关键词： 孔隙结构   分形拓扑   泰森多边形   B样条曲线   磨圆度   LBM  

摘要： 煤系气作为一种在煤化作用中产生的非常规清洁能源,在当今社会扮演着日益重要的角色,其高效的开发利用不仅有助于安全开采煤炭,还能有效降低对环境生态的负面影响。煤系气赋存于储层的复杂孔裂隙结构中,该多尺度结构亦制约着流体的输运特征,因此自然储层的微观结构重构、定量表征及渗流研究对储层渗透率评估、靶区优选都具有重要意义。多孔介质中,颗粒磨圆程度是颗粒形貌的一个重要指标,对孔隙度影响相对较小,但它能显著改变渗流通道并作用于储层渗透率,因此,可控磨圆度的介质模型构建成为了研究颗粒形貌对渗流影响机制的重要基础。 本文旨在探索一种颗粒状多孔介质的构建及磨圆方法,首先依托于分形拓扑理论及泰森多边形空间分割技术构建了致密连通、棱角突出的颗粒状分形多孔介质,随后依据B样条曲线原理发展了一种颗粒形状的磨圆方法并应用Wadell磨圆度计算方法评估了磨圆颗粒的磨圆度,在此基础上对比分析了与顶点圆角替代磨圆法的颗粒磨圆度。结果表明统一参数控制下,本文所提出的磨圆方法所得的磨圆度比顶点圆角替代磨圆法的结果具有更好的相似性。论文研究为颗粒状多孔介质的构建及磨圆提供了一种新的方法参考,并丰富了分形多孔介质材料及其相关属性研究的物理模型。 结合颗粒形貌的几何参数特征详细探讨了磨圆系数与颗粒磨圆度、面积、周长、最大内切圆直径等参数之间的作用关系,发现磨圆度的变化会直接导致颗粒形状的改变,进而影响颗粒大小面积,通过选择不同的磨圆方法调整磨圆系数,可以有效地控制颗粒的形状与性能。 利用格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟了多孔介质中的流体的运移行为。借助不同随机特征、不同磨圆程度下分形多孔介质的渗流模拟结果,深入揭示了磨圆度对多孔介质渗透率的影响规律。研究发现,颗粒磨圆度的提升,有效地增加了多孔介质孔隙度,减小渗流路径的弯曲程度,并减小比表面积,进而增强储层的渗透性能,降低流体流动的阻力。 本研究所提出的多孔介质磨圆构建方法和物理模型不仅丰富了多孔介质材料的研究体系,还为相关领域的工程应用和科学研究提供了有力的工具和支持。为多孔介质定量表征及渗流机理研究提供了新的思路与方法。

关键词： 液滴   纤维多孔介质膜   接触角迟滞   三相界面面积   准平衡态  

摘要： 液滴在粗糙表面的接触角迟滞现象与其形成机制是固-液界面领域的热点问题。广泛地工业应用,例如:在能源领域,燃料电池里气体扩散层（Gas Diffusion Layer）上的液体传输和界面反应受到粗糙表面的影响;在材料科学中,粗糙表面的润湿性研究可以为新型涂层材料的设计和改进提供指导等足以说明其研究的重要性。尽管液滴在理想光滑或具有规则表面结构的固体表面上的测量接触角已经得到广泛研究,但置于无规则且复杂的粗糙表面上的测量却仍存在挑战。 因此,本文在液滴接触角研究的基础上,选择工业应用中广泛使用的纤维多孔介质膜作为实验材料,研究孔隙尺度下液滴在纤维多孔介质膜的接触角迟滞现象,分析纤维孔隙结构对迟滞现象的影响,提出表面张力对孔隙尺度液滴渗透的作用机制。本文的主要研究内容如下: （1）确定实验的整体思路。设计并搭建光学实验系统以获取液滴顶视图和侧视图,使用共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscope,CLSM）扫描纤维多孔介质膜的表面结构。确定实验中器材和材料的选型,制定实验流程。对实验中的数据进行处理。通过沿圆周方向一周的液滴侧视图像获取液滴外轮廓,提出使用轴对称镜像法计算表观接触角,通过对比验证了此方法的精确性。通过CLSM扫描出的数据重构表面三维模型。 （2）宏观观测液滴置于纤维多孔介质膜上的接触角迟滞现象。侧视图获取液滴半径和表观接触角,利用液滴半径绘制出三相接触线;顶视图确定液滴在纤维多孔介质膜上的具体位置和外轮廓曲线。以薄膜表面结构的等高线图为基底,绘制液滴外轮廓和三相接触线关系图。得出液滴半径、表面结构与表观接触角之间的关系。统计表观接触角数值,得出接触角出现频率呈正态分布规律。 （3）分析液滴受力情况。利用悬挂在纤维上的液滴提出并验证一种计算毛细力的方法,将此方法应用到液滴置于粗糙固体表面的情况,根据界面在三相接触线的力平衡条件,本文建立一个带有边界的闭口系统,利用表面张力曲面积分计算毛细力。 置于纤维多孔介质膜上液滴的三相接触界面面积的研究与分析。对Young模型和Cassie-Baxter模型进行简单讨论,提出一种气-液界面收缩的迭代算法来分析液滴与薄膜之间的三相接触面面积,并计算Cassie-Baxter模型的界面参数。研究发现固-液接触面积f1是影响表观接触角的主要因素。 （4）针对GDL实际使用中受到的挤压问题,分析在塑性形变条件下纤维多孔介质膜对液滴接触角迟滞的影响。讨论液滴接触角和液滴半径变化趋势及变化原因。

关键词： 孔隙介质   水合物   流体迁移   相变   组成分异   动力学  

摘要： 天然气水合物在沉积物、多孔介质中的形成过程受控于气源形式和气体运移过程,这些因素会对水合物的结构与组成、微观分布习性、宏观分布特征产生较大的影响。掌握多孔介质中水合物相变规律、组成分布特征及形成机制,对于水合物成藏机制和勘探开发具有重要意义。本论文针对多孔介质中水合物形成过程中发生的相变与组成分异现象,采用二维孔隙模型、一维高压石英毛细管与定量拉曼光谱技术相结合的方法,定量研究孔隙介质内气体运移过程、水合物相变与组成分异规律、气-水-水合物空间耦合关系。在一维孔隙中定量研究气液界面型水合物、客体物质传质控制条件下水合物生长过程。通过分析水合物形态、生长速率、结构与组成、传质路径上客体物质的分布,从生长动力学角度揭示水合物在多孔介质内相变与组成变化规律。获得的结论如下: （1）孔隙介质内气体运移规律实验发现,孔隙内流体的迁移分为游离气和溶解气两种。当气体饱和度较高时,会以游离气和溶解气两种形式迁移;当气体饱和度较低时,含气流体的迁移由于毛细力的作用会以溶解气形式进行。含气流体的迁移路径受到了孔隙结构和驱动力的协同控制。气体流经通道上孔喉比决定了流体优势通道,气体主要分布在优势通道内。气体的迁移速率会随驱动力增加而增加,当驱动力水的流速增加至1.5 ml/min时,气体的溶解速率就会趋于稳定。气体以游离气形式迁移的速率比气体溶解速率高4个数量级。 （2）孔隙介质内水合物相变规律表明,孔隙内水合物主要分布在气体附近,根据水合物与气体的空间耦合关系,可以划分为气体表面水合物膜、气液界面水合物壳、孔隙水中水合物三种类型。气体-水合物之间并不是完全稳定的,会存在气体突破水合物壳向外溢出;水合物膜厚度不均一,且向气相生长收缩的现象。这是由于孔隙内溶解甲烷浓度和水合物组成空间分布不均一造成的。实验测得的孔隙内溶解甲烷浓度最大可相差2倍,s I型水合物中甲烷-乙烷比值要高于原始气相组成,s II型水合物中甲烷-乙烷比值要低于原始气相组成。 （3）孔隙介质内水合物生长规律表明,气液界面型水合物、传质型水合物是分布最广泛的。通过分析发现气体的供应方式可能会影响界面反应速率和客体物质传质过程,从而主导这两种类型水合物的生长过程。通过一维石英毛细管来模拟这两种类型水合物的生长过程,对于气液界面型水合物,实验发现客体物质除了跨水合物膜扩散;水合物膜破裂还会为客体物质的输运提供了新的通道。水合物与孔隙基质之间存在的水膜,为气相一侧水合物形成水的输运提供了新的路径。 （4）对于气液界面型水合物（游离气供应）,由于与气体的直接接触,主要受到界面反应速率的影响,随着温度升高,界面的接触角会减小,接触面积会增大,会使水合物的形成速率变快。根据拉曼定量技术测得的水合物组成发现,界面两侧水合物结构类型、组成均不同,孔隙水一侧的为s I型水合物,组成中乙烷含量均在9 mol%左右;气相一侧的为s II型水合物,组成中乙烷含量高达16mol%;水合物壳中甲烷/乙烷的比值呈中间低、两侧高的特点,这是由于水合物膜对甲烷、乙烷扩散阻碍程度不同导致的。 （5）对于孔隙水中受传质控制的水合物（溶解气供应）,随着温度升高,传质路径上在气液界面、水合物生长前缘处的两位置的客体物质溶解度会减小,从而造成反应的驱动力减小、水合物生长速率变慢。实验测得的水合物生长速率在8.85×10-9-1.82×10-7 m/s,要比游离气供应的水合物生长速率低1-2个数量级。同时通过拉曼定量研究发现,传质路径上客体物质的分布是呈线性递减的。 （6）水合物的组成变化主要受控于气体溶解-扩散过程。客体物质在溶解、扩散过程中均会发生分异,对于短距离的传质过程,水合物组成变化受到客体物质溶解过程影响较大;而对于长距离的传质过程,水合物的组成变化受到客体物质扩散过程影响较大。根据模拟计算的甲烷-乙烷溶解扩散过程,仅仅1 m的距离就会产生1个数量级程度的分异,这种分异现象随着温度降低而变得更加明显。溶解扩散过程中的分异现象一定程度可以解释稳定域内水合物在垂向上组成分异特点,即越靠近海底的位置,气体扩散距离和温度降低会加强分异过程,造成浅部的水合物组成中呈现甲烷含量高、乙烷含量低的现象。虽然浅部微生物作用也会产生这种现象,但是溶解扩散过程会使这种现象得到加强。

关键词： 计算流体力学   孔隙尺度   混相驱   CO2埋存  

摘要： 多孔介质内CO2驱油与埋存过程受孔喉结构、受力情况、CO2-油混相程度和流体物性变化的共同影响。基于计算流体力学（CFD）方法，提出一种CO2驱油与埋存孔隙尺度数值模拟方法，以讨论孔喉结构、受力情况、CO2-油混相程度与流体物性变化等因素对CO2驱油与埋存效果的影响。模拟结果表明：CO2混相驱油初期，流体对流是影响原油采出与碳埋存程度的关键因素。在CO2混相驱油与埋存阶段后期，受真实多孔介质复杂孔隙结构影响，扩散是盲端、角隅等孔隙结构内油组分与CO2混合、采出及实现CO2埋存的基本机制，扩散可使原油采出程度进一步提高18.14%。流体密度和黏度降低能够有效增强主渗流区域内油/CO2组分的浓度梯度，从而显著提升各组分的扩散效率，进而提高CO2驱油与埋存效率。研究结果可为矿场CO2驱油与埋存过程提供理论支持。

关键词： 质子交换膜燃料电池   阴极   压缩   孔隙尺度模拟   传递特性   格子玻尔兹曼方法  

关键词： 火驱   多相流   孔隙尺度   CFD   深度学习  

摘要： 火驱是目前稠油开采一种强有力的开采方式,但火驱的机理十分复杂,为了对地层中火驱过程中燃烧和驱油过程有准确的认识,对准确判断地下燃烧状况、维持稳定的燃烧前缘提供理论支持,所以开展火驱数值模拟的研究十分必要。 微观的火驱模型对直观的准确的认识地层中燃烧和驱油过程是至关重要的。现有的微观火驱孔隙尺度数值模拟模型仅考虑了固相(焦炭)和气相,不包括油相,无法准确描述稠油热解结焦及原油驱替过程,因此本研究中设置了完整的气、油、固、水四相,并考虑复杂化学反应,建立了多相流模型与化学反应动力学模型耦合的火驱孔隙尺度CFD模型。 通过建立的孔隙尺度CFD模型模拟研究了均质地层和非均质地层条件下,入口温度分别为573K、773K、873K、973K时火驱热解和燃烧过程中的温度分布、焦炭生成、油的流动状态。得出非均质地层是影响稠油火驱过程中温度分布和油的流动状态的关键因素之一,并揭示了火驱中油相到焦炭生成的过程,入口温度为573K时无焦炭生成,入口温度高于773K时,发现焦炭在模型内呈现不均匀分布状态。并基于此基础上探究了深度学习方法对于多孔介质内流场预测的可行性,利用200张CFD数据云图结合卷积神经网络的4种模型来达到预测未知孔隙结构内油的流动状态,结果表明Unet-1模型决定系数更接近于1,绝对误差和相对误差最小,预测的油相的平均相对偏差小于0.3。并采取数据增强中的翻转技术,数据增强后的绝对误差平均值降低0.01～0.02,数据增强技术克服数据量不足的局限性,为多孔介质中流场预测提供了更强的技术支持。 本研究为火驱研究提供了重要的理论和实践基础,为火驱过程的优化和控制提供了新的思路和方法,并且可以帮助我们对不同火驱技术方案进行预测和评估,为油田开发决策提供科学依据。并且减少无效的实验和投入,降低油田开发的总体成本。

关键词： 粮食干燥   DEM-CFD   热湿耦合传递   孔隙特征   变空气参数  

摘要： 粮食供应是人们日常生活和国家发展的重要组成部分,直接关系到国家的经济、安全和社会稳定。在粮食储存过程中,如果温度和水分控制不当,可能会导致粮堆内部局部发热、霉变和黄变等问题,从而降低粮食的品质。因此,确保粮食品质,实现安全储存,对于保障国家粮食安全和人民生活有着重要的意义。 本研究以粮堆为研究对象,在使用离散元方法构建不同粮种的堆积物理模型的基础上,基于多孔介质局部质量和热量非平衡理论,建立描述其内部流体流动和热湿耦合传递的数学模型,并采用离散元法-计算流体动力学(Discrete Element Method-Computational Fluid Dynamics,DEM-CFD)耦合的方法进行了求解。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比分析,验证了数值模型的合理性和可靠性,还进一步分析和讨论了粮堆孔隙特征及通风干燥工况时粮堆内部流体流动、温度和水分的变化规律。此外,深入探讨了入口空气参数对粮堆热湿耦合传递的影响规律。主要研究内容及结论如下: 1.针对现有的粮堆热湿耦合传递理论的局限性,本研究建立了离散元方法中描述粮食颗粒行为的运动和接触模型,以及粮堆双扩散热湿耦合传递数学模型,并通过实验数据验证了相关数学模型的合理性。 2.通过实验确定不同粮种离散元方法涉及的本征参数及颗粒模型,进一步构建了球形和异形颗粒粮堆物理模型,并结合自编译程序对粮堆物理模型进行重构。研究发现对于球形颗粒粮堆,可采用添加“桥梁”的方式来处理颗粒间的接触,且桥梁的直径宜选为颗粒直径的10%,而对于异形颗粒粮堆的接触处理,建议将颗粒尺寸缩小1%。 3.数值分析了不同尺寸球形颗粒粮堆孔隙特征、气流流动、温度和水分传递特性,研究了入口空气参数,如空气温度、相对湿度等对粮堆热湿耦合传递的影响。发现颗粒尺寸较小的粮堆具有更为均匀的孔隙率分布,但存在着相对较大的气流路径迂曲度和压降,而颗粒直径较大的粮堆传热传质毕渥数大,相应的粮堆温度和水分变化也较缓慢。相比于水分扩散率,大豆颗粒的热扩散率通常大3-4个数量级,使得干燥过程的大部分时间消耗在水分调控上。干燥空气的温度和相对湿度均能对粮堆的热湿传递产生较大的影响,而增加入口空气速度虽然能加强粮粒和空气间的换热,但对水分传递的影响很小。 4.对异形颗粒粮堆的孔隙特征和热湿耦合传递规律进行了研究,发现大麦和稻谷颗粒的不规则形状增加了颗粒与壁面的接触面积,减小了壁面处的径向孔隙率,导致粮堆局部具有了更大的气流流动阻力。热扩散率的不同,使得大麦粮堆内部的温度变化速率明显高于稻谷粮堆,而受到水分扩散阻力和颗粒形状的影响,稻谷粮堆的水分传递速率较大。变温和变相对湿度条件均可以在一定程度上缩短干燥所需的时间,但有可能出现异常干燥速率曲线,因此,需要谨慎控制干燥过程中空气参数的变化。得到的研究结果有助于解决干燥系统的设计和优化问题,以期为实现粮食安全储藏提供参考和理论指导。

关键词： 数字岩心   三维重构   分形维数   孔隙网络模型   绝对渗透率  

摘要： 煤储层的孔隙结构复杂,且孔隙为煤层气提供赋存空间,喉道为渗流提供了流动通道,对煤储层流体的存储和运移具有重要的贡献作用。研究以两淮矿区(刘庄、祁东)煤样为基础,使用计算机断层扫描技术(CT)和聚焦离子束扫描电镜技术(FIB-SEM)技术,获得多尺度下煤样扫描数据。使用图像滤波、阈值分割对煤样切片数据进行预处理。基于连通孔隙进行等效孔隙网络生成,并分析等效孔隙网络模型的连通性。使用分形维数理论,求解不同维度下分形维数,分析分形维数影响因素。运用不同模型进行不同方向上绝对渗透率实验模拟,通过模拟结果与实验室测试结果对比,评价实验模拟的准确性,分析绝对渗透率影响因素。研究结果如下: (1)开展了不同微观尺度(微米级、纳米级)的煤样数字图像预处理。基于不同的图像滤波和阈值分割方法,认为中值滤波的效果较好,阈值分割具有不同的适用性。微米级样品都含有孔隙、矿物和煤基质三种物质,煤基质占比都大于94%,孔隙和矿物的占比较少。纳米级尺度扫描样品由于孔隙尺寸小于扫描分辨率,难以识别孔隙结构。 (2)微米级煤样的表征单元体尺寸分别为300 voxel、200 voxel、200 voxel、200 voxel。通过等效孔隙网络模型参数分析,孔隙和喉道尺寸、配位数越大,孔隙和喉道形状因子越接近规则模型的形状因子,欧拉数为正数且越接近零、迂曲度越接近1,孔隙的连通性越好。 (3)LZ-15、QD-15、QD-P1、QD-P2煤样的空间分形维数分别为2.34、2.36、2.21、2.27。高分辨率下的分形维数较小,分辨率由低到高,孔隙结构数目减少,分形维数减小,非均质性减弱。随着孔隙度和模型尺寸的增大,增加了孔隙结构的数目,增加了孔隙结构的复杂程度,致使分形维数增大。 (4)微米级煤样具有各向异性。K-C方程求解出的渗透率大于两种模型的实验结果,误差范围在0.2%～5.2%。两种模型对比,绝对渗透率实验模拟具有更高准确性,微米级煤样的平均绝对渗透率分别为0.661 m D、0.457 m D、0.437m D、0.434 m D。分形维数越小、孔隙和喉道尺寸越大,绝对渗透率越大,有利于煤层气的产出。 图[74]表[13]参[125]