关键词： CO2盐水层封存   孔隙尺度   相场法   非均质性   数值模拟  

摘要： 温室效应导致自然灾害频发,严重影响人类社会的生产与生活。CO2是温室气体的主要成分,减少CO2排放成为缓解温室效应的首要目标。CO2盐水层封存是减少CO2向大气排放最有效与最具有发展潜力的方法之一。理解CO2在盐水层内的驱替过程、CO2溶于盐水引发的自然对流过程对评估该方法安全性和有效性具有重要意义。储存结构非均质性决定了CO2/盐水运移过程是一个复杂的水文地质过程。因此,研究结构非均质性对CO2盐水驱替以及对流混合过程的影响具有重要价值。多孔介质非均质性是影响CO2/盐水驱替的重要因素。相场法可以有效实现对多孔介质内CO2/盐水相界面的捕捉。本文运用相场法建立数值模型,研究孔隙结构非均质性对CO2/盐水两相驱替的影响。研究表明:1)CO2饱和度与CO2指进的形成、发育均受多孔介质非均质性影响;2)胶结物的存在改变了多孔介质的连通性,能够引起绕流,促使指进产生,增加驱替的不稳定性;3)死孔导致残余水饱和度增高,CO2饱和度降低;4)在润湿性非均质（亲水性）介质内CO2指进被抑制,导致CO2饱和度急剧增加。对流混合可以有效促进CO2的溶解速度。流体动力学与Darcy渗流描述的是不同尺度的现象,前者适用于孔隙尺度描述了孔隙内流体间的相互作用,后者适用于岩心及更大尺度描述了多孔介质内流体平均流速与多孔介质宏观物性的关系。本文在孔隙尺度下对初始时间步长及岩心尺度下对网格数量做敏感度分析,对比孔隙-岩心尺度模型,孔隙结构非均质性对对流混合的影响。研究表明:1)初始时间步长与网格数量对模拟有一定影响,都会导致对流强度与指进触底时间的改变。2)与孔隙尺度相比,岩心尺度下对流混合不稳定积累时间长,指进触底时间晚,相同时间下CO2溶解量少;3)与均质孔隙结构相比,局部孔喉减小、胶结物存在都会延长指进触底时间,局部孔喉增大会缩短指进触底时间。

关键词： 格子Boltzmann方法   孔隙尺度   渗流   传质   化学反应  

摘要： 近些年来,可再生能源开发利用的规模不断扩大,储能技术的研究与应用日益广泛。不同的储能技术都有其各自的优缺点,氧化还原液流电池被认为是将成为未来储能技术的发展趋势。氧化还原液流电池简称液流电池,根据其有无离子交换膜的结构特点可分为双液流电池和单液流电池。锌镍单液流电池就是一种无须离子交换膜的单液流电池,由防化研究院于2007年提出,它以烧结氧化镍为电池的正极,以锌为电池的负极,电解液为碱性锌酸盐溶液。锌镍单液流电池具有成本低、结构简单、循环寿命长等优点,可以为大规模储能提供一个高性价比的解决方案。本文利用格子Boltzmann方法探究了烧结镍多孔电极内渗流、传质与电化学反应的耦合问题,本文的主要研究工作如下:1)根据QSGS多孔介质重构方法的构造特点,分析其在构造一些特定结构的多孔介质时存在的不适用性原因,围绕锌镍单液流电池多孔烧结镍正极有针对性的提出了两种改进思路与方法,形成了基于改进四参数随机生长法的可控型多孔介质虚拟重构法,并利用改进的方法重构了锌镍单液流电池正极烧结镍的数字多孔介质模型。2)在锌镍单液流电池单个通道正极附近划定合理的计算区域,结合控制方程模型,利用格子Boltzmann方法求解了计算区域内的流场,通过改变计算区域的进口流速、流道宽度以及多孔介质骨架形态等条件,来探究其对烧结镍正极内部渗流的影响规律。3)提出一种描述烧结镍电极内部传质和化学反应的孔隙尺度模型,结合格子Boltzmann方法进行模拟计算,模拟了电池充放电过程中,正极荷电状态在50%时的稳态反应过程,得到了孔隙内OH-浓度、电流密度以及固相质子浓度的分布规律;探究了进口流速和放电电流密度对电极内传质和化学反应的影响。基于上述工作,作出了一些前瞻性的成果,证明了研究方法的可行性和技术路线的合理性,为进一步更加细致的探究电极电化学反应机理奠定基础。

关键词： 矿堆散体表征   双尺度孔隙结构   孔隙尺度浸矿模型   渗流一传质—反应—传热多场耦合   浸矿仿真  

摘要： 论文结合μCT扫描、计算机三维图像处理方法和浸矿过程建模仿真等手段,研究堆浸体系宏细观结构特征和水力学特性,提出矿堆结构精细化表征参数体系,基于矿堆三维图像,建立两级渗流—两级传质—固液反应—多相传热的浸矿多场耦合模型,通过氧化铜矿浸出的数值仿真,揭示孔隙尺度浸矿体系各物理场动态响应机制,主要研究工作如下:(1)通过MCT扫描获取浸柱和矿石三维图像,基于三维图像处理方法,分析矿石单颗粒和散体形态特性,形成以粒级—球度—颗粒排列—颗粒内矿物分布的矿石颗粒散体表征体系和以孔喉轴线长—断面面积—断面周长的孔隙表征体系,并以工艺矿物学分析和常规筛分实验结果部分验证图像计算的有效性。(2)提出两种基于图像计算的矿堆水力学特性预测方法:通过浸柱CT图像的颗粒散体特性分析,利用Carman-Kozeny经验方程计算介质渗透率;采用直接孔隙图像开展Navier-Stokes流动模拟计算任意(孔隙型/裂隙型)多孔介质渗透率/水力传导率。开展浸柱渗流实验,验证图像预测渗透率的可靠性。根据孔喉图像计算孔喉断面形状系数(圆度—粗糙度—径长比)和无量纲水力传导率,利用反向传播(BP)神经网络,建立形状系数与无量纲水力传导率的新关系。(3)在阐明宏细观结构和物理特性差异的基础上,根据矿堆三维CT图像构建双尺度孔隙结构矿堆,建立基于Navier-Stokes和Brinkman's双区域控制方程的矿堆渗流模型,开展两级渗流模拟,实现优势流可视化,分析细观体系重要性。(4)在两级渗流模型基础上建立包含宏观孔隙、脉石颗粒和孔雀石的双尺度孔隙结构矿堆浸矿模型。构造宏观孔隙和脉石颗粒内的两级渗流和对流—扩散传质控制方程,宏观孔隙、脉石颗粒和孔雀石中的对流—热传导多相传热控制方程,溶浸液与脉石矿物反应的区域反应控制方程,以及溶浸液与孔雀石反应的界面反应控制方程,分析渗流、传质、反应和传热过程的耦合关系,建立浸矿多物理场数学模型。(5)利用双尺度孔隙结构矿堆模型开展氧化铜矿浸出过程仿真,分析了浸矿体系离子(H+、Cu2+、Ca/Mg2+)浓度、矿堆温度场以及钙镁脉石和矿石矿物浸出程度的整体变化趋势,再现了矿堆内流场、离子浓度场、矿堆温度场以及局部钙镁脉石和矿石矿物(未)浸出率的分布;通过比较不同浸矿条件下的浸出效果,分析各因素对浸矿过程的影响。开展小型柱浸实验验证双尺度孔隙结构矿堆浸矿模型,监测浸出液H+浓度、铜及钙镁浸出率变化,并与仿真结果比较,分析实验与仿真差异及其原因。

关键词： 瓦斯流动   吸附解吸   菲克扩散   密度差驱动流   多尺度机理   双重孔隙  

摘要： 煤层瓦斯防治与利用是关乎煤矿安全开采,清洁能源高效利用以及温室气体排放三个方面的重要问题,一直是能源开采和环境保护等领域关注的热点。煤层瓦斯抽采、煤层气开采是防治瓦斯事故,捕获瓦斯能源以及控制温室气体排放的关键技术。煤体瓦斯流动理论是人们对煤中瓦斯存储、瓦斯解吸,瓦斯流动和瓦斯产出过程的理解和认识,是进行掌握瓦斯储量,评估瓦斯灾害风险,计算瓦斯涌出并制定防治措施,预测瓦斯产能,设计瓦斯资源开发等实际工程问题的基础和依据。本研究基于前人的研究成果,在煤体瓦斯流动理论的几个方面进行了以下探讨和尝试:煤层瓦斯含量计算方法,煤基质瓦斯吸附解吸机理及理论模型,煤层瓦斯多尺度流动机理及理论模型构建,数值离散及解算模拟程序开发等。本研究首先探讨了煤层瓦斯流动中关于瓦斯含量的计算问题,指出一般应采用朗格缪尔方程表示瓦斯含量,而当前仍有许多工程计算和学术文献中对瓦斯含量计算的简化(抛物线方程近似或P.M.克里钦夫斯基近似)。通过数值计算和理论计算对三种瓦斯含量计算方法进行了对比,定量分析了简化计算所造成的误差,发现:将朗格缪尔方程的瓦斯含量曲线近似为抛物线方程,由此所带来的误差较小,但采用P.M.克里钦夫斯基引起的误差是不可接受的;精确计算瓦斯流动时,应根据朗格缪尔式进行计算瓦斯含量。煤体是由裂隙和煤基质构成的典型的双重孔隙介质,煤体裂隙内的瓦斯流动机理已被广泛接受,而煤粒/煤基质内的瓦斯流动机理仍存有争议。本文通过研究当前有关煤粒/煤基质瓦斯流动理论的学术文献,认为煤中孔隙结构复杂且孔径分布广泛,气体流动应是多尺度多机理现象,仅用菲克扩散去描述多尺度孔隙中瓦斯运移是值得怀疑的。在现有理论的基础上,提出了密度差驱动流的概念,将煤体孔隙内的吸附瓦斯和游离瓦斯一并计算为瓦斯密度,将孔隙中的渗透和扩散经过传质概念的整合,统一为密度差驱动流,提出新的瓦斯吸附解吸理论模型。通过恒定环境和变压环境下的多尺度煤粒瓦斯吸附解吸实验,验证了本文提出的理论模型在描述煤粒/煤基质中瓦斯运移方面的有效性和优越性。通过研究现有的煤体瓦斯流动模型及数值模拟软件,认为有关煤基质瓦斯运移的模拟技术和数值解算方法有待改进。基于煤中瓦斯多尺度流动机理和双重孔隙模型,考虑煤基质收缩,有效应力和瓦斯多尺度流动的耦合机制,构建双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动数学模型。该模型相较于其他双重孔隙模型的特点在于:考虑了煤基质内的渗流,扩散,将两种流动统一为密度差驱动流,并且充分考虑基质内的游离瓦斯和吸附瓦斯,与实际煤基质的瓦斯流动更为符合。通过有限差分法对双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动数学模型进行离散,并基于Visual Basic编程平台独立开发了高效的数值模拟软件。该数值求解的优势在于:基质系统和裂隙系统不再相互重叠,流场中的任一点只有一套参数,基质参数或者裂隙参数,并且基质和裂隙之间的质量交换仅发生在基质块的表面,而不是作为在裂隙网络中均匀分布的质量源。这一处理有别于现存的其他双重孔隙模型的解算,与实际流场更为接近。通过将模拟结果与两套现场瓦斯抽放数据进行对比,验证了本章所建瓦斯流动模型及数值模拟软件的正确性。基于自主开发的煤体瓦斯流动数值模拟软件,进行了煤中气体流动和钻孔瓦斯抽采的一系列数值模拟,研究结果表明:煤体裂隙的初始渗透率越高,钻孔瓦斯流速越大。在抽采初期,改变裂隙渗透率对提高钻孔瓦斯产出效率有重要作用,但对抽采后期瓦斯产出效率影响不大。煤基质的渗透性对抽采初期的瓦斯产气效率影响较小;煤基质渗透率越大,抽采后期瓦斯产出效率越高,抽采过程中产气速率衰减越慢;煤基质的尺度越小,煤基质的释放瓦斯的速度越快,基质的累积瓦斯释放量越多。煤体中基质尺度越小,瓦斯产出速率越大,产气速率的衰减越慢。研究结果表明煤基质的尺度和渗透性是影响基质内气体运移的两个重要参数,也是影响抽采后期瓦斯产率的关键因素。同时表明瓦斯产出过程中产气机理随开采时间不断变化:在产气初期,裂隙中的达西流主导产气速率,在产气后期,基质内的密度差驱动流主导产气速率。

关键词： 孔隙尺度模拟   反常弥散   多孔介质   胶结度   分选度   死端孔隙  

摘要： 近年来地下水污染问题日益突出,且由于由固体颗粒堆积构成的多孔介质连通性好,污染物更容易进入其中造成地下水污染。长期以来,传统对流弥散模型(ADE模型)被用来模拟多孔介质中溶质运移过程。传统ADE模型将多孔介质中溶质运移过程描述为溶质羽的质量中心以平均流体流速沿主流动方向匀速迁移,而溶质羽在其质量中心周围的弥散行为可以用Fick's定律刻画。在该描述下溶质弥散系数为常数,溶质羽空间一阶矩、二阶矩均随时间线性增大。然而,越来越多的试验及模拟结果表明,多孔介质中溶质运移过程表现出很多系统偏离传统ADE模型预测结果的现象。如穿透曲线BTC与传统ADE模型预测的结果相比,常常存在首次穿透提前、完全穿透滞后的现象,即早穿透和后期长时间拖尾现象。另外,溶质弥散系数常常随运移时间增大而不是传统ADE模型预测的为常数,溶质羽空间一阶矩、二阶矩常常随运移时间非线性增大,这种现象被称为尺度效应。表现出以上早穿透、拖尾及尺度效应现象的溶质运移过程称为非菲克运移或反常运移。在很多实际问题中,需要精确预测多孔介质中溶质运移早期及后期穿透行为。另一方面,深刻理解多孔介质中的尺度效应,有助于提高多孔介质溶质运移预测精度。因此,对多孔介质溶质反常运移行为的研究具有重要的理论意义和实践价值。已有研究表明,多孔介质微观结构对溶质反常运移行为有较大影响,固体颗粒胶结度、分选度以及多孔介质中广泛存在的死端孔隙,对多孔介质孔隙结构的几何特征有显著影响。然而,针对不同胶结度和分选度的多孔介质中溶质反常运移行为特征及其内在机理、死端孔隙对溶质运移影响的研究还很少。本文运用数值模拟方法,在孔隙尺度上研究了固体颗粒胶结度、分选度不同的多孔介质中溶质运移行为特征及其内在机理。同时,研究了死端孔隙中,溶质滞留时间的概率分布形式及其影响因素,探讨了死端孔隙对溶质运移的影响。本文主要得到了以下结论:(1)不同胶结度的二维、三维多孔介质中孔隙尺度上的溶质运移模拟结果均表明,当胶结度增大时,溶质运移早穿透、后期拖尾现象均有所增强,其中拖尾现象的增强更加显著。同时,穿透曲线BTC越来越偏离传统ADE模型预测的结果,溶质运移过程更加反常。三维多孔介质中溶质羽空间矩及传递函数模拟结果表明,当胶结度不同时,溶质运移过程中溶质羽空间分布随时间的演化行为也完全不同。胶结度大的多孔介质中,空间二阶矩不再随时间线性增大,而是以幂函数的形式增大。尺度效应明显增强。另外,随着胶结度增大,溶质运移传递函数中逐渐出现停滞浓度峰,且胶结程度越大,停滞峰峰值越大、持续时间越长。(2)不同胶结度的多孔介质中流场模拟结果表明,当胶结度增大时,二维、三维多孔介质中流场特征表现出相似的变化趋势。随着胶结度增大,流场非均质性明显增强,流速概率密度函数分布更加发散,且不流动区域、优势流区域明显增多。溶质运移连通系数CT及传递函数随时间的演化行为表明,正是以上流场特征变化导致了不同的溶质运移行为。(3)在由不同粒径的两种固体颗粒掺杂、堆积构成的多孔介质中,当Rb从0.0逐渐增大到1.0的过程时,溶质运移反常程度存在一个最大值和一个最小值。且当固体颗粒粒径、流体平均流速、溶质扩散系数改变时,对应于反常程度最大和最小的Rb值即Rbmax、Rbmin基本不变。(4)在不同死端孔隙中,溶质粒子等待时间的概率密度函数具有相似的形式,即在前期随时间按幂律衰减,后期逐渐转变为指数衰减。两种衰减形式转变时刻与死端孔隙长度的平方成正比,与溶质扩散系数成反比。众所周知,等待时间随时间按幂律衰减表明溶质运移过程为反常运移过程,等待时间随时间按指数衰减表明溶质运移过程为菲克过程。因此,死端孔隙长度对溶质反常运移有很大影响。

关键词： 超临界二氧化碳   咸水层封存   孔隙尺度   数值模拟   两相流   毛细管数   接触角  

摘要： 以咸水层封存二氧化碳(CO_2)为研究背景,利用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)多相流模型建立孔隙尺度多孔介质计算模型,研究了超临界二氧化碳(Sc-CO_2)注入到含水多孔介质中的两相运移规律。对比分析了毛细管数、地质封存压力、Sc-CO_2注射温度、两相表面张力系数、接触角等因素对两相运移速率以及驱替效率的影响,同时将不同毛细管数下的驱替效率与实验数据进行了对比。研究结果表明,随着毛细管数的增大,驱替效率先减小然后趋于稳定,数值模拟与实验数据吻合良好;在同一孔隙率下,在壁面表现为亲水性时,壁面润湿性越好,驱替速率越快,但驱替效率有所下降;同时毛细管数越小、地质封存压力越低、注射温度越高、张力系数越小驱替速率越快,且驱替效率越高。

关键词： 页岩   纳米孔隙   跨尺度   跨流态   流动规律   表观渗透率  

摘要： 基于近年来页岩孔隙中流动规律研究的大量文献调研成果,对较为经典的Beskok-Karniadakis理论、Javadpour模型、Civan模型和Swaim模型及各种改进模型进行了研究,重点分析了微纳米孔隙中滑脱流态和过渡流态的计算模型、修正公式及分配系数的设计方法。对于跨流态的流量计算,需要厘清各微观作用机理导致的壁面效应,避免流量的重复计算。采用表观渗透率来等效页岩的渗流能力能够综合体现页岩气藏中特有的流动机理,有效修正微纳米孔隙中不同流态的非达西渗流。如何建立既考虑宏观尺度的流动形态,又考虑孔隙微观作用机理的表观渗透率模型,成为页岩微纳米尺度流动理论的研究方向。

关键词： 输运特性   分形   量纲统一   尺度转换   油藏孔隙  

摘要： 油藏孔隙分布具有分形特征,如何将分形描述方法应用到油藏多孔介质内流体的输运特性研究过程中,目前的研究方法存在一定局限,主要是没有考虑量纲统一原则和尺度效应等。本文基于量纲统一原则,利用分形描述方法,对油藏多孔介质内输运过程渗透率和渗流流量进行了推导,得到了输运特性参数的单位尺度转换系数,据此可以实现基于微观分形特征描述来分析宏观输运过程。本文建立的分形输运描述方程能够实现不同尺度层级间的转换,得到的宏观特性参数结果更接近实测值。基于本文所建模型,利用某油藏数据进行了分析验证,得到了输运流量及渗透率变化规律与实际油藏的分布规律吻合。

关键词： 增强型地热系统   流体力学数值模拟   孔隙尺度   岩心尺度   场地尺度  

摘要： 增强型地热系统(EGS)作为地热资源重要的开发形式,储量十分丰富,开发利用前景广阔,所以EGS的开发利用引起国际社会和研究领域的广泛关注。本文从孔隙尺度(PSM)、岩心尺度(CSM)到场地尺度(FSM)3种流体力学模拟方法展开分析,阐述了不同数值方法在增强型地热系统的应用现状、技术优势和存在的问题。认为可将PSM方法作为基础模型,3种不同尺度的数值模拟方法有机协同地联系在一起,为基于增强型地热系统的数值模拟方法研究指明了方向。

关键词： 岩性分类   参数粗化   闵可夫斯基函数   逾渗几何   K均值   高斯混合模型  

摘要： 随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形态学函数值,采用K均值聚类得到水平层理,并通过空间插值和K均值聚类确定出岩石不规则层理.对于水动力学岩性分类,计算逾渗几何参数,使用有监督无监督高斯混合模型进行分类,分类结果与连通孔隙结构性质匹配良好.基于层状层理、不规则层理、水动力学岩性分类结果提出相应参数粗化公式,计算局部岩样渗透率、电导率反推整体岩样渗透率、电导率.研究结果发现基于水动力学岩性分类结果建立的参数粗化公式获得的整体岩样渗透率、电导率最为准确.