分析的跨尺度桥梁。该方法基于不同尺度下多孔介质流动和传热过程,为未来跨尺度方法的工程应用打下基础。

关键词： 焦炭   石墨化   多尺度   孔隙结构   滞后环  

摘要： 在不同加热温度下(1100~1600℃)模拟高炉炉缸区焦炭的石墨化过程,利用真空排水法及氮气吸附法考察不同石墨化程度焦炭的多尺度孔隙结构演变过程。研究结果表明:二次加热后的焦炭中孔隙结构丰富且复杂,随着二次加热温度的升高,焦炭的显气孔率、比表面积、孔容积及微孔数量呈规律性变化,可分为3个过程:即1100≤t<1200,1200≤t<1400和1400≤t<1600℃,且在温度低于1400℃时灰分析出主导焦炭孔隙结构变化,大于1400℃时则主要受焦炭石墨化的影响;同时,不同石墨化程度焦炭的吸附脱附曲线均存在交叉点,且2条曲线不重合形成了"滞后环",基于滞后回线原理分析认为焦炭石墨化后的气孔结构多呈"毛囊"状;在焦炭石墨化过程中,内部灰分逐渐熔化析出至基质表面的迁移行为是导致出现上述规律的原因。

关键词： 水泥混凝土   水化硅酸钙   分子动力学   水分输运   纳米通道  

摘要： 众所周知,混凝土在水利、建筑工程当中的运用十分广泛。在正常环境下,混凝土的耐久性优越,但是在特殊环境下,其抗冻性、抗渗性以及抗侵蚀性会降低,导致其易于损坏,这是我国工程建设中尚未攻克且至关重要的问题,所以本文将就水泥混凝土在水环境下的破坏机理展开讨论。水泥主要的水化产物为水化硅酸钙,它在一定程度上决定了水泥混凝土的强度。几乎所有混凝土的劣化反应都是来自于水和离子的侵蚀,在宏观层面上,关于水分与离子传输的理论研究以及实验已经比较详尽,在对于其微观角度下的研究较少,但由于微观角度可更直观的揭示混凝土揭示机理,故在近几年间越来越受到重视。所以在本文中,选用从微观的角度来探究水分子与离子之间的特性以及反应,基于分子动力学理论,探索在水化硅酸钙凝胶纳米孔中传输的水分子和离子对水泥混凝土的耐久性和可持续性的影响。在模型的建立上,非饱和传输模型的构成有两部分:上部为水化硅酸钙纳米通道,下部为用于模拟现实环境中侵蚀溶液的饱和氯化钠溶液,这样一个比较贴近于现实的非饱和传输模型便构建而成。先前研究者对于平行的水化硅酸钙凝胶纳米孔道间水和离子的输运已有探讨,但对于其他非平行变截面纳米孔道鲜少提及。因此,我们通过改变水化硅酸钙凝胶纳米孔道之间的距离即孔径,以及改变中间段水化硅酸钙的偏移角度,分析传输过程中的结构特性与分子动力学特性,来探寻不同形状、尺寸的凝胶孔道对于水和离子的输运所产生的影响,探究离子侵蚀的机理和特性。针对两类模型,主要研究内容如下:对于非饱和模型,我们对比研究了以下两类:Ⅰ孔径分别为1.5nm、2.5nm和3.5nm的孔道,Ⅱ初始孔径为3.5nm,偏移角度分别为0°和10°的孔道中水分和离子的传输特性。在传输过程中,我们可以发现以下规律,首先各个模型的传输都受到毛细作用的影响,传输过程中前沿界面都逐渐呈现半月板形态,这与经典的LW毛细管吸附理论模型理论非常吻合,而小于90°的液面侵入角度,也侧面证实了水化硅酸钙凝胶的亲水特性。基于原子和离子强度分布曲线,靠近孔道界面的原子强度峰值最大亦可以证实水化硅酸钙的亲水特性,而钠离子比氯离子的强度曲线更靠近凝胶孔界面,这是由于水化硅酸钙凝胶孔对于阳离子更具吸引力。对于水分子以及各离子的传输速度以及扩散速率,在不同条件的模型下也各不相同。通过对于水分子和离子侵入深度曲线和MSD值的总结可以得出以下结论:在3.5nm模型中,孔道中水分和离子的传输速度偏快,传输速度之间的差异较小,而在2.5nm模型中,水分子与离子的传输速度明显减慢,且水分子的传输速度明显大于氯离子与钠离子,在1.5nm孔道中这个趋势愈发明显。在10°偏移模型当中,水分与离子的传输速度偏慢,水分子在传输速度上也出现了大于氯离子和钠离子的状况,这说明当水化硅酸钙凝胶纳米通道形状发生变化时,侵蚀离子和水分子的传输性能也会发生改变,这个规律有利于进一步深入探究水泥混凝土中离子侵蚀的原因,揭示水分子和离子在其间传输的微观机理。从而与宏观相联系,促进水泥混凝土的性能提升。

关键词： CO2地质封存   可注性   微观孔隙结构   地球化学反应   热效应  

摘要： 近年来全球范围内极端天气频发,气候变化被认为是影响人类生存与发展的共同问题。积极应对气候变化减少温室气体排放成为当今世界最普遍共识。鉴于我国多煤、少油、缺气的能源禀赋,又面临14亿人共同富裕的巨大发展任务,CCUS(碳捕集利用与封存)被认为是唯一能够不对现有化石能源与工业结构产生颠覆性改变而促其实现低碳化和碳中和的技术。在CCUS的多个技术路线中,CCS(碳捕集与地质封存)是最有可能实现工业化减排的单一技术。CO地质封存在全球多个国家进行了试验示范,处在工业化准备期,仍有两个核心问题没有得到根本解决即“可注性”、“安全性”。本研究基于国内外地质封存方面的研究基础,充分了解和分析前人的研究成果,梳理地质封存CO普遍存在的科学问题,以鄂尔多斯神华CCS示范项目为研究对象,利用野外注入试验的独特条件,结合注入前后砂岩储层岩心测试,对CO注入过程以及扩散过程中对砂岩改造作用即可注性影响进行了系统研究,以期为CO地质封存选址及储层选择提供参考。本论文的主要研究内容及研究成果如下:(1)工程尺度可注性研究工程尺度可注性研究,是指在神华CCS示范工程实际生产过程中进行的一系列测试试验研究,包括获取井筒内的实际温度、压力、流量等参数,利用模拟器进行测井分析、不稳定试井分析、注入动态分析。结果显示近井区储层渗流能力大幅改善:吸气启动压力下降22%;吸气指数大幅增长了10倍;渗透率大幅度提升了80倍;井筒出现了典型的变表皮效应。研究认为随着注入量的增加,近井区的CO气水两相混合区因高纯度CO溶解或蒸发掉孔隙中的残余水,降低含水饱和度,提高了气相渗透率,有利于提高储层可注性。(2)孔隙尺度可注性研究孔隙尺度可注性研究,是指以神华CCS示范工程的砂岩储层岩心为研究对象,开展注入前后岩心的孔隙尺度可注性研究,包括孔隙度、地层温度压力下的渗透率、矿物成分测试、全岩化学分析、胶结构造、孔径分布、颗粒大小等基本参数。测试结果表明:注入CO后,粘土含量较注入前减少,长石含量增加,石英比例略有降低,说明注入CO后,水岩反应明显改变了基岩成份的组成;注入CO后储层中有溶解有沉淀总体对砂岩储层的孔隙度影响不大;注入CO前后微观孔隙的孔径分布特征发生了较大的变化,注入前孔径为1-100um的孔隙,在注入后发生明显反应,100um及以上的孔径显著增加,从而大大提高了储层的渗透性。(3)热效应对可注性影响模拟研究基于前人已经提出的一个完全隐式的油藏模拟框架,通过模拟等温和非等温条件下CO注入的影响因素,可以得出以下结论:当冷(液)CO注入储层时,注入温度直接影响流体密度和粘度分布,进而影响可注性;冷(液)CO倾向于分布在储层下部,超临界CO倾向于分布在储层上部。CO注入过程中,温度演化主要受流体对流控制,传导系数次之,一旦停止注入,传导效应影响显著。(4)微观孔隙结构变化规律模拟基于神华CCS示范项目主力储层刘家沟组的实际储层条件与监测数据,构建砂岩储层的CO注入运移模型。模拟发现:对于注入区,其主导性的反应为钠长石、钾长石、方解石和绿泥石的溶解,与伊利石的沉淀,总体的反应结果为使注入井的孔隙度和渗透率增加,有利于CO的注入;而对于扩散区域,受地下水中Ca、CO的影响,则主要表现为绿泥石和钾长石的溶解,及方解石、伊利石和钙蒙脱石的沉淀,总体的反应结果是使储层的孔隙度和渗透率降低,抑制CO的迁移扩散,提高CO的矿化率,从而提高CO地质封存的安全性。

关键词： DPF   多孔介质   流动与传热特性   格子玻尔兹曼方法   孔隙尺度  

摘要： 在处理和净化柴油发动机尾气中的碳烟过程中,柴油机颗粒捕集器(Diesel Particle Filter)起到了非常重要的作用。柴油机颗粒捕集器主要是利用内部的多孔介质层对碳烟颗粒进行拦截并且对其进行沉降。所以为了更好的设计和改善柴油机颗粒捕集器,有必要对多孔介质层内的流动与传热特性进行研究分析。本文便是通过格子Boltzmann方法(LBM)对孔隙尺度的多种DPF仿真模型进行对比研究,主要进行的工作如下:(1)首先对格子Boltzmann方法的可行性进行验证。通过格子Boltzmann方法模拟几种典型的流动与传热实验,如顶盖驱动流、封闭方腔对流、泊肃叶流动等进行对比研究,证明了格子Boltzmann方法的可行性与正确性。(2)构造二维DPF仿真模型,分别构建了平行分布、交错分布、随机分布的圆形结构,多孔介质分型结构Sierpinski carpets,四参数随机生成法生成的随机结构,还有基于DPF的断层扫描图构建的仿真结构,并且对比研究了六种结构的流动与传热特性。其结果显示,多孔介质结构的分布对流动与传热特性影响较大;对于圆形结构,纤维结构直径的增加使得结构间空隙增加,压降随着纤维结构直径的增加而降低;压力梯度随着雷诺数的增加而增加,温度梯度随着雷诺数的增加而减小;图像处理方法(IPM)生成的结构与其它结构的压力梯度存在较大差异,IPM结构分布更加复杂所以其流动阻力更大,结构中流动所受的压力与温度更高。(3)以二维模拟为基础,运用LBM研究三维多孔介质结构的流动与传热特性。首先,对DPF进行连续切片扫描,通过切片重构DPF多孔介质结构。然后,通过不同方法构造其它三种结构进行对比研究,如平行分布的球型结构、三维四参数随机生成结构和统计结构。本文的统计结构是对DPF断层扫描图进行分区统计孔隙率,利用四参数随机生成法生成相应孔隙率的结构并进行组合,构建出多孔介质结构。结果显示,结构的通道变窄或者是流动堵塞,使得流动阻力较大,使得结构显示处高压区域;球型结构的压力梯度最低,其他三种结构的压力梯度差异明显;球形结构的温度梯度最小,其他三种结构的温度梯度较为接近;通过改变四参数随机生成法的参数,可以生成与切片重构结构的压力梯度较为接近的多孔介质结构。

关键词： 页岩油   孔隙网络模型   多尺度   多组分   微尺度效应  

摘要： 我国常规油气资源的开发已难以满足逐年增长的能源需求,页岩油等非常规资源储量丰富,是目前我国油气增储上产的关键。页岩储层的储集空间复杂,孔径和矿物组分的多尺度、非均质性明显,流体赋存形态多样。纳米级孔喉通道具有较强表面作用,导致流动机制复杂,微尺度效应明显。针对以上问题,本论文基于数字岩心技术和孔隙网络模型,进行页岩油藏的微观岩石模型构建和微尺度流动模拟。基于规则结构的孔隙网络模型,采用孔隙拆分的方法实现有机质孔隙“镶嵌式”的空间分布,并考虑不同组分孔隙的孔径特征构建了多尺度多组分的孔隙网络模型。利用二维扫描电镜图像重构三维多组分数字岩心,采用分水岭算法提取孔隙网络模型并定量计算每个孔隙单元的有机/无机组分。利用规则结构的多尺度模型实现不同有机质含量的改变,并引入考虑吸附和滑移效应的单管流动方程计算表观渗透率,分析了滑移长度等流动参数和配位数等结构参数的作用规律。利用复杂结构的孔隙网络模型进行页岩油单相流动模拟,讨论组分空间分布的影响。建立考虑微尺度效应的页岩油水两相驱替流动模型,结合逾渗理论进行两相流动模拟,计算两相渗流曲线。研究结果表明,有机孔隙系统与无机孔隙系统在孔隙直径、孔隙比面、配位数等关键参数上具有明显的差异性,所构建的多组分多尺度孔隙网络模型可以较好地表征页岩油储层的孔隙空间特征。页岩的表观渗透率主要由滑移长度决定,由吸附效应引起的粘度变化对流动行为的影响较小。页岩油藏整体渗流特征由无机孔隙中的流动主导。相比于简化处理方法,采用真实有机质空间分布的模型可更加准确地计算流体渗流能力。水湿介质中的油水两相渗流受到水相滑移长度、粘度比、吸附层厚度等参数的影响,粘度较低且相互连通的吸附水膜增加了驱替结束时的含水饱和度,且对油相的渗流能力起到提升作用。

关键词： 多孔碳   格子玻尔兹曼方法   CDI   多孔电极   孔隙尺度  

摘要： 伴随着工业化进程带来的人口增长和工业化活动本身对水资源的污染,目前地球上可供人类直接利用的淡水资源越来越匮乏。水资源的短缺问题成为和能源紧缺问题一样困扰人类的心病。海水淡化带来的淡水增量有望弥补上水资源匮乏的缺口。相较于传统的热法蒸发和膜法渗透从海水中分离出占主体的纯水,电容去离子（Capacitive deionization,CDI）技术另辟蹊径,通过将海水中占少部分的Na+、Cl-等吸附到多孔电极中实现海水的淡化,从而更具成本低廉、能耗低、过程无污染的优势。因此,这一新型海水淡化技术受到越来越多科研工作者的关注。围绕着电容去离子的脱盐性能提升,目前的研究方向主要集中在电极材料制备、脱盐装置构型设计、运行参数设置和电极内部离子传质和存储机理上。本论文从电极材料的实验制备和构建CDI多孔电极内部传质数值仿真模型两个角度出发,主要研究工作和结论如下:（1）电极活性材料制备通过使用纳米碳酸钙作为硬球模板,蔗糖作为碳源,三聚氰胺作为氮源,使用高温固相法一步热解制备掺氮分层多孔碳。纳米碳酸钙作为模板热解后对制备出的碳材料进行孔道结构诱导设计,碳酸钙分解后的CO2气体对碳骨架蚀刻活化。以碳酸钙模板的最高热解温度为实验变量,制备出650℃,750℃,850℃三种温度下的掺氮分层多孔碳。在CDI脱盐性能测试中,850℃碳材料在1.2V外加电压,500mg/L初始溶液浓度和15ml/min的进口溶液流速下,获得最佳的12.56mg/g比吸附容量,优于同等测试条件下进行比照的YP-50F商用超级活性炭。原料廉价易得,制备简便,脱盐性能优越,该CDI脱盐电极材料制备方法具备一定的商业化潜力。（2）孔隙尺度下LBM（lattic Boltzmann method）模拟研究针对流过式（flow-by）CDI单元,建立孔隙尺度下的LBM数值模型来研究CDI多孔电极中的离子动态传质和吸附现象。基于LBM耦合求解了流体流动的纳维斯托克斯（N-S）方程和离子动态传质的泊松-能斯特-普朗克（P-N-P）方程。通过两个具有解析解的基准算例,验证了构建出的LBM模型在对流-扩散和扩散-电迁移系统中离子输运的正确性。对CDI多孔电极骨架,使用简化的电极颗粒构建出二维物理计算模型。使用验证后的LBM模型研究了在对流,扩散和电迁移驱动下的多孔电极内部的离子动态吸附过程。使用该LBM模型分别研究进口溶液流速,电极表面电势和多孔结构对CDI多孔电极内部离子动态吸附的影响。