关键词： 二氧化碳储存效率   模型网格粗化理论   孔隙级   盐水层   气藏   油藏   宏观系数  

摘要： 为了提高油气田的油气开采量，通常把二氧化碳注入地层中，并储存于盐水层中。一旦把二氧化碳注入岩层，二氧化碳将通过弥散和对流作用在多孔岩石中弥散。盐离子与二氧化碳分子之间的化学反应及其随后与矿物颗粒发生的反应也是重要的过程。利用一纽与孔隙尺度和连续宏观尺度相对应的微分方程，来模拟任意多孔介质中二氧化碳分子的动态。基于孔隙尺度，对流-弥散方程通过考虑单位品胞中内界面的反应而求解。单位晶胞是多孔介质的最小组成部分，可以通过重复方式来复制多孔介质。单位晶胞中的内界面为矿物颗粒表面。通过采用相邻单位品胞的周期性边界条件，以及应用称之为宏观运移理论的泰勒一阿里斯弥散理论，把孔隙尺度内的弥散过程转换成连续宏观尺度。利用这种理论，把不连续多孔体系转换成一种连续体系。在该体系中，二氧化碳分子的弥散及其与多孔介质液体和同体基质间的交互作用，以3种独立于位置的宏观系数为特征：平均速度矢量U＊：弥散性向量D＊：测定体积二氧化碳的平均衰减系数K＊。

关键词： 核磁共振测井   孔隙尺度   岩石物理模型   数值模拟   弛豫响应  

摘要： 核磁共振(NMR)测井广泛应用于地层评价,确定储层参数及储层流体识别和评价,能够提供地层的孔隙度、渗透率、孔径分布、流体类型、束缚水饱和度等重要信息,已经成为现代测井技术不可或缺的手段之一,其响应特征的研究是储层资料解释与评价的重要基础。\n 利用孔隙尺度岩石物理模型能够很好地表述储层NMR弛豫机制。通过蒙特卡罗模拟算法描述流体分子在孔隙空间中布朗运动,表征NMR扩散弛豫和表面弛豫现象,结合CPMG脉冲序列,模拟梯度磁场下NMR数据采集。\n 利用图像的数字处理技术对SEM岩石薄片进行数字化处理,构建孔隙尺度下的二维岩石物理模型;通过基于成岩作用的颗粒堆积方法或X射线扫描(Micro-CT)获取岩石三维孔隙空间,构建孔隙尺度下的三维岩石物理模型。基于岩石物理模型,利用蒙特卡罗随机游走算法(Random-Walk)进行NMR响应数值模拟,得到对应模型的T2分布;考察不同岩性、不同孔隙结构、不同流体组分的NMR弛豫响应特征。分析磁场梯度、表面弛豫强度、分子扩散系数和观测参数等因素对孔隙尺度多孔介质NMR弛豫响应的影响,探索微观尺度NMR的响应机理。

关键词： 饱和软土   微细观孔隙   孔隙尺度   孔隙分布特征   压缩性   渗透性  

摘要： 软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明:淤泥土中介于0.4～2.5μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10μm的大孔隙和小于30nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期(p<200kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期(p>200kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。

关键词： 格子Boltzmann方法   自然对流   多孔介质   孔隙尺度  

摘要： 基于TD2G9不可压格子Boltzmann模型，通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化，并在标准演化方程后附加源项，构造了用于模拟多孔介质内在多物理场（浓度场，温度场）下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型．基于非平衡态不可逆热力学的基本原理，引入Boussmesq假设，在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程．采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟，研究了不同瑞利数Ra，不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征，考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响，创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究．

关键词： LBM   CPL   孔隙尺度   多孔介质   毛细芯   蒸发器  

摘要： 多孔介质中能量,动量和质量的传递现象遍及于工业生产的各个领域,例如：石油开采,食品、药材和农产品对流干燥;各种工业换热设备中的多孔材料里的蒸发以及毛细抽吸过程等,对其内部流动传热过程的深入研究有着十分重要的意义。 格子Boltzmann方法(LBM)是一种基于统计演化分布函数的介观方法,已经成功模拟了大量流体的流动和相关的输运现象。通过Chapman-Eenskog展开,可以证明该方法与N-S方程是相容的。格子Boltzmann方法最大的优点是可以方便地处理粒子间的相互作用以及具有复杂几何结构的边界条件。 本文以毛细泵回路(CPL)系统的蒸发器为研究背景,结合LBM和多孔介质构造算法,从孔隙尺度模拟多孔介质内的各种传热传质现象,特别地对多孔介质内伴随着蒸发相变过程的流动换热现象进行模拟,进一步从孔隙尺度理解多孔介质内的流动传热机理,为各种具有多孔结构的热控装置,特别是CPL蒸发器等,提供更好的理论指导。主要工作包括： 1.2D,3D随机多孔介质计算机重构 分别采用堆叠法和数学统计方法构造了二维和三维随机多孔结构。前者主要是采用QSGS生长法,直接在计算区域内生长出随机的多孔介质,后者主要是根据实际蒸发器内多孔毛细芯的端面SEM照片,通过图像分析理论得到孔隙率、孔径、相关性等数学特征,再通过一定的空间拉伸得到与实际二维切片具有类似统计特性的三维随机多孔介质。 2.多孔介质内相变传质过程的孔隙尺度模拟 建立了描述相变传质过程的多相格子Boltzmann模型,计算分析了蒸发时气泡形成,长大,融合的过程,得到了相变过程中的液相和气相质量变化的曲线。通过在上述多相格子Boltzmann模型中加入特殊的力项,借以区分亲水与疏水性物质,结合图像处理所得到的多孔介质,模拟了二维多孔介质内蒸发相变以及气泡形成的过程,分析了气泡在多孔介质内的产生,长大以及融合过程。3.多孔介质内多相复杂导热过程的孔隙尺度模拟 采用多松弛时间表征具有不同导热系数材料的方法,建立了D3Q7三维多相格子Boltzmann导热模型。采用QSGS以及数学重构法得到三维随机多孔结构。计算模拟了毛细芯内从加热到内部达到饱和态的过程。分析了不同热负荷,不同孔隙率等对多孔介质导热过程的影响,得到了模拟结构下,芯体内开始达到饱和点的时间的拟合公式。同时采用该LBM导热模型计算了各种多孔介质有效导热系数这一重要的物性参数,分析了有效导热系数随着孔隙率,孔径等结构参数的变化。 4.蒸发器内流动与换热的孔隙尺度模拟 建立了用于描述二维和三维流动与传热耦合过程的双分布函数格子Boltzmann模型,构造了蒸发器整体结构,包括蒸发器外壳,蒸汽槽道以及多孔毛细芯。采用上述LBM结合构造出的结构,探索性地对伴随相变过程的蒸发器内的流动传热机理进行了研究。模拟出了一些传统的数值方法所得不到的现象。 5. CPL环路系统的数值模型研究 基于LBM计算得到了循环工质的热力学特性方程,建立了描述CPL系统热力学和动力学特性的瞬态模型,利用该模型分析了系统启动过程,分析了不同热负荷,储液罐温度波动等对系统运行特性的影响。

关键词： 孔隙尺度   气体扩散层   格子Boltzmann模型   渗透系数   弯曲度   毛细压力   动态特性  

摘要： 随着清洁替代能源研究的发展,质子交换膜燃料电池已经成为氢能源利用的理想能源转换装置。在质子交换膜燃料电池所发生的各种传递现象中,燃料组分的输运和水管理始终是关系着电池性能和及其可靠性的关键问题,然而,以前的宏观数值模拟因其局限性,不能精确的描述这些传输现象。本研究论文主要针对这些问题,在孔隙尺度上对气体扩散层及气体微通道内的单相和两相传输现象进行了研究。 本研究论文以揭示与碳纸扩散层多孔介质有关的流动和传输机理为目标,以介观尺度的格子Boltzmann模型为理论研究方法,辅以必要的实验测量,探讨气体扩散层的微观结构以及润湿特性及其分布对气液传输的影响,以弥补宏观模型和实验观测在微观定量研究上的不足和缺陷。主要的研究内容包括了碳纸气体扩散层内的单相流动、碳纸扩散层内液体水的动态传输特性以及相对渗透系数和毛细压力-饱和度关系、气体微通道中液体水在扩散层表面上的动态传输特性。具体的研究内容和结论如下: 1.碳纸扩散层各向异性渗透系数研究。数值构建了碳纸多孔材料的三维孔隙结构,并采用单相多松弛格子Boltzmann方法获得了压缩以及PTFE处理后的碳纸扩散层在孔隙尺度上的详细流动信息,结果表明:碳纸扩散层的渗透系数和弯曲度表现出明显的各向异性特性,其中in-plane方向的渗透系数大于through-plane方向渗透系数,而弯曲度正好相反;压缩引起的碳纸扩散层渗透系数的变化依然能用Kozeny-Carman半经验关联式和∧-base理论公式进行合理的预测,但是由于PTFE处理后的碳纸不具有单一的纤维结构,导致这些公式在这种情况下不再适用;Bruggeman方程计算的碳纸弯曲度正好处于in-plane和through-plane弯曲度之间,表明此方程仅仅考虑了多孔介质弯曲度的各向同性的宏观平均效果;分形理论模型预测得到的碳纸扩散层的through-plane渗透系数与Kozeny-Carman半经验关联式接近,但却不适用于in-plane方向和PTFE处理后的碳纸渗透系数的预测。 2.碳纸扩散层内气液两相传输特性研究。采用多相自由能格子Boltzmann方法,对碳纸扩散层中液体水的传输机理以及扩散层孔隙结构和润湿特性对水传输的影响进行了研究;从孔隙模拟的角度,获得了碳纸扩散层内两相传输的相对渗透系数和毛细压力与水饱和度的关系曲线,并将所获得孔隙模拟结果与经验公式以及实验测量进行了比较。研究结果表明了碳纸扩散层的润湿特性在液体水的动态传输过程中所扮演着重要角色。在均匀润湿的情况下,碳纸扩散层的疏水性越强,水的传输越明显的表现为毛细指进的特征;而在疏水性不强时,水的传输表现为稳态驱替的特征,这种情况容易发生扩散层的水淹。在非均匀润湿的情况下,液体水选择亲水的路径进行传输,保留疏水孔用于气相传输,这种布置能更加有效的排出催化层的生成水,从而最大程度的利用更多的有效孔隙传输气体反应物,降低燃料电池的质量传输损失。此外,本文通过孔隙模拟获得的PTFE疏水处理的碳纸扩散层的Drainage和Imbibition毛细压力-饱和度关系曲线也较好的吻合了实验测量值,并充分体现了碳纸扩散层所具有的亲水和疏水孔隙共存的特征。根据研究结果拟合的碳纸扩散层毛细压力-饱和度关联式,相对于标准Leverett函数,能更加有效的对碳纸扩散层的毛细压力做出预测。 3.疏水碳纸扩散层表面上液滴的动态特性研究。研究了液体水通过碳纸扩散层中的微孔隙,在扩散层表面上浮现、生长和最后脱离的动态过程,探讨了微通道中的气体流速以及扩散层表面的疏水程度对液滴脱离方式和液滴断裂大小的影响。研究结果证实了液滴与扩散层内部液体水传输孔隙间连接的表面张力是影响液滴脱离扩散层表面的主要因素,且液滴的脱离方式与通道内的气体流动剪切力有关。此外,本文所提出的基于液滴宏观力平衡的分析模型,对液滴在气体微通道内形成的大小以及断裂后的液滴在疏水扩散层表面上的运动速度也都给出了合理的预测结果。 本文的研究在微观孔隙尺度上揭示流体在质子交换膜燃料电池气体扩散层内以及扩散层和气体通道界面上的流动和传质机理,为优化质子交换膜燃料电池的水管理和燃料组分传输策略提供帮助,同时也为质子交换膜燃料电池系统模型的开发提供重要的理论依据。

关键词： LCM工艺   渗透率   数值模拟   单胞  

摘要： 复合材料液体模塑成型工艺(Liquid Composite Molding, LCM)是一种先进的成型技术。凭借其自身在经济和生产质量方面体现出的优越性,LCM工艺已经被广泛应用于汽车制造、航天业、运输业等领域中。通过计算机模拟技术对充模过程进行模拟,可以预先掌握树脂在增强材料中的浸润规律,从而有效的减少成型中干斑和气泡等质量缺陷的形成,提高复合材料制品的质量。纤维织物的渗透率是进行充模模拟所需提供的重要工艺参数,渗透率数值预测的准确度决定了充模模拟过程的真实性和正确性。 目前,对渗透率的测量主要是利用实验的方法来实现,但是实验法测试渗透率耗时费力。针对实验法测试渗透率的缺陷,本文利用数值模拟的方法对纤维织物的渗透率进行了计算。 首先,构建模拟思想,研究了树脂在纤维织物中的流动实质,提出模拟的简化假设,对纤维织物中周期性单胞结构进行分析,确立单胞中树脂在纤维束间和纤维束内流动的控制方程,在模拟过程中考虑了树脂在纤维束内的流动。 然后,利用有限元软件建立了纤维增强材料中周期性单胞的几何模型,输入模拟参数,施加合理的边界条件,对单胞模型进行数值计算,得到了压力和速度结果分布图。结合单胞中不同区域的结构形式、孔隙率、流动阻力大小,对压力和速度结果图进行了分析,证明了计算结果的合理性。编写相应的计算命令流,对计算结果进行后处理得到增强材料的渗透率数值,并与实验测试结果进行对比,发现二者结果接近,从而证明了利用数值模拟方法对纤维织物渗透率进行预测的有效性。 最后,通过数值模拟的方法研究了注射压力、纤维体积含量以及织物结构对渗透率的影响。发现渗透率模拟结果不受注射压力的影响,因织物结构的变化而发生改变,随纤维体积含量的升高而减小的结论。通过理论分析,证明了这些结论的正确性,并进一步验证了数值模拟方法的有效性,并对毛细压力、边缘效应等影响渗透率的因素进行了讨论。

关键词： 流体饱和多孔隙介质   多参数反演   小波多尺度-正则化高斯牛顿法  

摘要： 将小波多尺度方法和正则化高斯牛顿法相结合,充分利用两种方法的优点,以小波尺度分解作为引导算子确保反演算法的搜索路径,在每一个分解后的尺度上采用正则化高斯牛顿法作为求解算子以解决反问题的不适定性问题,构造了小波多尺度-正则化高斯牛顿法,有效地解决了流体饱和多孔隙介质多参数反演过程中的局部极值和不适定性的问题.通过与传统的正则化高斯牛顿法数值比较,显示了小波多尺度-正则化高斯牛顿法法是一个大范围收敛方法.数值模拟的结果验证了方法的有效性和可行性.

关键词： 多孔介质   网络模型   湍流   数值模拟  

摘要： 为进一步研究大孔隙率内的湍流特性对多孔介质内输运和燃烧过程的影响,提出多孔介质的一种二维孔隙网络模型.该模型由一系列圆形孔隙体和长方形喉道互相连接而成.采用标准k-ε模型模拟孔隙网络内的微观流场,利用体积平均方法将微观流场计算结果转换为宏观流场的信息,从而可确定宏观模型中修正项系数的值.计算结果与文献[3]提出的模型吻合较好.

关键词： 岩土体   孔隙体积   颗粒体积   孔径   粒径   分形模型  

摘要： 以Sierpinski垫片和Menger海绵模型为基础,提出了由孔隙体积分形模型、颗粒体积分形模型及孔径或粒径分布分形模型组成的两大类岩土体分形模型,指出了模型间的内在联系.通过比较与分析,发现该两类岩土体分形模型能将国内外岩土体分形模型统一起来,从而形成了两类统一的模型.Katz对砂岩的实验结果表明砂岩的分形特性可采用第一类分形模型表示,以软黏土微观孔隙数据为基础,证明了软黏土满足第二类分形模型.