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。

关键词： 甲烷水合物   孔隙尺度   降压分解   微观机理   数值模拟  

摘要： 天然气水合物已经被我国国务院列为新矿种,其低温高压的赋存环境和复杂多变的分解特性导致了对其开采的困难性。目前为止,降压开采法是海洋天然气水合物试采所采用的唯一方法。甲烷水合物的降压分解是一个多相多组分的流体流动传热传质问题,涉及到孔隙通道内部固相冰与水合物分解之间的相互作用。孔隙尺度下天然气水合物分解的微观特性、水合物分解过程中的微尺度效应、结冰和融冰效应、传质限制效应以及孔隙通道内的流体流动和水合物分解效应之间的耦合关系等科学问题的解决,是突破水合物分解基础理论局限,从而推动开采技术进步的关键。本文针对上述科学问题开展了孔隙尺度下甲烷水合物分解微观特性数值研究,探究了微孔隙内甲烷水合物降压分解的微观特性和机理,提出了模型中考虑相间传热和微尺度效应的必要性,明晰了结冰和融冰效应对水合物分解的具体影响以及三者之间的相互作用,揭示了传质限制效应对水合物分解微观机理的主导作用以及传质限制效应、结冰效应、融冰效应、水合物分解效应四者之间的耦合关系。主要工作如下:首先,基于甲烷水合物的基本属性和现有分解模型调研结果的综合对比,提出并验证了包括固态甲烷水合物相、气态甲烷相、液态水相、固态冰相和甲烷水合物组分、甲烷组分、水和冰组分的四相三组分的微孔隙内甲烷水合物降压分解数学模型,模型中引入了相间传热、冰相和滑移流,并据此提出了水合物分解过程中的微尺度效应,为全文研究微孔隙内水合物分解微观特性建立了理论依据。其次,基于构建的和验证过的数学模型,对真实的、较大的微孔隙网络切片内甲烷水合物降压分解时的微尺度效应进行了模拟探究,对无冰相和冰-水合物共存的情景分别探讨。研究发现:温度、压力、水合物相平衡压力、各相的体积分数、冰相的分布、水合物的分解速率和水与冰之间的质量传递速率等重要参数都受到了微尺度效应的严重影响,印证了在模型中考虑微尺度效应的必要性。基于冰-水合物共存的情景,提出了结冰和融冰效应(冰相效应)。再次,基于对微孔隙网络内甲烷水合物分解时微尺度效应的研究,将研究对象从孔隙网络转换到局部微孔隙处,针对冰-水合物共存条件下水合物的降压分解进行了探究,考虑了赋存水合物的微孔隙内可能存在的三种流动方向。探讨了结冰和融冰效应与水合物分解效应三者之间的耦合作用。研究结果表明:冰相的存在,增加了水合物分解进程的复杂性。冰的生成速率在微孔隙的死端(终端)附近较大,冰生成的同时也会伴随其他位置冰的融化,冰相的分布取决于两者共同作用的结果。在结冰初期,冰的生成促进了水合物的分解,增加了局部位置的压力,为这些位置水合物的二次生成和孔隙的瓦解变形提供了源动力。冰量足够大时将延缓、限制水合物的分解。冰相是否促进水合物的分解在一定程度上取决于当前位置冰的量。微孔隙内热量的变化主要依赖于水合物的分解吸热、冰的生成放热、冰的融化吸热、流体流动换热,其变化受到了结冰和融冰效应的严重影响。三种流态中微孔隙边界都为出口时,结冰和融冰效应对温度、压力、剩余甲烷水合物质量以及热量变化的影响最为严重。此外,水合物分解过程中其表面附近会聚集水和甲烷气,这种聚集状态在冰相存在时尤为复杂,据此本文又提出了传质限制效应,明确了模型改进的必要性和进一步研究传质限制效应的必然性。最后,在当前模型的基础上引入水层对甲烷水合物分解过程中质量传递的限制作用,结合水合物分解驱动力的基础理论,探究了局部微孔隙内甲烷水合物降压分解时的传质限制效应,并对无冰相和冰-水合物共存的情景分别探讨。研究表明:冰相存在与否,水合物分解时都存在传质限制效应。无冰相时,水合物在相对较高的温度下分解,传质限制效应对水合物分解驱动力的影响较大,导致了甲烷气的累积生成量、微孔隙内的热量传递等相关结果受到较大影响的必然性。冰-水合物共存条件下,水合物分解驱动力由结冰、融冰和传质限制效应三者共同主导。冰的存在在一定程度上弱化了传质限制效应。

关键词： 柴油机颗粒捕集器   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   传质传热   再生燃烧反应  

摘要： 柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)作为新一代柴油发动机尾气后处理装置,其凭借自身独特的多孔结构,对废气中的碳烟颗粒物进行捕集,能有效的减少颗粒污染物排放。DPF在捕集颗粒和再生控制中会涉及到复杂多相流动、传热、传质及化学反应等复杂过程。为了进一步提高DPF捕集效率,有必要系统的了解DPF内部的物理及化学传输特性。本文基于新型的格子Boltzmann方法,开发DPF孔隙尺度数值计算模型,深入研究碳化硅过滤器薄壁中的微纳米尺度气固两相流动,传质传热及再生燃烧化学反应过程。首先,采用格子Boltzmann方法中的不可压D2G9模型对DPF单通道内的流场及压力分布进行了模拟,并详细讨论了入口流速、孔隙结构,过滤器厚度对单通道内流场及压力分布的影响。研究结果表明:低入口流速下,DPF通道内的压力分布均匀;高入口流速下,低孔隙直径的通道内的气流倾向于从通道末端穿过过滤器壁;过滤器壁厚越大,前后端压力差越大。然后,基于元胞自动机概率模型设定适用于DPF中颗粒运动规则,并与格子Boltzmann模型进行耦合,利用验证后的耦合模型对壁流式DPF单通道内的气固两相流动及颗粒沉积特性进行数值模拟。研究结果表明:低流速下,气流对颗粒运动的影响较小,颗粒运动主要以扩散机制为主,且颗粒在通道内的沉积分布比较均匀;高流速下,颗粒运动主要以惯性机制为主,颗粒主要沉积在通道的中后段。过滤器的平均孔隙直径越小,颗粒更容易沉积在过滤器前端壁面,易形成滤饼层。最后,根据电子显微镜(SEM)扫描的Si C-DPF薄壁微观结构,利用四参数随机生成法重构了高精度Si C-DPF薄壁的二维三相数字模型,并使用格子Boltzmann方法对上述构建Si C-DPF薄壁数字模型进行多场耦合模拟计算,重点分析气体流动,传质传热,化学反应及固体热传导。研究结果表明,该模型可以高效的捕获孔隙尺度下的再生燃烧现象,并可以预测控制再生燃烧的各种机制。就氧气的利用率及稳定的燃烧温度而言,扩散控制更适合再生燃烧,即低Pe数和高Da数。综上所述,本文通过数值模拟方法,对DPF孔隙尺度下的复杂多相流动、传热、传质及化学反应等过程进行了相关讨论分析,克服了试验微观可视化的局限性,为提高捕集效率,优化再生控制、降低DPF生产成本的具有重要的理论和实际工程意义。

关键词： Al/Al2O3功能梯度材料   渐近均匀化   细观孔隙   弹性模量   多尺度  

摘要： Al/Al2O3功能梯度材料是一种先进的多相复合材料,由于其具有比重小、耐高温、耐磨损、抗热震等特点,被广泛应用于现代航天工业中。从宏观上看,Al/Al2O3功能梯度材料具有梯度特征。在某些方向上,材料性质按照特定规律连续变化;在其他方向上,材料性质是均匀不变的。从细观上看,Al/Al2O3功能梯度材料中各组分材料的弹性模量相差较大,且位置随机分布,在Al/Al2O3功能梯度材料制造和服役的过程中还极易产生细观孔隙。这些孔隙对材料的力学性质有着明显的影响,极大的影响构件的安全性和稳定性。从Al/Al2O3功能梯度材料这种特殊的细观结构特征上看,其力学响应也必然是一个受其细观结构控制的多尺度行为。通过引入两种长度尺度,借助有限元等数值求解技术,可以有效分析具有复杂细观结构的Al/Al2O3功能梯度构件。本文在渐近均匀化方法的框架下,以含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料为研究对象,主要的研究内容如下:（1）推导基于功能梯度材料的渐近均匀化方法理论公式,并编写其有限元程序本文利用高斯函数的随机叠加,得到了细观形貌函数,并通过随机生成孔隙,建立了含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料的细观形貌。通过介绍渐近均匀化方法模型的建立、有限元公式的推导和均匀化程序的实现,阐述了基于功能梯度材料的渐进均匀化方法的理论框架。并将渐近均匀化方法计算完美Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的结果与文献中自洽方法的结果相对比,验证了渐近均匀化方法计算Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的可行性。（2）利用渐近均匀化方法研究细观孔隙对Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的影响本文利用渐近均匀化方法分析了孔隙数量、位置、大小和孔隙率对含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的影响。并拟合得到了与Al2O3体积分数和孔隙率相关的含细观孔隙Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的预测公式。（3）含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度结构的多尺度研究本文利用渐近均匀化方法结合梯度有限元方法对Al/Al2O3功能梯度结构进行多尺度应力分析,通过在细观上利用陶瓷和金属各自的失效准则定义了功能梯度结构的安全性。并以此来分析细观孔隙对Al/Al2O3功能梯度结构宏细观应力分布以及安全性的影响。

关键词： X-CT   准饱和   圈闭气体   孔隙尺度   地下水  

摘要： 地下水中如果存在圈闭气体则被称为准饱和状态。圈闭气体的存在会极大的影响含水层的水力学性质。目前对于准饱和圈闭气体的形成和演化还没有充分的理解,从微观尺度研究准饱和介质中圈闭气体的影响因素、形成过程和逃逸过程,具有重要的科学与实践意义。本文利用X-CT技术开展了圈闭气体的微观特征、毛细带和准饱和带的气相的对比以及圈闭气体逃逸的微观观测,旨在深入地理解圈闭气体的影响因素、形成过程、逃逸条件与过程。论文主要取得了以下成果:(1)对准饱和状态下3种不同粒径和粒度样本的观测,介质的粒度均匀性好、粒径小有利于断开方式的圈闭气体形成,所圈闭的气泡数量更多、气泡的尺寸分布更广;孔隙配位数大、孔喉直径小和孔隙腔喉比大的介质,更容易形成以断开(“snap-off”)方式的圈闭气体,并且其圈闭气体饱和度更大。(2)准饱和带和毛细带气相微观研究表明,在水位上升时,毛细带是圈闭气体前锋,准饱和带中圈闭气体绝大部分是在毛细上升过程中形成的。(3)不同真空度下,圈闭气体的逃逸过程中,孔隙中小气泡与大气泡相比先一步逃逸,并且在逃逸时部分气泡会破裂并形成多个小气泡,也有少量气泡聚合更大的气泡;气泡开始大量逃逸时的抽提压力需达到80 Kpa,并且在抽提压力达到95Kpa时仍有大量气泡未从孔隙中逃逸。另外,对气泡逃逸临界毛管力的计算得出,圈闭气体的逃逸阻力是于束缚圈闭气体的最大毛管力的3-5倍。