关键词： 表面光学   辐射   光谱特性   蒙特卡罗法   泡沫材料   孔隙尺度  

摘要： 实验测量了不同厚度的泡沫镍在0.4~2.2μm波长的法向-半球反射率/透射率,采用蒙特卡罗法对泡沫镍的计算机断层扫描结构进行孔隙尺度辐射传输建模,对比研究了泡沫镍辐射特性随入射光谱和样品厚度的变化,计算得到了泡沫镍辐射特性的孔隙尺度分布特征。结果表明:所建立的泡沫镍孔隙尺度辐射传输模型在计算其光谱辐射特性方面具有正确性。波长增长,吸收率逐渐降低,反射率逐渐升高;样品厚度增加,吸收率逐渐升高并趋于稳定,透射率逐渐降低至0。孔隙尺度辐射特性分布强烈依赖于局部纹理结构,波长1.5μm时,泡沫孔隙中的平均吸收率是肋筋上的1.5倍,而肋筋上的平均反射率则达到孔隙中平均反射率的3.7倍。

关键词： 多孔介质   两相流   孔隙尺度   渗透过程   三相传热   守恒式水平集法  

摘要： 流体在多孔介质中的渗透及传热过程在学术研究和实际工程领域中，例如地理物理学、化学工程、农业与环境保护、材料和医药科学，都是一个普遍存在的重要问题。因此，对流体在多孔介质中的渗透及传热过程进行精确建模，不管是在学术研究领域还是在实际应用领域都已经成为一个研究热点。本文基于守恒形式水平集法(Conservative Level Set Method，CLSM)，利用来源于试验中的实际多孔介质结构二维SEM图片，提出了一个模拟流体在多孔介质中渗透流动及传热过程的孔隙尺度两相流数值模型。与基于达西定律(Darcy\'s law)、布莱克曼方程(Brinkman equations)及理查德方程(Richards\' equation)等传统方法相比，利用该模型能够更好地对流体在多孔介质渗透过程中的流动结构及传热行为进行细节描述。同时，与渗透试验中流动前沿演变的数据相比，该数值模型得到的计算结果最大相对误差不超过5％。特别是基于实际多孔介质几何特征，该模型能够精确捕捉流体在多孔介质中渗透过程中流动前沿随时间的演变特征。另外，基于本文提出的孔隙尺度两相渗透流动模型，对多孔介质的一些重要参数（如，有效渗透率、水力迂曲度及对流换热系数）的数值测定方法及其在渗透过程的演变情形进行了详细分析，同时也对三相传热过程进行了深入细致的研究。基于渗透试验及数值计算结果，本文的研究内容及结论主要包括:\n (1)基于实际多孔介质几何结构特征，利用本文提出的孔隙尺度两相渗透流动数学模型，能够精确得到流体在孔隙尺度渗透过程中的流动结构特征，如流动前沿位置、速度场、压力分布、潜在渗透缺陷及优势流动路径等。在对上述流动特征深入研究的基础上，能够得出的主要结论包括:(i)对多孔介质进口施加周期、剧烈改变的外部驱动压力，即振荡压力，更有利于流体在多孔介质中进行孔隙尺度的渗透流动;(ii)流体在多孔介质中的孔隙尺度渗透流动过程中，最大速度值并不总是出现孔喉流道里;(iii)渗透过程中的潜在流动缺陷，如气泡、空洞等，更可能出现在流体流动速度极低区域;(iv)优势流动路径对流体在多孔介质中渗透的均匀性和充分性具有巨大的不良影响。\n (2)宏观尺度上，有效渗透率是计算和预测流体在多孔介质中渗透或者输运过程的一个关键参数。可是，无论是试验法、理论分析法还是数值法，得到渗透率的测量方法或者模型都是针对流体在饱和多孔介质中的稳定流动而且基本上都是间接或者建立在预定义的虚拟多孔介质几何结构特征上。据我所知，基于实际多孔介质几何结构特征的渗透率随时间的演变行为涉及极少。因此，根据本文提出的孔隙尺度两相流模型和来源于试验中的实际多孔介质几何结构特征，基于数值计算结果利用达西定律计算了不饱和渗透率。同时，也对渗透率随时间、空间及饱和度的演变过程进行了深入研究。其研究结果表明:(i)和其他参数（最小、平均渗透流动前沿长度。）相比，沿着流动方向的最大渗透前沿长度更能表征流动前沿的空间演变行为;(ii)不饱和多孔介质的有效渗透率随时间和流动前沿推进呈现出指数衰减趋势，随饱和度呈现出幂律衰减趋势;(iii)流体在多孔介质孔隙尺度渗透流动的过程中，饱和度对渗透率演变行为具有非常大的影响。\n (3)迂曲度是一个能够提供多孔介质复杂结构更多细节信息的关键参数，而且对描述多孔介质宏观渗透行为的特征参数（渗透率）具有非常大的影响。它也是一个联系多孔介质宏观渗透性能和微观结构特征的桥梁。可是，无论是采用经验法、理论分析法还是数值法，得到迂曲度的测量方法或者模型都是针对饱和多孔介质。现在，在数值模拟的结果的基础上，不需要任何多孔介质结构参数，应用矢量计算法(Vector-based Tortuosity Method，VTM)计算它的迂曲度。通过三种不同性质流体的数值试验表明，该法计算的迂曲度最大重复性相对误差不到1.0％。与各种的经典模型计算得到的结果相比，其最大误差不到10％，二者具有非常高的一致性。同时达到了两个目的:(i)提供了一个对不饱和多孔介质迂曲度随时间演变全面直观的理解，迂曲度反映了多孔介质微观结构拓扑特征，事实上，它是等价于孔隙流道的互联性;(ii)同时也澄清了一个事实:水力迂曲度是多孔介质的固有属性，而它不依赖于流体的物性参数，饱和度对其具有非常大的影响。\n (4)基于两相流体在多孔介质渗透过程得到的速度场，对两相流动三相传热过程中的温度场（等温线）、热流线、流固两相和三相接触界面平均温度、温差及界面对流换热系数随时间演变情况作了详细分析并得到了几点结论:(i)目前尽管还没有更充分试验证明，可是在当前数值计算条件下，发现流动前沿的演变情况对三相温度场的演变情况影响不大，至少在表征单元体孔隙尺度上如此;(ii)同时也发现热流流动路径与流体流动路径截然不同，也可以初

关键词： 孔隙尺度   冻胀   冻融循环   热固耦合   水热迁移  

摘要： 冻土约占全球陆地面积的70%,我国拥有的冻土面积位列世界第三,约占国土面积的75%。我国越来越多的交通基础设施,如高速公路、高铁等将在冻土区修建。气温的周期性变化引起高速公路、高铁等路基土体的冻胀、融沉等病害。因此,土壤冻融循环过程中冻胀特性及水热迁移规律的研究对冻土地区基础设施建设具有重要意义。现阶段针对土壤冻融过程冻胀特性的研究偏重于宏观实验分析,而相关的数值模型也无法处理非稳态孔隙结构对冻胀特性的影响。本文基于热固耦合数值计算方法,将土壤冻胀过程拆分为热传导过程及孔隙水膨胀过程,建立了由非稳态导热微分方程及瞬态动力学基本运动方程控制的土壤冻胀数学模型;根据测试的土壤颗粒级配及孔隙率,建立了球形土壤颗粒几何模型及孔隙水几何模型。针对不同冻融循环次数,土壤颗粒直径级配分布及冻结温度,从土壤内部温度分布及土壤颗粒位移两个方面对土壤冻胀特性进行了数值模拟研究。结果表明,直径较大的土壤颗粒的冻结速率小于直径较小的土壤颗粒的冻结速率,同时,冻结速率随着土壤上表面温度的升高而减慢;直径较小的土壤颗粒在冻结时发生的位移大于直径较大的土壤颗粒的位移,且直径级配分布的土壤颗粒在冻结时发生的位移要明显大于直径均匀分布的颗粒位移;在冻融循环过程中,随着冻融循环次数的增加,土壤颗粒在冻结时发生的位移逐渐减小。基于室内冻土冻胀实验台,通过采集土壤温度、含水率、上表面位移等参数,分析了冻结过程各参数的变化规律,以及土壤冻融循环次数对冻胀量、土壤内部水热迁移强度的影响。实验结果表明,在土壤冻融状态转变的过程中,土壤含水率与水势均发生了突变的现象,通过分析含水率随温度的变化规律,发现在冻结过程中含水率发生突变的温度与融化过程中含水率发生突变的温度并不相同;冻胀量主要来自于表层土壤的冻结作用,底层土壤冻结并未引起明显冻胀,且随着冻融循环次数的增加,冻胀量发生了下降。将多次冻融循环冻胀率变化的实验结果与数值模拟结果进行了对比分析,发现两者冻胀率的变化趋势较好地吻合,本文数值模拟的准确性从而得以验证。

关键词： 致密砂岩   孔隙尺度   孔隙结构   三维数字岩心  

摘要： 致密砂岩物性差,粘土含量较高,孔隙尺寸分布范围广,岩石渗流路径复杂多变,导致储层孔隙度与渗透率和电阻率相关性差,制约了该类储层含油气饱和度评价的精度,因此有必要定量分析致密砂岩的孔隙结构。气测孔隙度实验、压汞测试、核磁共振(NMR)实验和气体吸附测试等方法从不同侧面反映了岩石孔隙的宏观统计特征,但却无法表征孔隙连通性和空间分布特征,也难以揭示不同渗流路径间的耦合关系。数字岩心技术在孔隙尺度直观描述了岩石的微观结构,但由于岩石物理成像技术分辨率与样品尺寸间的制约关系,本文分别采用SEM、MAPS和X射线CT测试分析不同尺度下致密砂岩的微观结构。首先,利用高精度扫描电镜(SEM)建立岩石微观结构二维图像,确定致密砂岩孔隙类型。然后,利用MAPS测试获取致密砂岩大视域高精度二维图像,经过图像分割、孔隙簇标记、孔隙类型识别等流程,分析不同类型孔隙率、孔隙尺寸分布和孔隙空间分布特征。最后,利用X射线计算机层析扫描成像建立致密砂岩的三维灰度图像,结合散射能谱扫描电镜(EDS-SEM)获取的矿物组分二维嵌布彩色图像,经过图像配准算法,建立灰度值区间与矿物组分的定量关系,采用多阈值分割算法,建立多矿物组分三维数字岩心,进而分析不同尺度孔隙的空间连通性。图像处理结果表明,致密砂岩骨架主要由石英和长石构成,粘土含量高,充填原生粒间孔隙。孔隙主要由残余粒间孔、溶蚀孔和填隙物微孔组成。按照尺寸由大到小顺序依次为粒间孔、溶蚀孔和微孔隙。随着样品物性变差,微孔隙含量增加,大尺寸的粒间孔和溶蚀孔含量降低。孔隙连通性分析结果表明,残余粒间孔组成了孤立的孔隙簇,不能独立构成贯穿岩心的渗流通道,而粘土填隙物和发育的微孔隙组成了连续的渗流通道,大孔隙通过微孔隙连通,微孔隙控制致密砂岩的流体渗流和电流传导特性。

关键词： 沁南地区   高阶煤储层   全尺度孔隙结构   吸附   水可动性  

摘要： 煤储层孔隙结构类型是控制储层流体流动差异性的根本原因。论文在系统分析沁南地区高阶煤储层基本特征的基础上,综合运用高压压汞、低温液氮吸附和低温CO2吸附实验对研究区样品进行全尺度孔隙结构表征,建立了全尺度孔隙结构模型,进而探讨了储层基本特征及孔隙结构特征对流体流动差异性的控制作用。结果显示,以等粒度无烟煤1号和石英砂岩为对比背景,指出高阶煤各级孔隙均较为发育,孔比表面积极高,尤其以超微孔孔隙极为发育,无烟煤1号微孔-过渡孔较为发育,而石英砂岩各级孔隙都均不发育。基于分形方法,指出压汞和低温液氮孔径拼接孔隙尺度为100nm,实现了压汞-液氮-低温CO2全尺度孔隙结构拼接,识别出3种高阶煤全尺度孔隙结构类型。各级及全尺度孔容和比表面积随镜质组、固定碳(煤级)增加及粒度减小总体呈正相关相关,而与惰质组、矿物含量和灰分产率负相关。研究区样品甲烷吸附能力随镜质组、固定碳含量的增加而增加,随惰质组、灰分产率的增加而降低,与挥发分产率无明显关系;随着压汞孔体积、压汞孔比表面积、低温液氮BJH总孔体积、BET比表面积、低温CO2吸附DFT总孔体积和孔比表面积的增加而增加。随着粒度减小,VL由31.55 cm3/g增加至47.41 cm3/g,PL由1.07MPa波动降低至0.49MPa。随着镜质组含量增加研究区样品可离出水含量表现出先减少后增加的趋势,可压入水含量变化规律不明显;随着惰质组含量的增加,可离出水含量减少而可压入水含量增加;随这灰分产率增加,水可动性增加;固定碳含量增加,水的可流动性减弱;总孔容及微孔和过渡孔孔容的增加,水的可动性增强;随着润湿角的增大,可离出水含量增加而可压入水含量波动较大,变化规律不明显。

关键词： 多孔材料   微结构   微尺度辐射   时域有限差分法   光谱调控  

摘要： 微结构因能够激发光子隧道、表面等离子基元、磁极化、微腔谐振等一系列的微尺度辐射效应,在光谱辐射调控、红外探测、能量转化等方面有重要的应用。微尺度辐射现已成为热辐射领域重要的研究课题之一。国内外学者对表面微结构的微尺度辐射特性进行了广泛而深入的研究,而关于空间微结构的研究较少。高孔隙率金属材料涉及光谱选择性、多体散射性,具有复杂的空间微结构,其微尺度辐射特性较为复杂,因此,对其微尺度辐射传输的研究具有重要意义。本文主要采用时域有限差分法,研究了高孔隙率金属材料的微尺度辐射特性,目的是通过空间微结构实现光谱调控。主要内容和结论包括:建立了银立方体元胞结构模型,基于电磁散射理论,研究元胞结构在可见光波段的微尺度辐射特性。分析了元胞结构的空间电场和坡印廷矢量分布,认为当电场、坡印廷矢量与元胞肋筋产生较强的相互作用时,元胞结构表现出较强的吸收特性。考察了结构的变化对立方体元胞辐射特性的影响,发现方腔结构的衰减特性最强。开展了立方体层状结构可见光波段辐射特性研究。为了保证计算的准确性,提出了误差收敛测试方法。分析了立方体单元胞结构、单层立方体多孔结构和无限大平板结构吸收特性的关系,发现单层立方体多孔结构可有效改变光谱辐射特性,其辐射能力不是单元胞结构的线性相加。考虑了孔隙率、倾斜角对单层立方体多孔结构吸收特性的影响,结果表明孔隙率和倾斜角对吸收特性都有较大影响,不同的孔隙率下,单层立方体多孔结构出现明显的强、中、弱三个区域,而倾斜角对吸收的影响没有表现出明显的规律性。分析了多层立方体多孔结构的吸收特性和空间坡印廷矢量分布,发现多层结构在0.457μm产生吸收强化现象,三层结构对0.35～0.55μm波段的可见光具有选择透过性。建立了球形空心铝元胞结构和单层球形空心铝结构模型,研究五种孔隙率下的单元胞结构红外波段的辐射衰减特性,发现该种结构在红外波段具有很强的散射能力,而吸收能力几乎为零。比较了单层球形空心铝结构Drude模型与n,k模型吸收能力的变化,发现两种模型得到的吸收率的变化趋势是一致的,在吸收能力的数值上,大小会有所差别。考察了Si基、SiO2基和表面覆盖单层石墨烯对单层球形空心铝结构吸收能力的影响,发现Si基结构在1～6μm波段有一定的强化吸收作用,当在球形空心铝结构表面覆盖一层石墨烯时,并未发现石墨烯强化吸收的效果。

关键词： 页岩气藏   微尺度效应   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   表征单元尺度  

摘要： 页岩气全球储量大,资源前景可观,是接替常规油气资源的重要选择。但页岩气藏特低孔,特低渗,微纳米级孔隙大量发育的储层物性特征,使得气体产出过程的运移机制异常复杂。基于连续介质假设条件的宏观渗流力学理论已经不能精确地表征页岩气渗流规律。针对于页岩气运移过程中微尺度效应,本文引入介观尺度方法一格子Boltzmann方法(LBM),分析了孔隙尺度及表征单元尺度(REV)页岩气渗流特征。本文研究内容为深化页岩气藏复杂渗流理论,为页岩气藏的高效开发提供一定的理论支撑。本文研究内容及相关成果如下:(1)通过大量国内外文献调研,分析了页岩气藏储层物性特征和气体运移机制,明确了页岩气产出伴有微尺度效应。(2)论述了格子Boltzmann方法的基本原理,推导了该方法的外力项方程,并给出了边界条件,分析了格子Boltzmann方法在页岩气藏微纳米级孔隙中气体渗流规律研究的适用性及优势。(3)将Langmuir等温吸附方程,Fick扩散定律与弹性-镜面组合边界格式(BSR)相耦合,建立了考虑页岩气微观渗流机制的格子Boltzmann模型;该模型考虑了页岩气的吸附—解吸,气体扩散,滑脱效应等机理,并对页岩气在孔隙中的流动进行了动态模拟,针对相关参数进行了敏感性分析。(4)将岩心电镜扫描图二值化得到了页岩基质孔隙空间中质点间的相关函数,再以质点间协方差的相关因子作为目标函数,优化了四参数随机生长法的参数,提出了适用于页岩气藏复杂物性的数字岩心方法;再运用格子Boltzmann方法求取岩心的孔隙度,孔隙迂曲度及固有渗透率等物性参数,与前人经验公式进行了对比分析,验证了数值算法的正确性。(5)在REV尺度,推导了页岩气渗流格子Boltzmann模型,分别模拟了气体在富含有机质的孔隙介质以及无机质孔隙中的渗流,建立了考虑岩石基质和天然裂缝的表征单元,模拟得到了天然裂缝的存在大幅度提高了页岩储层的全局渗透率的结论,印证了页岩气藏的高效开采应该尽可能沟通天然裂缝的理论。成果为页岩气渗流格子Boltzmann模型由孔隙尺度向矿场尺度进行升级提供了理论支撑。

关键词： 致密气藏   多尺度   CT   数字岩心  

摘要： 致密气藏的发展逐渐受到重视,为了更加准确了解其存储和流动特性,就需要一套综合性多尺度油藏描述和表征程序来识别分析。多尺度技术的应用,尤其是纳米-微米级多尺度X射线二维成像,对于致密气藏孔隙结构特性的描述更加准确全面,有助于致密气藏的开发与开采,应用前景广泛。

关键词： CaCO3煅烧   烧结反应   介尺度模型   孔隙分布  

摘要： 基于介尺度结构思想,根据空位单元的扩散与聚合理论建立起CaCO_3煅烧及CaO烧结过程中从分子尺度过渡到颗粒尺度之间的桥梁——介尺度孔隙结构的演化模型。与传统的经验模型相比,基于介尺度结构的速率方程理论将孔隙的演变过程与CO_2气体分子释放、空位的扩散以及空位间相互碰撞聚合同时进行考虑,并建立非线性的速率方程对孔隙的演化的物理过程进行数学描述。模型的计算结果与CaCO_3煅烧和烧结的实验数据进行对比,结果表明基于介尺度结构的速率方程理论可以准确地预测孔径的分布及其随时间的演变过程。

关键词： 孔隙尺度   动态剩余油   玻璃刻蚀模型   图像识别  

摘要： 动态剩余油是区别于静态剩余油,为产量提供主要贡献的一类剩余油。孔隙尺度下动态剩余油渗流特征的研究不仅可以从微观上解释剩余油流动机理,而且为提高油藏剩余油动用程度和采收率提供理论指导。对照静态剩余油,提出了动态剩余油的定义方法,并建立了一套利用微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术识别孔隙尺度下动态剩余油及其渗流特征的研究方法。该方法和人工识别结果对比误差小于5%,并且大大提高了识别速度,为研究和认识孔隙尺度下动态剩余油渗流特征奠定了基础。