关键词： 界面追踪   相场模型   移动接触线模型   表面活性剂   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质内两相流现象广泛存在于油气田开发中,深刻认识其流动特征对油气田开发具有重要意义。多孔介质两相流现象具有典型的多尺度特征,达西定律是从宏观尺度描述多孔介质内流动,不能直接刻画多孔介质结构和油水在孔隙内的流动过程,因此有必要从孔隙尺度探究多孔介质内两相流动机理。本文基于相场模型和Navier-Stokes方程建立了一套孔隙尺度两相流数值模拟理论和方法,研究了多孔介质内的渗流规律,主要结论如下:首先,基于标量辅助变量法构建了相场两相流模型线性解耦的数值格式,并严格证明了提出的数值格式的无条件稳定性,且数值结果表明新的数值格式比传统的数值算法更加精确。第二,基于热力学第一定律、昂萨格变分原理以及相应的热力学关系式推导出相场移动接触线模型。考虑两种相场移动接触线模型:基于纳威边界条件的等密度相场移动接触线模型和基于一般纳威边界的变密度相场移动接触线模型。针对等密度模型,采用标量变量法和稳定法构造了线性解耦的数值格式,针对变密度模型构造了非线性耦合的数值格式,并严格证明了上述数值格式的无条件稳定性。数值结果表明在相同网格精度和时间步长下新的数值算法计算效率和精度更高。第三,提出了相场表面活性剂两相流模型高效稳定的数值算法。考虑等密度和变密度的相场表面活性剂两相流模型,分别构造了一阶线性解耦的数值格式和一阶线性耦合的数值格式,并在此基础上提出了的高阶数值格式。一阶的数值格式具有无条件稳定性而高阶格式是有条件稳定的。数值结果表明构造的数值算法可以很好的模拟表面活性剂在两相界面吸附和降低界面张力的性质。第四,提出了相场表面活性剂移动接触线模型,并基于热力学平衡推导出表面活性剂的吸附平衡性质以及状态方程。采用标量辅助变量法和稳定法构造了非线性耦合但是具有能量稳定性的数值算法。利用提出的模型和数值算法研究表面活性剂对化学非均质壁面上液滴运动的影响,观察到液滴三种不同的运动模式并给出了判别运动模式的相图。采用孔隙尺度两相流模型和提出的数值算法研究了特高含水期数字岩心内剩余油流动规律以及多孔介质内渗吸过程,并提出了对渗吸过程所属的不同流域进行划分的能量毛细数和相图,且对前缘形态进行定量分析验证提出的能量毛细数和相图的正确性。

关键词： 含铀砂岩   全尺度孔径分布   酸法浸出   孔隙结构演化   氮气吸附   核磁共振  

摘要： 含铀砂岩孔隙结构包含孔隙-裂隙双重介质,具有强烈的非均质性,这种复杂的特性对溶浸液的运移和铀浸出都有着重要的影响。因此,本文以伊犁盆地某铀矿床的含铀砂岩为研究对象,通过文献调研、现场取样和资料收集,结合多种室内岩石物理化学分析和酸法铀浸出实验,综合研究了此类含铀砂岩矿物组成、微纳米级孔径分布特征、非均质性以及各孔隙类型对孔隙度和渗透性的影响。并分析了在酸浸过程中,含铀砂岩微观孔隙结构演变特征及其主要控制因素,从而为提高含铀砂岩的铀浸出率和制定合理、高效和绿色的开采方案提供理论指导,为地下水对碳酸盐岩类地基和隧道工程的影响分析提供参考。主要研究内容与结论如下:（1）融合氮气吸附和核磁共振实验,获得含铀砂岩的全尺度孔径分布曲线。约60 nm和1μm孔径的粒间孔是该含铀砂岩的主要孔隙类型,控制孔隙度的大小,且其累积孔体积与岩石渗透性呈正相关。而溶蚀孔与其渗透性无明显相关性,但影响砂岩型铀矿床的采收率。（2）通过分析砂岩的微观孔隙非均质性和层间非均质性,该砂岩不同孔隙结构参数相对偏差变化趋势不一致,孔隙形态差异大且多变。砂岩孔径越小,微观孔隙非均质性越强。砂岩间孔径分布差异越大,含铀砂岩层的层间非均质越强。这种层间的非均质性导致岩层水平方向的渗透率变化,为合理设置井型井距参数提供依据。（3）开展含铀砂岩酸法浸出实验,该类铀矿床浸出过程中的浸出液铀浓度遵循指数函数规律。结合孔隙度变化过程分析,可将酸法浸出过程分为三个阶段。第一和第二阶段为表面化学反应控制的沉淀物堵塞,其中第一阶段是铀置换的主要完成阶段并伴随着CaSO4饱和沉淀,第二阶段主要为Fe（OH）3和Al（OH）3的析出。第三阶段为物理扩散控制的微小颗粒堵塞。通过不同阶段的堵塞机制和主控因素,可精确制定防堵措施。（4）分析每个浸出阶段孔径分布的变化规律,第一阶段产生大量的溶蚀孔,小孔径粒间孔被沉淀物堵塞,孔间连通性减弱,阻碍了溶浸液流通。第二阶段粒间孔和溶蚀孔的数量皆增加,渗透性有所提高。第三阶段粒间孔发生扩展-贯通,但部分溶蚀孔被微粒堵塞,总孔容减小,最终导致浸出液中溶质的运移速度减缓,影响铀浸出液回收。

关键词： 甲烷水合物   格子Boltzmann方法   分解   孔隙尺度   多场耦合   渗透率变化  

摘要： 天然气水合物是一种资源量丰富的潜在能源,天然气水合物藏开发是存在相态变化的多组分多相、非等温渗流过程。对多孔介质中甲烷水合物分解的基本认识对天然气水合物资源的开发利用和海底斜坡稳定性评价具有重要意义。在本文中,建立了一种基于格子Boltzmann方法的多孔介质中耦合非等温多物理化过程的反应输运孔隙尺度框架。该反应输运框架结合了甲烷水合物分解动力学模型,单相流动格子Boltzmann模型,传质格子Boltzmann模型和共轭传热格子Boltzmann模型。采用多个基准问题案例对该模型进行了验证,之后,利用该模型研究孔隙充填型水合物和颗粒包裹型水合物的吸热分解过程。分析了温度场、入口温度、入口压力对甲烷水合物分解过程的影响。此外,还采用线性回归分析渗透率、孔隙度、迂曲度和水合物饱和度的变化关系,建立渗透率变化模型,为宏观研究提供理论指导。研究结果表明,该模型能够很好的捕捉甲烷水合物分解过程中耦合的非线性非等温多物理化学过程,包括水合物固有分解动力学,气体流动,传质,相变传热以及共轭传热。较好的描述了不同水合物赋存状态下甲烷水合物分解的相态变化和孔隙结构演化,并对水合物分解前缘的演化和温度分布有了一定的认识。增大入口温度能够加速甲烷水合物分解过程,同样,降低入口压力也能加速甲烷水合物分解过程。另外,不同赋存状态水合物的归一化渗透率模拟结果与文献研究结果一致,这也说明了基于格子Boltzmann方法的水合物反应输运模型在水合物孔隙尺度生成/分解研究中具有广阔应用前景。

关键词： 孔隙尺度   格子Boltzmann模型   渗透率   四参数生长法   随机多孔结构  

摘要： 孔隙尺度下非牛顿流体模拟广泛应用于石油开采、生物医学中动脉瘤诊疗等领域,具有重要的实用价值和指导意义。由于非牛顿流体通常具有更复杂的本构方程,其粘度与剪切速率或速度梯度有关,传统计算方法难以有效处理这一问题。格子Boltzmann(LB)方法,作为一种具有动理学背景的介观数值方法,被广泛应用于非牛顿流体流动研究。它易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行化,在模拟复杂流体流动时展现了极大优势。本文利用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究孔隙尺度下非牛顿流体流动,并预测了多孔介质中非牛顿流体的渗透率的变化。首先,利用该模型数值模拟非牛顿流体(幂律流体和Bingham流体)在二维管道中的流动,验证了当前模型的有效性。当前MRT模型比传统Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)模型更加稳定,且同样具有二阶精度。其次,将微观结构理想化为圆形、方形、三角形组成的三种多孔介质形状,其介质大小的变化产生了具有不同孔隙率的多孔介质,其渗透率随孔隙率呈现一定的变化趋势。相同孔隙率下,多孔介质渗透率受到其微观结构排列的影响,其中方形排列相比圆形排列下的渗透率低,三角形排列最低。受惯性效应的影响,孔隙下的渗透率在不同雷诺数下发生变化,且与非牛顿流体本身性质有关。最后,利用随机重建技术(四参数生长法)生成更接近现实孔隙的随机多孔结构。模拟随机多孔介质内流体的流动,基于孔隙内剪切速率计算等效粘度,定性的给出粘度对流体流动的影响。相比于理想化多孔介质,现实多孔介质下非牛顿流体与介质间的接触相对增多,渗透率在相同低孔隙率下更小且变化范围更小。同样,随机多孔介质中的流动也受非牛顿流体本身性质影响。

关键词： 应力-气体长期作用   焦煤   孔隙结构   压汞   扫描电镜   低温氮吸附   显微CT  

摘要： 我国松软低渗煤层中煤层气资源的开采技术至今仍不完善,这不仅制约了我国煤层气的产业化发展,还由于煤与瓦斯突出问题严重对我国煤矿的安全生产造成巨大隐患。为了更好的抽采这部分煤层中气体资源,明确煤层松软低渗特点形成的原因,煤体微观结构的储气机理及影响因素的研究必不可少。本论文以我国的山西柳林焦煤为主要研究的对象,通过深入研究柳林焦煤在长时间在气体氛围与三轴应力的共同作用下,焦煤孔隙结构的演化规律,定性描述了气体氛围及三轴应力共同作用后焦煤的气体孔隙结构演化和特征,开展了煤储层多尺度孔裂隙定量表征的研究,剖析了气体作用对我国煤储层多尺度孔裂隙影响,阐明了煤储层受气体作用与三轴应力控制演化的机理,有利于认识和研究我国煤储层孔裂隙的演化和规律,为实现松软低渗透煤层气经济、高效的资源开发提供了理论参考,为松软低渗透煤层的成因以及煤矿的瓦斯安全防治从微观角度给出理论依据,以下是主要研究成果和认识:(1)构建了山西焦煤储层微观孔裂隙表征体系,采用低温液氮吸附、高压压汞试验直接测定,并结合扫描电镜SEM以及显微CT扫描三维重构及数学分形维数的方法,合理的阐明了吸附性气体与非吸附性气体的长时间作用对煤体微观结构的差异化影响。(2)通过低温氮吸附实验与压汞实验,发现气体与三轴应力作用对焦煤内部孔隙形状、比表面积与孔隙体积产生影响,进而改变焦煤的吸附性与渗透性。实验测得非吸附性气体氦气与三轴应力共同作用后的山西焦煤试样孔比表面积降低,孔容升高;吸附性气体氮气与三轴应力共同作用后山西焦煤试样孔隙形状复杂化,孔比表面积提高,孔容降低。(3)通过SEM电镜观察试样表面微纳米级孔隙的变化,进一步明确了煤体微观孔隙结构的主要影响因素,对比实验发现三轴应力作用为焦煤微观孔隙结构改变的主要影响因素,气体孔隙压力为次要影响因素,而气体吸附作用则对影响因素均有促进作用,加剧了二者对煤体微观孔隙结构的影响。(4)直观揭示了吸附性气体与非吸附性气体对煤体空间结构影响,对山西焦煤试样进行CT扫描及三维重构,还原了焦煤经长时间气体氛围与三轴应力共同作用下,微观孔隙的变化过程,精细化表征了气体氛围与三轴应力作用对煤体微观空间结构产生的影响。(5)通过实验发现吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中微孔、小孔产生影响,是因为氮气氛围与三轴应力对焦煤比表面积影响明显;非吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中中孔、大孔、可见孔产生影响,是因为氦气氛围与三轴应力对孔容的影响较大。我国高瓦斯突出矿井众多,主要分布于松软低渗透煤层区域,本论文研究成果对于此类型煤层瓦斯灾害防治、瓦斯消突以及煤层气抽采机理的研究具有参考借鉴的价值。

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

摘要： 电容去离子(Capacitive deionization,CDI)技术是一种能够快速去除盐溶液中带电离子的新技术。该技术是使盐溶液流过一对带电电极构成的通道,在电场的作用下实现对溶液中离子的吸附分离。与蒸馏、反渗透等传统脱盐技术相比,由于CDI操作成本低、环境友好、脱盐效率高等优点,近年来受到越来越多的关注。为了研究电容去离子技术的脱盐机理,首先设计并组装了电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元实验装置,并利用该装置在不同运行参数下进行了CDI脱盐性能实验研究,在此基础上,开展CDI脱盐机理分析。另外,结合格子Boltzmann方法在孔隙尺度下对CDI多孔电极内部离子的动态传质和吸附过程进行模拟与分析。主要研究内容如下:(1)宏观实验研究设计组装小型电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元,并构建完整的CDI脱盐系统,开展电容去离子脱盐性能研究。利用扫描电子显微镜(SEM)分析活性炭电极的表观形貌;利用循环伏安(CV)法分析了CDI多孔电极的电化学性能;研究了工作电压、溶液初始浓度以及进口流速等参数对CDI脱盐效果的影响,为CDI脱盐过程中运行参数的选择提供依据;利用等温吸附模型、吸附动力学模型分析了CDI多孔电极对溶液中离子的脱盐机理。(2)孔隙尺度下LBM模拟研究针对电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元的多孔电极负极,采用简化结构构造出CDI多孔电极二维骨架数字模型;将Navier-Stokes方程、浓度扩散方程以及Langmuir吸附模型耦合求解,提出了一种描述CDI多孔电极内部动态传质和吸附过程的LBM模型;对CDI多孔电极内盐溶液的动态传质和吸附过程进行模拟,探究了孔隙尺度下进口流速、孔隙率、颗粒粒径对CDI多孔电极吸附性能的影响。

关键词： 金属泡沫   力致变色   Science China Technological Sciences 2020   正十六烷   孔隙尺度   纳米线   混合不确定性   着火延迟   聚硅氧烷弹性体   气动人工肌肉   硅气凝胶   中文摘要  

摘要： 金属泡沫传热与流动特性的理论与实验研究进展王会,郭烈锦,陈康开孔金属泡沫可以大幅度提高散热器和热交换器的流动和传热等热物理性能,在空天热控与能源装备领域具有重大的应用前景,是空天热物理研究的重要课题,并越来越受到高度重视.深入了解金属泡沫的流动和传热特性,是正确设计金属泡沫换热器的基础.本文综述了金属泡沫强化传热和流动特性理论及实验研究的最新进展.金属泡沫孔胞简

关键词： 瓦斯运移   纳米级孔隙   渗透率   多尺度  

摘要： 煤体内部孔隙分布范围广泛,随着开采深度的增加,煤体中纳米级孔隙越来越多,严重影响了煤层气的运移和产出。纳米级孔隙中的气体运移规律,不同于常规达西流动,其流动方式随孔隙尺度和气体压力变化,且呈多种流态并存的非线性气体流动。但是,对于纳米级孔隙及低压条件下,气体流动规律和控制模型仍然存在争议,与工程应用也有较大偏差。因此,研究纳米级孔隙内气体非线性流动规律,是煤层瓦斯运移方面的重要内容及理论支撑,对煤层气开发利用、煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。为研究气体于纳米级孔隙中的流动规律开展了以下工作:首先选取了PMI渗透率测试实验系统,以及具有典型纳米级孔径和微平板高度的均匀孔隙氧化铝薄膜作为试样,为开展实验做准备;根据氧化铝薄膜SEM成像,利用MATLAB编程计算薄膜孔隙参数,通过对比分析了二值化法和最大稳定极值区域检测法,改进了氧化铝薄膜表征方法;首次较为系统全面的开展了不同纳米级孔径、不同气体性质、不同流动截面积以及跨尺度气体流量随平均压力变化规律的物理模拟实验;根据气体流动实验结果,对比分析了前人描述气体流动的控制方程,引入了符合广域努森数下的气体流动控制方程,分析了甲烷气体于纳米级孔隙中的流动规律。研究结果表明,表征氧化铝薄膜孔隙方法中,最大稳定极值区域检测出样品固有渗透率范围是0.0033m D～0.7618m D,二值化检测结果是0.0084m D～1.1730m D,二值化检测结果偏大,经效果图及理论验证,孔形近圆的薄膜最大稳定极值区域法更为准确,孔形与圆形偏差较大的薄膜,二值化检测结果更为准确;气体于纳米级孔隙中,渗透率随压力增大不断减小,且减小幅度随着孔径增大逐渐增大;不同气体于同一样品中,氦气所测渗透率大于氮气,但不同气体测得渗透率随克努森数变化规律基本一致,不同气体具有不同的传输能力;不同的流动截面积几乎对渗透率没有影响,气体流经不同尺度的孔隙时,较小孔隙占据主导地位;考虑滑脱流动与克努森扩散权重相加的流动模型与实验数据呈现更好的一致性。本文通过气体于均匀纳米孔隙中的实验研究,定性分析了气体在纳米孔中流动的规律,并验证了滑脱流动与克努森扩散权重相加的流动模型来描述气体流动状态更为合理,为建立考虑孔隙结构参数的多尺度孔隙数学模型奠定基础。

关键词： 格子Boltzmann方法   非等温   流体驱替   孔隙尺度   驱替效率  

摘要： 利用格子Boltzmann方法,在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究,定量分析温度粘性膨胀系数(βT)以及路易斯数(Le)对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明:随着βT的增大,界面不稳定性增强,驱替效率降低.当βT> 0时,随着Le的增大,界面不稳定性减弱,驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓,指尖残余率减小,驱替效率增大.当βT<0时,Le对于驱替效率的影响相反.

关键词： 燃料电池   气体扩散层   孔隙尺度   格子Boltzmann方法   结冰  

摘要： 针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.