关键词： 微流燃料电池   阴极扩散层   孔隙尺度模拟   物质传输  

摘要： 采用格子Boltzmann方法研究了微流燃料电池空气阴极多孔扩散层内多组分物质传输特性。随机重构了扩散层,获得渗透率及有效扩散系数。建立了耦合边界电化学反应的二维模型,研究了过电位、孔隙率对氧气、水蒸气浓度分布及局部反应速率的影响。结果表明,常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数;扩散层孔隙结构对物质传输有重要影响,孔隙率减小使得传质阻力增大,导致局部氧气浓度降低,局部反应速率降低,而水蒸气浓度增大,当孔隙率从0.83降至0.7,催化界面平均氧气浓度从8.472降至8.466 mol·m^-3。

关键词： 固液相变   梯度孔隙率   两区域模型  

摘要： 为了进一步研究方腔内固液相变的过程,本文基于格子玻尔兹曼方法(LBM),采用两区域模型探究了方腔内填充不同方向梯度孔隙率分布的多孔骨架固液相变过程,从孔隙尺度分析了相变过程的流动和传热机理;并对梯度孔隙率多孔介质内固液相变过程中的糊状区做了详细的描述;重点研究了方腔内不同方向梯度孔隙率分布和均匀孔隙率骨架分布对相变过程的影响。研究结果表明:在填充多孔介质固液相变过程中,传热方式由热传导逐渐向自然对流换热转变,从而导致了上薄下厚的糊状区;在填充多孔介质骨架方腔内,不同方向的梯度孔隙率分布对相变过程的影响是不同的,与均匀孔隙率相比,从左到右线性减小以及从上到下线性增加和减少的多孔介质孔隙率分布,其融化率和高温壁面平均Nu数都较大,表明其孔隙率梯度分布的多孔骨架对相变换热起到了明显的促进作用;而当多孔介质孔隙率分布从左到右线性增加时,相变过程则受到明显的抑制。

关键词： 纳米孔   煤储层   煤层气   非常规油气   研究进展  

摘要： 煤储层的纳米孔隙特征是决定煤层含气性的关键因素。为进一步明确、总结煤层气储层纳米孔隙的研究进展,针对煤储层纳米孔隙表征这一问题,开展国内外文献系统调研与总结归纳工作。结果表明,煤储层纳米孔隙表征涉及多领域、多学科方法、技术,从定性到定量再到影响气体赋存运移机理,是煤储层纳米孔隙表征的研究方向;对20 nm以下孔径纳米孔隙的准确量化表征是关键难点。进一步丰富研究手段,定性定量表征结合,提高表征精度,综合考虑沉积环境、演化程度、构造运动及开采过程气体运移多个因素对煤纳米孔发育的影响,并在真实表征的基础上加深煤层气赋存、扩散、运移机理的研究,将是煤纳米孔研究的重要方向。总结归纳煤储层纳米孔隙表征的研究进展,有为煤层气赋存富集机理、勘探开发提供科学依据与参考的重要意义。

关键词： 致密砂岩   核贝叶斯判别   物性参数   孔隙度   渗透率   孔隙尺度   预测流程   弹性参数  

摘要： 致密砂岩储层不同于常规砂泥岩储层,具有低孔、低渗等特征,其地震弹性参数和储层物性参数的关系复杂,储层的岩石物理确定性建模和反演难度大。为了有效预测致密砂岩储层的物性参数,基于岩石物理敏感性参数分析结果,采用核贝叶斯判别法,构建了孔隙度、孔隙尺度和渗透率预测技术流程。首先考虑孔隙尺度对渗透率的影响,提出了等效孔隙尺度求取方法;进而展开岩石物理敏感性参数分析,得到对储层物性敏感的弹性参数;最后利用核贝叶斯判别法求取储层物性参数。所构建的致密砂岩储层孔隙度、等效孔隙尺度和渗透率预测技术流程,保证了渗透率预测的准确性。测井和地震资料试验结果表明预测的孔隙度和渗透率均与测井数据匹配良好,该方法能够有效识别砂岩储层并刻画其孔渗特征,对油气田的勘探开发具有重要的指导意义。

ISBN: (纸本)9787518337347

关键词： 稠油   化学冷采   二维核磁共振   复合驱  

摘要： 为了研究稠油油藏化学冷采技术中复合驱的作用效果,借助二维核磁共振技术对比研究了DJ降黏剂和BHP聚表剂及其复合驱的提高采收率效果、油相流动能力变化及孔隙动用规律。研究表明:复合驱采收率比单一化学驱采收率高,2种药剂的协同作用明显;通过核磁共振测试得到的T2谱和扩散系数与相对幅度的关系,得出2种降黏剂均能不同程度地有效降低稠油黏度,增大油相的流动能力,并且大孔隙的动用程度明显高于小孔隙的动用程度,复合驱在大小孔隙中均有较好的提高稠油动用程度的效果。

关键词： 水驱油   重力驱排过程   毛细管数   重力数   无量纲数组  

摘要： 石油是重要的运输驱动能源,我国对石油资源的生产和进口具有不平衡性,强化采油技术能够提高石油产量,可平衡石油生产与进口的差距。微流控芯片加工技术的日益成熟使国内外学者可以研究从孔隙尺度探究毛细管力、粘性力、重力对水驱油过程的影响。而在重力驱油领域,传统的重力驱油研究方法或不利于表征重力、毛细管力、粘性力对两相流动的相互影响,或没有对重力驱油残余油饱和度变化进行量化表征。因此,本文通过实验与数值模拟相结合,探讨了重力、粘性力、毛细管力对水驱油两相流动的影响及其作用。本文使用微流体流量控制板控制注入流体流速,并通过微流体流量传感器和相机记录两相驱替过程及多孔介质两端压力,旨在探究单一流速下残余油饱和度、被圈闭油团变化趋势。此外,本文使用相场法研究了水平/重力驱水驱油过程,通过设置不同流体对物性(密度、粘度)、注入平均速度及重力,控制粘性力、毛细管力和重力的相对大小。通过实验和数值模拟研究发现:(1)在单个流速的驱替过程中,粘性指进会使大面积流体团被圈闭,导致正癸烷溶液采收率降低。随着流体团数量增加,残余油饱和度逐渐减小。(2)对于水-油水平驱替过程,在毛细指进过程中,未被驱替油占据残余油饱和度的绝大部分比例。当主流路径突破多孔介质出口端后,其他流动支路将停止继续向前流动。此时主流路径压力降低,使油渗吸倒流回先前被水占据的孔道。在粘性指进过程中,被圈闭油团是残余油形成的主要机理。残余油饱和度与毛细管数成反比。增强粘性力作用(增大流速)或者采用有利粘度比流体对可起到强化采收率的作用。界面特征长度与水饱和度呈线性比例关系。水在多孔介质中的突破时间随着毛细管数的增加而减小。增大流速及采用不利粘度比流体对会加剧多孔介质内流动路径过早突破,降低油采收率。(3)在水-油重力驱替过程中,相较于水平驱,重力驱驱替前缘在低流速下会更早突破多孔介质出口端。主流路径在突破出口端后压力骤减,形成优先流动。在不利粘度比下,毛细管数较低且重力数较高时未被驱替油占据残余油饱和度大部分比例,且随着毛细管数增加以及重力数降低,开始出现大面积被圈闭油,未被驱替油数量减少。当毛细管数较高且重力数较低时,残余油类型主要为小面积被圈闭油。残余油饱和度与对数毛细管数呈反比例线性关系,密度比对重力驱采油过程影响有限。重力驱在低毛细管数下加剧了水-油驱替过程不稳定性,使驱替前缘过早突破多孔介质出口端。残余油饱和度与对数重力数呈正比例线性关系,当注入平均速度较高时,重力对水-油流动影响较小。单一的无量纲数不能准确预测残余油饱和度。组合无量纲数考虑了重力、毛细管数、粘度比、密度比对残余油饱和度影响,能够准确预测残余油饱和度变化趋势。

关键词： 复合材料大型构件   孔隙缺陷   多尺度分析   基体-纤维单胞模型   失效分析  

摘要： 先进复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、性能可设计等优势,自19世纪60年代起逐步成为了航空航天装备中重要的结构材料。随着高端航空航天装备中复合材料用量的提升,复合材料结构的尺寸越来越大,其典型制造缺陷如孔隙、分层等更为多发,且缺陷尺寸与结构尺寸间存在明显差异,因此复合材料制造缺陷对大型复合材料构件及整体装备的承载能力影响十分关键。与此同时,复合材料越来越多的应用在复杂环境中,基体和纤维在热载荷作用下会因为热不匹配而产生细观应力,从而导致结构的失效,因此热-力耦合载荷下复合材料结构的失效分析问题也受到越来越多的关注。传统按均质材料简化的宏观复合材料分析方法难以应对结构多尺度特征带来的挑战,需要借助多尺度分析方法开展结构分析。复合材料的多尺度分析方法核心在于不同尺度模型的建立,以及不同尺度间的尺度联接关系。具体来说,对于含典型缺陷的大型复合材料构件,一般包含基体-纤维尺度、孔隙尺度、宏观复合材料结构尺度三个尺度。发展含缺陷复合材料多尺度分析模型的关键问题就在于如何建立上述三个尺度上材料力学模型,并通过高效、高精度尺度联接关系实现整体复合材料结构的多尺度分析。本论文在不同尺度上分别建立了基体-纤维尺度分析模型,孔隙和分层的缺陷分析模型,并建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,实现了包含孔隙和分层缺陷大型复合材料构件的多尺度分析。论文主要内容如下:1.基体-纤维尺度力学分析:为在基体-纤维尺度预测复合材料的细观失效,本论文采用Puck失效平面假定,在失效准则引入了与失效机理相关的失效角度,建立了基于失效平面上应力状态特征的跨尺度失效准则。同时,基于细观力学方法建立了基体-纤维尺度的细观单胞模型,并通过与WWFE(World-Wide Failure Exercise)中试验结果的对比证明了该方法的准确性。本论文还研究了热应力导致的“压缩滞后”效应的产生机理并提出该效应的预测方法,分析了不考虑该效应会导致的预测误差,结果表明:以LaRC 03准则为例,不考虑该效应会引起对于失效强度的高估。2.制造缺陷的分析模型:复合材料中存在大量的制造缺陷,例如孔隙缺陷和分层缺陷。现有的孔隙缺陷描述模型尚不完善。本论文给出了孔隙几何特征的一般性约束条件,并分析了目前孔隙缺陷描述模型不合理的原因。本论文提出采用四个比例参数以及与工艺历程相关的孔隙尺寸信息,建立了孔隙形貌的描述方法,同时基于细观力学有限元法建立了孔隙尺度的单胞模型并开展力学分析,与已有的两参数孔隙描述方法的对比表明,本文提出的方法能够描述范围更广的孔隙形貌,同时更符合孔隙形貌的实际情况。针对复合材料分层缺陷,本论文根据已有研究选择了内聚力模型和VCCT(Virtual Crack Closure Technique)方法作为分层分析模型,对典型的复合材料结构开展了失效分析。在进行复合材料分层失效分析的同时,为了考虑分层可能产生的复杂形貌,本论文提出了一种分形内聚力模型。3.制造缺陷的影响规律:基于这些模型和方法,本论文讨论了孔隙、分层缺陷对复合材料材料性能和结构性能的影响规律。针对孔隙缺陷,本论文获得了孔隙形貌、孔隙体分比与含孔隙复合材料弹性模量、强度间的映射规律。与此同时,本文分析了已有研究中采用试验确定孔隙缺陷影响的不足之处,以及可能引起的误差。结果表明:孔隙的形貌对材料力学性能有重要的影响,应和孔隙体分比一样作为独立的参数进行考虑。针对分层缺陷,本论文讨论了分层缺陷对典型单加筋结构力学性能的影响规律,预测了结构压溃载荷、结构局部屈曲载荷和分层起始扩展载荷,并分析了分层位置对结构失效载荷造成不同影响的机理:分层位于不同位置时其前缘应力状态是造成分层对结构失效载荷影响不同的原因,分层位于反节点线时,结构更容易失效。4.大型复合材料构件多尺度分析:大型复合材料构件多尺度分析需要兼顾计算效率和预测精度,本论文建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,以及相对应的渐进损伤分析的刚度折减关系,提出了能够考虑不同尺度制造缺陷影响的大型复合材料构件多尺度分析方法。以复合材料盒段结构和低温复合材料贮箱为例,考虑上述两种典型结构的轴压失效和泄漏失效等典型失效模式,分析了这两种结构的失效规律,验证了本论文提出的多尺度分析框架的有效性。

关键词： 毛细芯   弯月面   传热传质   蒸发相变   孔径分布  

摘要： 随着科学技术的迅速发展,电子器件逐渐区趋于小型化及功耗增加,单位面积产热急剧增加,传统的散热装置已经不能满足高热流电子器件散热的需求。环路热管作为一种优良的两相传热装置,具有良好的应用前景。毛细芯作为环路热管的核心部件,通过其毛细抽吸力作用,为两相蒸发界面提供液态工质,实现工质在环路热管内的循环。研究毛细芯气-液相变界面特性对理解环路热管内部传热以提高其传热性能有着重要意义。本文根据蒸发毛细弯月面划分的三个区域:非蒸发区、薄液膜蒸发区和宏观蒸发区,分析了毛细弯月面传热传质的特点,并对各区域的液膜长度、传热传质量、弯月面蒸发过程中的各参数进行了数值计算。薄液膜区作为弯月面蒸发最剧烈和复杂的区域,显著影响着毛细芯内弯月面的传热传质。根据增广Young-Laplace方程,考虑壁面以及界面压差对蒸发传热的影响,预测蒸发弯月面形状。根据质量守恒和传热方程建立物理模型,通过C语言对不同工况下薄液膜区的蒸发质量流率、液体流速、蒸发热负荷等参数进行数值求解分析。在数值计算的基础上,通过对多孔径毛细芯的孔径进行正态分布处理,计算了此种条件下毛细芯两相界面的蒸发热负荷,相对孔径均匀分布下毛细芯蒸发传热量更高。因此,通常粉末烧结毛细芯由于其正态分布的孔径特点,相对于均匀孔径的毛细芯性能更优,得到更广泛的应用。但是数值计算得出的热负荷相对实验条件下的更低,分析这是由于实验中毛细芯相界面可能发生延伸增加了传热面积,通过分析界面深入毛细芯可能带来的蒸发面的增加,引入界面延展系数,建立微观数值计算与宏观实验间的联系。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   锌镍单液流电池   孔隙尺度   Shan-Chen模型  

摘要： 在日益增长的能源需求压力与环境要求逐渐提升的条件双重作用下,新能源技术逐渐得到发展。为了能够合理有效利用相关新能源,储能技术是其中关键一环。氧化还原电池凭借其可灵活设计运用的优势,获得了长足的发展。本文针对锌镍单液流电池的浓差极化与副反应产生氧气阻碍进一步反应的现象,采用格子玻尔兹曼方法从孔隙尺度对其多孔正极进行研究,主要研究成果如下所示:1.建立两种处于充电过程中的锌镍单液流电池多孔正极的传质与反应模型,分别通过常数和固液相电势来表征实际电场,并与电极内部的流场和浓度场进行耦合计算,从而探究了锌镍单液流电池多孔正极充电过程中的反应机理。选取充电电流密度,孔隙率,电极厚度作为参考变量,研究不同情况下的电极内部传输与反应机理。经验证,考虑固液相电位的模型能够较好的体现电极内部反应速率的差异,从而更加精确的反映电极内部传输与反应机理。研究了电极骨架形貌对反应过程的影响。结果表明,电极厚度对电极内部极化现象影响最大;增大充电电流密度能提高反应电流密度,且浓差极化现象更明显;降低孔隙率时,反应面积减小,反应速率降低,浓差极化现象增大。2.基于shan-chen模型提出一种描述瞬态条件下锌镍单液流电池烧结镍电极内部传质与主副反应的数值模型,模拟了电池充电过程中的瞬态变化过程,探究了不同电流密度下副反应的发生规律,研究了不同接触角,孔隙率对气泡产生成长脱落及与骨架相互作用的运动规律。采用界面接触长度参数对气泡影响电极内部反应的机理进行探究。研究发现,电流密度越大,副反应起始时间越早;接触角增大,电极内部氧离子脱离骨架更为便捷;孔隙率越大,氧气产生速率越小,脱出难度越大,且孔隙率影响大于接触角。基于上述工作,对锌镍单液流电池多孔正极内部传质与电化学反应机理有了一定新认知。