关键词： 表层土壤孔隙率   土壤粗糙度   地面激光扫描仪  

摘要： 针对当前精细农业对农田信息快速采集的需求,本研究提出了基于土壤粗糙度预测表层土壤孔隙率的方法,而采用何种量化指数表征土壤粗糙度是深化研究的关键.本文首先系统总结了几种已有的衡量土壤粗糙度的量化指数,进而提出一种新的基于小尺度的土壤粗糙度指数Rd.根据对4种不同耕作方式下应用地面激光扫描仪获取的原始试验数据进行初步处理,并将4种粗糙度量化指数与表层土壤孔隙率的相关性做了比较研究,得出了两个重要结论:(1)与其它粗糙度量化指数相比,Rd与表层土壤孔隙率的相关性最高(R2=0.752);(2)基于激光扫描方法快速分析表层土壤孔隙率具有潜在的应用价值.

关键词： 非线性渗流   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   表征体元(REV)尺度   滑脱效应  

摘要： 非线性渗流或非达西渗流作为渗流力学中的一个重要分支，由于其在农业、能源、冶金、化工、材料、环境、生命科学以及医学等众多领域的广泛应用而引起国内外学者的普遍关注，并发展成为国际上研究的一个热点问题。通过对大量相关文献的分析可以看出，非线性渗流问题自身的复杂性大大限制了人们对其背后物理机理的认识，以至于对于某些问题至今也未能给出较为合理准确的数学模型或物理公式。目前对非线性渗流的研究主要基于三类方法：一是实验方法，作为一种传统的研究方法，其在渗流力学中仍然发挥着重要的作用，但是，在实际中该方法又受到很多条件的限制，比如实验周期长、花费大、受实验环境的影响等。二是解析或近似方法，这类方法通常会对问题先进行一定的简化或给出一些合理的假设，在此基础上，进一步通过数学的手段来求得非线性渗流的解析解或近似解。目前，这类方法中最具代表的就是近年来发展起来的基于分形理论的解析方法。另外一类就是数值方法，随着计算机技术的飞速发展，该方法越来越受到人们的广泛关注，并已成为解决实际的问题的一种重要手段。与实验方法相比，数值方法依赖于前期建立的数学模型，但它具有周期短、耗费小、不易受环境影响等特点；同时，该方法也可以弥补解析或近似方法所存在的不足。 目前对非线性渗流的数值研究主要是借助于传统的数值方法(如有限差分法，有限体积法，有限元方法等)来数值求解孔隙尺度上的Navier-Stokes方程或表征体元(REV)尺度体积平均的Navier-Stokes方程。作为一种研究非线性渗流问题的有效手段，数值研究近年来备受关注，其应用范围也越来越广泛，但多孔介质的复杂结构使得这些方法在研究渗流问题时会遇到如下困难： (1)边界处理复杂，破坏数值方法自身的稳定性； (2)多孔介质中的微尺度效应难以体现； (3)计算量较大，并行效率低。 鉴于此，发展高效的数值方法，并利用其研究非线性渗流规律，建立完善的数学描述是揭示非线性物理机理的理论基础。 格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)作为一种新兴的微观方法，它最初起源于格子气自动机(Lattice Gas Automata，LGA)，但后来也被证实可以从连续的Boltzmann方程经过差分离散得到。格子Boltzmann方法与以连续微分方程为基础的宏观计算流体力学方法有着本质的不同，它是基于流体微观模型和细观动理论方程的方法，因此不受连续假设的限制，这为其能够模拟多孔介质中微细管道中的流动、刻画滑脱效应(Klinkenberg效应)提供了坚实的理论基础。此外，与传统的计算流体力学方法(基于Navier-Stokes方程的数值方法，比如，有限差分法、有限体积法、有限元方法等)相比，LBM还具有许多独特的优势，如计算效率高、边界条件容易实现、具有天然并行性等，更为重要的是其自身的微观特性使得它成为研究多孔介质中非连续流动提供了一种新的有效手段。本文首先发展了LBM的相关理论，在此基础上，利用LBM对单相非线性渗流力学中的一些前沿问题进行了探讨。论文的主要工作包括以下两个方面： (1)在格子Boltzmann方法的相关理论方面，论文首先提出了一种处理微尺度流动的反弹与Maxwell漫反射组合边界条件，并详细分析了该边界条件在单松弛模型与多松弛模型中的离散效应；其次，论文还给出了一种求解Poisson方程的新的格子Boltzmann模型，该模型可以有效克服已有模型的不足。这些理论的发展将为推动LBM在渗流领域的应用奠定必要的基础。 (2)在非线性渗流的数值研究方面，论文首先系统研究了高速非线性渗流，详细分析了低雷诺数下产生非线性现象的物理机理，并进一步并给出了改进的数学模型；其次，基于(1)中的理论结果，论文详细研究了气体通过多孔介质的滑脱效应，利用文中发展的一些理论结果揭示了滑脱效应产生的物理根源；最后，论文还进一步考察了微尺度多孔材料中的电渗流，系统分析了各种因素对电渗流速度分布的影响，这些结果对实际中的工程问题具有重要的指导意义。 总之，本文利用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度和REV尺度的非线性渗流，为推动该方法在渗流领域中的应用作出了许多有益的尝试。同时，针对针对高度非线性的Poisson-Boltzmann方程和复杂的多孔介质，我们分别构造了新的模型和边界条件；此外，我们还对格子Boltzmann方法进行了大量的数值实验，验证了该方法用于模拟渗流问题的可靠性。这些工作为后续研究的开展奠定了必要的基础。

关键词： Kozeny公式   自然对流   多孔介质   代表元(REV)尺度   孔隙尺度   格子Boltzmann方法  

摘要： 多孔介质内流动和传热作为流体力学和传热领域的重要现象,一直是多孔介质相关研究中最基本的问题之一。大量文献表明,尽管人们已经对这类问题有深刻理解,但受制于多孔介质极端复杂微观孔隙结构及其他研究过程中面临的实际困难,即使对其中最基本的问题如渗透率与孔隙结构参数的关系等依然没有被很好地解决。深入理解这些现象背后的规律依然面临重大挑战。 目前,和其他领域的科学研究一样,由于计算机技术的飞速发展,多孔介质领域的研究也有三类最基本的手段,即实验法、解析法和数值模拟法。相比前两种传统的方法而言,数值模拟方法具有许多先天的优势。如相比传统实验,这种方法实验具有周期短,耗费小和不受环境影响的特点;又如,相比解析法,它既适合机理研究,又可直接对解析法所得的理论模型进行精确验证。因此,这种方法自产生以来就受到广泛关注并得到极大发展。目前,有关多孔介质流动和传热问题的数值模拟研究按考察尺度的大小主要分为REV尺度和孔隙尺度两种。由于多孔介质的复杂性,传统数值方法(如有限体积法、有限差分、有限元)在研究过程中尤其是孔隙尺度的研究中有诸如边界处理复杂,程序实现困难、并行效率低等缺点。国际上最近十几年发展起来的格子Boltzmann方法由于其具有和其他基于求解宏观连续方程的传统数值方法本质的不同介观粒子背景,其在多孔介质孔隙尺度模拟中被证明具有许多独特的优势,能有效克服上述传统数值方法的一些不足。正是基于这种考虑,本文才利用格子Boltzmann方法对多孔介质流动和传热中最基本的问题进行研究,期望借助于它加深人们对这些问题的认识。 本文工作主要包括模型参数的估计以及宏观REV模型适用性的评估两个部分: (1)对于模型参数的估计,论文详细地考察了渗透率与多孔介质微观结构参数的关系。 首先,论文针对多孔介质的毛细管模型考察了弯曲率对渗透率的影响。研究表明,Kozeny公式所预测的弯曲率的平方与渗透率一定条件下的反比关系对于不同毛细管模型都是近似成立的。相比常用的几何弯曲率,使得Carman-Kozeny公式成立的弯曲率更倾向于使用基于真实流线的定义。其次,延续对弯曲率作用的探讨,考察了二维和三维多孔介质填充模型的Kozeny常数构成。论文研究的最大特点是通过增加求解孔隙尺度下扩散问题首次将Kozeny常数中的弯曲率部分分离出来,进而达到可以分析Kozeny常数中弯曲率和形状因子在不同情况下对Kozeny常数的贡献的目的。研究表明,不同情况下Kozeny常数都不是常数,相反,Kozeny常数随着孔隙率的变化可分为二至三个区域。当孔隙率很大的时候,Kozeny常数一般随孔隙呈指数增长,这时形状因子对于Kozeny常数的变化起主要作用;当孔隙变小且低于某个临界值时,一般会存在Kozeny常数的一个平缓变化的区域。对于大多数情况,当孔隙率处于这个区域中的一个更为狭窄的区间时Kozeny常数才几乎为常数,这个区间内弯曲率对Kozeny常数的变化起主要作用。随着孔隙率继续减小,Kozeny常数对于不同的模型要么随着孔隙率减小而减小要么相反。值得指出的是,三维条件下也存在Kozeny常数随孔隙率减小而增大的模型,这个结果澄清了以往认为这种现象只在二维条件下才有的错误认识。研究还表明,填充颗粒的形状、排列方式、尺寸大小和二维三维差别等等不会对上述结论的得出产生定性的影响。 (2)对于宏观REV模型的适用性,论文通过对多种二维孔隙结构情况下多孔介质自然对流的REV模型和孔隙尺度模拟的结果进行对比,进而对多孔介质自然对流的Darcy-Forchheimer-Brinkman模型的适用性进行了微观验证。本文研究的特点是采用直接孔隙尺度模拟所得的渗透率及有效热导率代入REV模型进行计算,避免由于采用经验公式可能得出的错误结论。研究表明,该REV模型在小Ra数,均质条件下才能在定量上预测孔隙尺度下热壁上平均Nusselt数这一重要参数。相对而言,REV模型对于渗透率的影响刻画得最好,对于热导率影响刻画得最差。研究还表明,多孔介质微观孔隙结构变化对于上述结论的得出影响不大。 除此之外,本文还开展了含柱方腔自然对流及浮力影响下串列双柱绕流等其他相关研究工作。针对前者给出了腔体内不同流动和传热模式在Ra数和反映腔体几何结构的一个无量数构成的平面上的分区图。针对后者研究了浮力影响下双柱问题临界距离是否存在以及相关的变化等问题。研究表明,当浮力方向与来流方向相同时,所谓临界距离在所考察的参数范围内不存在。当浮力与来流方向相反时,临界距离一般仍然存在,且比等温条件下的值偏小。值得指出的是,对于等温条件下不存在临界距离的Re=60的情况,浮力与来流方向相反时临界距离也能存在。 总之,本文利用格子Boltzmann方法对多孔介质流动和传热的微观模

关键词： 石油地质   储层岩石   孔隙尺度   渗透率   数字岩心   格子-BoItzmann  

摘要： 流体的渗流是一种十分常见的自然现象,在许多工程领域都有应用,如化学工程、地下资源开采、农田水利、地下土壤污染防治等。石油工业领域中,人们关注油或油水在储层岩石这种孔隙介质中的流动。本文采用数值模拟的方法,用格子-BoItzmann这一计算流体流动的数值方法计算毫米尺度的数字岩心的渗透率。同时本文研究了如何用各种方法得到三维数字化岩心,其中包括用实际岩心铸体薄片结合多点地质统计学的方法得到三维数字岩心。由于用多点地质统计方法得到的三维数字岩心可以更有效的发现长程的连通孔隙,因此计算的渗透率更加准确。格子-BoItzmann方法不仅可以模拟储层岩石中的单相流体流动,还可以模拟两相流体的流动。本文最后用格子-BoItzmann方法模拟了二维孔隙介质中油水两相流体的驱替与吸入,计算了相对渗透率,结果说明用这种数字岩心方法计算相对渗透率是可行的。

关键词： 岩石力学   孔隙尺度   随机介质   弹性波   局部半径   自相关函数  

摘要： 建立非均匀介质中随机孔隙岩石模型,引入局部半径(r)和局部孔隙密度(p)两个模型参数。用局部半径(r)表示每一个孔隙分布区的半径,用局部孔隙密度(p)表示孔隙介质在各个孔隙分布区中所占空间的百分比。这个模型可以模拟孔隙尺度具有空间统计分布的随机孔隙岩石介质,并将随机介质模型参数(r,p)与孔隙介质的宏观特性(弹性波速度)直接联系起来。结果表明,选择合适的模型参数能够描述实际复杂的孔隙岩石介质。不同形式的随机孔隙岩石模型中纵波速度和横波速度的变化程度各不相同。弹性波速度相对于大孔隙的响应更容易分辨,在一定的局部孔隙密度和局部半径下,孔隙分布的相对位置变化对波速几乎没有影响。横波对随机孔隙岩石的分辨率比纵波高,横波对随机介质各向异性,特别是对微裂隙相当敏感。

关键词： 孔隙结构   分形   图像分割   扫锚电镜   多尺度分析  

摘要： 根据煤岩孔隙系统的精确描述对流体运移机理的重要性,对来自6个不同矿区的煤岩进行了扫锚电镜观测,提出了基于扫锚电镜图像分割的煤岩孔隙多尺度分形研究方法。采用了图像分割算法中的灰度阈值分割、Laplacian边缘算子及Prewitt边缘算子检测,提取了煤岩扫描电镜(SEM)图片中的大尺度裂隙、边界曲线以及小尺度孔隙特征;采用盒维数法计算了分形维数,研究了多重孔隙介质分形标度律存在的尺度与SEM放大倍数的关系。结果表明:大尺度裂纹分形标度律存在的下限尺度与7 500倍SEM观测尺度相对应;小尺度孔隙分形标度律存在的上限尺度与2 000倍的SEM观测尺度相对应;细观裂纹分维数反映了煤岩渗透性能;边界分维反映了流动边界的迂曲程度相关于流动阻力;微观孔隙分维相关于吸附性能。

关键词： 土壤孔隙   微观尺度   质量分维数Dm   表面分维数Ds   SEM分析  

摘要： 对两类不同质地土壤的SEM图像,利用数字图像技术分析孔隙的大小、数量及其分布规律,由测量数据给出了微观尺度上土壤孔隙的质量分维数Dm和表面分维数Ds。结果表明:Dm与土壤质地、容重、孔隙度、孔径分布等之间存在一定的相关关系,土壤质地越细、容重越大、孔隙度越低、小孔隙越多,Dm越大,Dm与土壤容重和孔隙度均存在显著线性回归关系;Ds反映了土壤孔隙轮廓边界的曲折程度,孔隙轮廓越不规则,Ds越大,土壤中各孔隙的Ds分布符合总体正态分布形式。Dm和Ds的数值大小对不同利用方式和耕作制度下的土壤较为敏感,分维数可为土壤科学管理提供依据。

关键词： 双相介质   反演   小波多尺度方法   孔隙率  

摘要： 基于多尺度的思想,将小波多分辨分析和多尺度方法结合,构造了小波多尺度反演方法,并应用于一维双相介质孔隙率的反演.利用小波变换,将原始反问题分解为不同尺度上的一系列子反问题,并按照尺度从粗到细的顺序依次求解.在每一个尺度上,都采用稳定、收敛快的正则化高斯牛顿法求解,次一级尺度上求出的"全局最优解"作为上一级的初始解,依次类推,直到求出原始问题的真正的全局最优解.将小波多尺度方法归结为三种不同算子(分解算子、求解算子、插入算子)的交替应用,给出了小波多尺度反演算法的基本流程图,并推导出当采用Daubechies紧支撑正交小波时,小波多尺度算法涉及到的分解算子矩阵和插入算子矩阵.通过与传统的正则化高斯牛顿法数值比较,显示了小波多尺度法是一个大范围收敛方法,数值模拟的结果也显示了该方法的有效性.

关键词： 聚合物驱   孔隙尺度   渗流规律   粘弹性   毛管束模型   界面流变性   动力学模型  

摘要： 聚合物驱油作为一项成熟的提高采收率技术,已经在国内尤其是大庆油田实现了工业化应用,在油田稳产、高产中发挥着重要的作用。广大学者对聚合物溶液的渗流理论和驱油机理进行了广泛的研究,并取得了重要认识,但在微观渗流理论和驱油机理方面,现有研究多以室内实验作为主要技术手段。本文调研了大量国内外聚合物驱微观渗流和驱油机理研究成果,以前人工作为基础,用毛管束模型研究了孔隙尺度下非牛顿幂律流体和粘弹性流体的渗流规律,以及聚合物溶液驱油两相流渗流规律。通过亲油岩石壁面油膜受力平衡分析,探索了孔隙尺度下粘弹性聚合物溶液的驱油机理,分析了聚合物溶液驱替微观油膜所需宏观渗流速度。取得的研究成果如下: 在幂律流体具有牛顿流体康脱洛维奇变分速度分布形式假设的基础上,通过变分法建立了幂律流体在三角形毛管和矩形毛管内的流量和压降关系式,与本文Matlab数值解和相关文献结果对比表明,变分法结果在较宽的毛管几何尺寸和流体流变参数内具有高精度解,所得流量和压降关系式可应用于孔隙尺度网络模拟和毛管束模型。以单根毛管内幂律流体流量-压降公式为基础,给出了单根毛管和毛管束幂律流体等效渗透率计算方法,计算表明,在截面积相等情况下,圆形毛管和毛管束的等效渗透率最大。 应用机械能平衡原理,在Binding的工作基础上,以剪切粘度、拉伸粘度和第一法向应力差作为描述粘弹性聚合物溶液的流变参数,建立了聚合物溶液在收缩、收缩-扩张圆形管道和波纹管内的流量-压降公式。当渗流速度高于某一临界值后,由拉伸应力产生的附加压降将超过剪切压降。对本文研究的聚合物溶液,第一法向应力差对总压降的贡献很小,可以忽略。将多孔介质简化为波纹管组成的毛管束模型,建立了适用于描述粘弹性流体流动特性的渗流模型,与Koshiba等人的室内实验结果对比表明,本文提出的渗流模型可以很好地表征粘弹性聚合物溶液在多孔介质中流动时所表现出的拉伸特性。 采用常规毛管束模型和Dong等人提出的Interacting毛管束模型,模拟了水湿条件下牛顿流体的驱油过程。常规毛管束模型由于忽略了渗流过程中的物理特性,在模拟水湿油藏渗流时存在不足,Interacting毛管束模型则很好地弥补了这一缺陷。本文将Dong等人的模型推广应用到非牛顿幂律流体驱油的油水两相流动,并采用阻尼最小二乘法对模型进行了求解,在获得2个以上时间步结果后,把外推线性插值作为下一步运算初值,大大加快了收敛速度。非牛顿幂律流体驱油条件下,幂律指数和稠度系数减小,使不同尺寸毛管中的前缘推进速度差距变大,驱替趋于不均匀,这与吴玉树等人建立的宏观模型在定性规律上是一致的。 应用CIR-100界面流变仪,测定了聚合物溶液与原油界面的界面粘度、界面粘性模量和界面弹性模量,三者均随温度的增加先降低而后升高,随聚合物分子量和聚合物溶液浓度的增加而增大,随聚合物溶液矿化度的增加而降低。应用动量平衡原理,分析了界面特性参数对聚合物驱油过程的影响,结果表明,当界面张力低于临界界面张力时,在压力梯度不变的情况下,进一步降低界面张力,可以加快残余油的驱替速度,聚合物驱情况下,油水界面粘度增加,将引起孔隙内残余油驱替速度降低。 聚合物驱后荧光分析结果表明,聚合物溶液可以大幅度降低油膜型剩余油。针对这种类型的剩余油,建立了处于油藏流场中,粘附于岩石表面油膜的动力学模型。油膜所受驱油动力为驱油剂流动作用于油膜上的剪切应力和法向应力在油膜表面的积分,所受阻力为油膜变形引起润湿滞后,岩石壁面对油膜的束缚力。在二者达到平衡条件下,给出了水驱和聚合物驱条件下微观油膜启动所需临界流速。分析表明,聚合物溶液由于具有高拉伸粘度,使其能产生高出剪切应力1～2个数量级的拉伸应力,从而更容易使油膜启动。而水驱油时,所产生的拉伸应力几乎可以忽略,剪切应力很难将油膜从岩石表面剥离。

关键词： 薄液膜蒸发过渡区   压力比   特征参数   干涸  

摘要： 微通道内延展弯液面区中的薄液膜蒸发过渡区域对蒸发存在很大的影响,由于该区域中的液膜较薄,是蒸发率最高的区域。这个区域的长度直接影响了整个蒸发换热的效果。假设薄液膜区液体和壁面的接触角从θ=0(x=0)的变化到一定的度数θ=α(x=xi),从而得出了对气液界面的数学描述。通过离散求解界面温度,并采用压力比为判据,得出在既定的假设条件下,液膜厚度和流体流速以及气体流速。分析壁面温度、表观接触角、管道尺寸及Hamaker常数对蒸发过渡段的影响,更好的认识了薄液膜区的特征参数,并探讨了干涸发生的可能性。