关键词： 联合表征   孔隙结构   核磁共振   气体吸附   连通性   可动流体  

摘要： 微观孔隙结构影响着流体在煤层中的储存及渗流。为精确表征煤层微观孔隙结构特征,本文以鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层为研究对象,采用核磁共振、CO_(2)吸附和N2吸附手段,多尺度联合表征煤层的孔隙分布特征,并结合CT扫描技术对微观孔隙的连通性和均匀性进行研究。结果表明:煤的微孔是比表面积与孔容积的主要贡献者,介孔次之;核磁共振与吸附联合表征反映了微孔、介孔部分的孔径分布有较好的一致性,大孔部分差异较大;驱替核磁共振和CT在反映连通程度方面具有优势,且两者对于连通性的表征具有一致性,配位数以及渗流孔比例等参数可有效反映样品的连通程度;不同深度段煤层连通性不同,非均质性也不同;煤样束缚水饱和度与孔喉比存在良好的正相关性。可见,孔隙结构对流体的运移程度有很大影响,是研究及评价瓦斯赋存与渗流的基础。

关键词： 润湿性   CO_(2)地质封存   孔隙尺度   润湿转变   成像技术  

摘要： 多孔介质的润湿性是CO_(2)地质封存过程中的重要参数。基于润湿性测量方法和光学成像技术综述了CO_(2)封存条件下不同尺度的多孔介质润湿性测量技术,并分析了相关润湿现象。目前,岩石润湿性的测量主要分为:实验室尺度的表面润湿性测定、孔隙尺度的内部壁面接触角测定,以及宏观尺度的岩心整体润湿性评价。孔隙结构、矿物组成成分和表面粗糙度是孔隙尺度接触角的关键影响因素,它们会影响多孔介质的混合润湿特性并造成润湿滞后现象。根据不同局部驱替事件(如排水、渗吸)的接触角分布建立了孔隙尺度与连续尺度的岩石润湿性关系。最新研究发现,随着驱替的发展,岩石润湿性在排水和渗吸过程中发生了显著改变,但不同尺度的岩石润湿性的关系及润湿转变机理仍需要进一步研究。

关键词： 碳封存   润湿性   接触角   孔隙尺度  

摘要： CO_(2)地质封存是实现温室气体深度减排的重要方法,岩石润湿性是影响其安全性与储存潜能的关键因素之一,因此探明岩石多孔壁面的润湿规律及其对CO_(2)-盐水界面迁移的影响机理,有助于推动碳封存项目规模化实施.本文简要综述了近年来碳封存领域多孔介质壁面润湿性测量的研究进展,归纳了多孔介质壁面润湿性对气-液界面运移微观影响机理的最新成果.从目前的研究来看,应用微流控芯片和X射线CT可视化技术成为研究孔隙壁面润湿性的重要手段,多孔介质壁面接触角测量已从传统岩心表面接触角转变岩心内部多孔壁面局部接触角测量研究,研究获得了基于气-液界面特性与局部润湿行为的岩心整体润湿性评价方法.但如何建立不同尺度润湿特性之间的联系关系目前仍面临挑战.另一方面,业内学者在孔隙尺度获得了不同润湿条件下CO_(2)-盐水界面演变特性,随着更多微观渗流机理的发现,岩石润湿性对不同气-液界面行为的影响机理还需大量工作.

关键词： 金属丝网   多孔介质   孔隙尺度   渗透率   毛细特性   层流  

摘要： 金属丝网多孔材料由于其孔隙可控、高比表面积、高强度和价格低廉的特点,在过滤、催化、高效换热以及防爆领域引起广泛关注。为表征其毛细特性,测量了四种不同规格的铜丝网几何尺寸,并建立了平纹方形编织金属丝网的单元孔隙结构模型。分析了丝径、孔径对孔隙率、比表面积、渗透率的影响。研究发现:Kozeny-Carman公式可以较好预测低流速(小于0.01 m/s)下的金属丝网渗透率关系,其中几何因子与丝网网径成对数关系。流速大于0.01 m/s时,惯性效应的影响不能忽略,通过Forchheimer公式得到Darcy渗透系数和非Darcy渗透系数,并根据类Kozeny模型修正了渗透系数与孔隙率和丝径的关系。研究得到了平纹编织丝网几何结构与毛细特性的拟合关系,为吸液蒸发用金属丝网提供了设计依据。

关键词： 表征体元尺度   孔隙尺度   多孔介质   渗透率   格子玻尔兹曼   微生物生长  

摘要： 建立了孔隙尺度微生物生长与REV尺度多孔介质渗透率衰减的耦合算法,分析了微生物生长对多孔介质渗透率衰减的影响规律,为有效控制地下水回灌过程中的微生物堵塞提供了理论依据。多尺度耦合模型的孔隙尺度部分采用LBM-IBM耦合模型模拟多孔介质中流场,CA模型描述微生物生长。宏观尺度部分采用通用渗流模型描述流体在多孔介质内的流动。结果表明:由于流体和营养物的优先渗流性,微生物生长在空间上呈明显的非均匀性。多孔介质进口处微生物生长最快,远离进口的多孔介质骨架上微生物生长量与上下游位置关系不大,而与优势流直接相关。将不同营养物进口浓度工况下的局部当量孔隙率动态变化曲线用于REV计算,发现REV尺度的营养物进口浓度每增加1倍,多孔介质开始发生堵塞的时间可缩短18.0%~30.7%。

关键词： VOF方法   两相流   孔隙尺度模拟   CO_(2)地质封存   复杂多孔介质   润湿性   黏度比   毛细管数  

摘要： 二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO_(2)地质封存过程中的渗流行为,提高CO_(2)地质埋存量,基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法,分别建立了2D和3D模型,开展了超临界CO_(2)-水两相流动数值模拟研究,对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO_(2)团簇分布特征、CO_(2)饱和度变化规律,揭示了孔隙尺度CO_(2)埋存的内在机理。研究结果表明:①随着岩石对CO_(2)润湿性增加,CO_(2)波及范围扩大,同时CO_(2)团簇的卡断频率减少,CO_(2)埋存量增加;②随着毛细管数的增加,驱替模式由毛细指进转变为稳定驱替,CO_(2)埋存量增加;③随着注入超临界CO_(2)黏度逐渐接近水的黏度,两相流体之间的流动阻力降低,促进了“润滑效应”,CO_(2)相的渗流能力提高,CO_(2)埋存量增加;④润湿性、毛细管数、黏度比在不同维度多孔介质模型中对CO_(2)饱和度的影响程度不同。结论认为,基于VOF方法的CO_(2)-水两相渗流模拟研究在孔隙尺度上揭示了CO_(2)地质封存过程中的渗流机理,对CCUS技术的发展有指导意义,也为更大尺度的CO_(2)地质封存研究提供了理论指导和技术支撑。

关键词： 矿井瓦斯   CO_(2)相变致裂   孔隙结构   致裂压力   尺度效应  

摘要： 为探讨不同CO_(2)相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响,开展120,150,185 MPa作用下的CO_(2)相变致裂煤体实验,综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO_(2)吸附孔隙结构参数测试方法,分析CO_(2)相变致裂后煤的大孔(>50 nm)-介孔(2~50 nm)-微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明:CO_(2)相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应;致裂后,大孔平均孔径与孔容大幅度增大,孔表面积降低;介孔平均孔径增大,孔表面积明显降低;孔隙连通性明显增强。CO_(2)相变致裂过程时间极短,高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展,延伸至微孔时,衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO_(2)相变致裂在大孔-介孔尺度的扩孔效应,随致裂压力的增大而增强;不同变质、变形程度煤的大孔-介孔-微孔发育存在差异;因此,研发“高致裂压力-长作用时效-大能量”的CO_(2)相变致裂器,有助于进一步增强CO_(2)相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为CO_(2)相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。

关键词： 三维四向编织复合材料   孔隙率   三单胞模型   多尺度  

摘要： 编织复合材料在制造过程中不可避免地会出现孔洞缺陷,这些缺陷直接影响编织复合材料的力学性能。基于开源软件TexGen[1]实现编织复合材料内胞、面胞和角胞的参数化建模,在面胞和角胞模型中均考虑了纱线轨迹在空间中的偏移和受到打紧工序时纱线之间的相互挤压。利用random函数在微观尺度微观模型的基体中引入孔隙单元来模拟纤维束内干斑,在细观尺度上的三单胞模型基体中引入孔隙单元来模拟纤维束间孔隙,在宏观尺度上建立含内胞、面胞、角胞细观单元宏观均质模型对宏观弹性常数进行预测。结果表明:(1)孔隙率对细观尺度三类单胞模型的弹性常数影响程度不同;(2)纤维束内干斑孔隙对宏观弹性性能的影响要大于纤维束间孔隙,随着干斑孔隙率Pm增加,纵向泊松比减小,而随着纤维束间孔隙率Pn增加,纵向泊松比呈现出递增的趋势。

关键词： 发汗冷却   多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   传热  

摘要： 以发汗冷却技术为背景,采用D3Q19格子玻尔兹曼方法程序,在孔隙尺度下研究了多孔介质结构对结构温度场的影响。针对球形颗粒堆积结构和随机结构这两种常用的多孔结构,分别计算分析了渗透率和固体温度分布。结果表明:对于颗粒堆积结构,当颗粒规则排列时,其固体温度分布呈明显的阶梯状;而颗粒无规则排列时,固体温度变化趋势比较平稳,并且随着颗粒直径的增大,渗透率增大,固体温度降低。对于随机多孔结构,随着孔隙尺寸减小,渗透率减小,固体温度升高。在0.3~0.5的孔隙率范围内,颗粒堆积结构和随机结构由于内部对流换热强度的不同,固体温度具有不同的变化特点。

关键词： 格子Boltzmann   黏性指进   化学反应   固态物质析出   孔隙尺度  

摘要： 基于国家数值风洞LBM模块和自编程序,本文在孔隙尺度下对微孔中两种可混溶溶液的黏性指进反应混合过程进行了数值研究。针对两种溶液之间的化学反应以及产物的析出,本文重点研究化学反应速率、固态生成物的成核速率以及聚集速率对黏性指进的影响。研究发现:反应会明显改变黏性指进的界面浓度分布,一方面随着反应速率的增加,指进界面处各组分的变化越来越明显;另一方面由于受到扩散作用的限制,当反应速率增大到一定值后,各组分的平均浓度不再发生变化;产物的生成量与反应速率成正相关,与成核速率和聚集速率成负相关;析出的固相组分的浓度与成核速率和聚集速率成正相关;混合长度主要和反应速率相关,成核速率以及聚集速度的改变对混合长度基本没有影响。