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  

摘要： 船舶运输的能源消耗在整个交通运输中占相当大的比例,提高能效将对航运业的发展产生重大的影响,随着国内燃料电池产业化推进,船用燃料电池系统的研究逐渐得到重视。在质子交换膜燃料电池中,由于装配压力的作用,肋板下方的气体扩散层（GDL）和催化层（CL）处于受压状态,导致其孔隙结构及内部传递特性存在明显差异。然而,宏观尺度模型难以准确描述阴极受压GDL和CL内的传递现象,因此本论文采用孔隙尺度格子玻尔兹曼方法对阴极受压GDL和CL内的传递特性进行研究。研究成果对于从孔隙尺度上解释受压GDL和CL内部复杂的传递机理及电化学反应过程,以及优化GDL和CL微观结构设计有重要的理论意义。本论文主要研究工作如下: 针对受压缩GDL各向异性传输参数预测模型不完善的问题,数值重构了受压缩碳纸GDL三维微观结构,并建立了可用于计算受压缩GDL各向异性传输参数的格子玻尔兹曼模型,获得了GDL中流动及热质传递信息,研究了粘结剂体积分数和孔隙率梯度分布对受压GDL传输参数的影响。结果表明:GDL中粘结剂和压缩效应共同作用时,宏观模型中常用的传输参数-孔隙率关联式预测适用性差,而本文所提出的以碳纤维孔隙率、压缩比和粘结剂体积分数相关联的受压GDL多因素传输参数预测模型具有更高的准确性,R2值均高于0.98;具有较低孔隙率梯度设计的GDL在传输参数方面具备优势,这些影响可以考虑在设计和优化燃料电池GDL时,能确保良好的传质和传热性能。 系统地探究了受压状态下GDL内部的多组分气体传递特性,采用三维多组分传递及电化学反应格子玻尔兹曼模型,研究了受压状态下的活化过电势、压差、孔隙率和孔隙率梯度等因素的影响,并对各因素的影响程度进行分析。结果表明:活化过电势的增加引起电化学反应速率的加快,导致电流密度分布的不均匀性增强,压缩使得氧气浓度沿流动方向降低的现象更加明显,最小电流密度更小;压缩导致不同压差工况下电流密度值的降低较为接近;对于不同孔隙率的GDL,平均孔径随压缩比的增加而近似线性地降低,孔隙率越小的GDL在受到压缩时会产生更大的电流密度衰减;孔隙率梯度GDL被压缩后在流动方向上也有更小的浓度梯度,CL侧更大的局部孔隙率有利于氧气的补充和水蒸气的排除,因此具有更高的平均电流密度;对平均电流密度的总体敏感度为:活化过电势>孔隙率>压缩>孔隙率梯度>压差。 针对GDL多种参数耦合不同压缩状态对GDL内液态水输运作用规律不清晰的问题,建立了孔隙尺度两相格子玻尔兹曼模型,研究了润湿性、肋板宽度和润湿性梯度对液态水传递过程的影响。结果表明:提高碳纤维疏水性,液态水会趋向于减少和疏水表面的接触面积,液态水饱和度呈下降的趋势,但过高疏水性GDL内液态水团簇不易形成不易连通,使得液态水通路的形成滞后,引起液态水饱和度增加;压缩以阻断肋下液态水团簇和降低肋下GDL孔隙尺寸的方式影响液态水输运,受压缩时稳态液态水饱和度随压缩比的增加而降低。较窄的肋板不影响液态水流通路径,而压缩比增加导致孔隙尺寸减小,从而降低肋板下方液态水含量但提高通道下方液态水含量,较宽的肋板覆盖突破点位,压缩比增加导致液态水在GDL内积聚。对于不同润湿性梯度的样本,压缩导致流通路径的变化和液态水饱和度的降低,CL侧局部高疏水性碳纤维的润湿性布置更利于液态水向通道内的突破且受压GDL内液态水饱和度更低。 针对压缩对CL内氧气传输和电化学反应过程影响机制研究缺失的问题,在充分考虑电化学反应与氧气传输间相互影响的基础上,建立CL格子玻尔兹曼模型,分析了铂碳质量比、离聚物含量和铂载量等耦合压缩状态对氧气在CL孔隙和电解质内传输以及电化学反应过程的影响。结果表明:氧气输运和电化学反应进行依赖于孔隙尺寸分布和活性反应面积,降低铂碳质量比、提高离聚物含量和铂载量会增加更多的活性反应面积,但也会造成孔隙尺寸的减少,氧气输运变得更加困难。压缩导致氧气输运路径变短,铂颗粒受压而分布在更薄的CL上,使得活性反应点位数量增加,压缩也使CL内氧气浓度分布达到稳定状态所需的时间缩短,提高了离聚物内的平均氧气浓度。存在离聚物含量和铂载量的最佳值使氧气消耗速度最快,CL性能并不简单与铂载量直接地相关。

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]

关键词： 煤层甲烷   孔隙结构   连通特征   微尺度流动行为  

摘要： 煤炭在新时代能源体系构建中扮演着维护国家宏观经济平稳运行的“压舱石”和“稳定器”角色，深部煤层普遍存在“高储低渗”特征，导致甲烷抽采难度不断增大，煤层甲烷灾害防治与高效抽采是实现煤炭资源安全、清洁高效利用和双碳目标达成的重要途径，厘清煤层甲烷赋存与运移特征对破解煤层甲烷高效抽采及灾害防治难题至关重要。由于煤中微观孔隙结构通过其多级网络特性控制着甲烷的存在状态、吸附解吸、扩散渗流等储运特征，从而深刻影响甲烷赋存规律和传输性能。研究不同变质程度原生煤和构造煤的孔隙网络系统连通特性是揭示煤层甲烷赋存机理与运移规律的基础，对探索煤储层突出孕育机理和突出危险性预测的根本原因具有重要指导意义。本研究依托于表面物理化学、吸附科学、煤层甲烷流动理论、煤力学、计算流体力学、逾渗物理、几何分形等理论，对煤体微观孔隙演化机制、多尺度孔隙结构空间分布特征及受载演化机制、煤体孔裂隙结构对流体运移影响机制进行研究，揭示了煤体甲烷储运机制，为破解甲烷抽采难题提供新认识。本文主要结论如下：　　（1）通过流体注入法实验分析不同变质程度原生煤和构造煤的孔隙结构，并定量表证其复杂性及孔隙通达性。综合利用压汞法（MIP）、N2（77K）吸附实验、CO2（273K）吸附实验对不同煤化变质程度原生与构造煤样进行了多尺度孔隙结构的形态特征分析;在对比构造作用对于煤体孔隙结构影响的同时，发现存在特定类型的孔隙，即限制型孔隙，可能不利于流体在煤层中的有效运移，并且通过对于流态法曲线中滞后环产生的机理解释并验证煤中限制型孔隙的大量存在;基于逾渗理论进一步推导评估煤体孔隙通达性的方法，通过数学模型计算得出不同变质程度原生煤与构造煤孔隙通达性响应指标，厘清了煤微观结构中甲烷运移路径的差异性，有助于进一步揭示煤中甲烷运移与分布特性。　　（2）通过数字可视化和无损检测技术建立了煤体三维重构模型，从而揭示了其微观连通性的拓扑网络及其定量参数的变化特征。基于Micro-CT技术建立煤体数字可视化三维重构模型，通过图像处理及拓扑骨架化模型构建，定量化表征微观孔隙网络结构;利用三维拓扑骨架化模型，测定原生煤与构造煤的平均曲折度分别为1.216和1.161，分形维数分别为2.14和2.56。同时基于分形几何学与拓扑学，在最大球算法的基础上获取煤体拓扑等效网络结构及等效孔隙网络模型（PoreNetworkModel），对比不同变质程度及原生煤构造煤之间孔径与孔喉等效直径;基于格子Boltzmann方法与微观拓扑学等效孔隙网络模型相结合进行流动模拟，分别计算构造煤与原生煤各向渗透率张量，证明了原生煤的微观结构中流体流动具有显著的非均质性和各向异性，且这种分布特征可能主要受到煤体中规则发育的割理系统和定向发育的孔裂隙结构网络的决定性影响。　　（3）基于3D-XRM扫描技术对煤体微结构网络动态演化定量研究，并提出基于微结构重构模型孔隙率衰减模型及验证。采用自行研制的可用于3D-XRM技术的煤样加载装置进行CT扫描，实验覆盖0MPa、7MPa、20MPa三个围压条件;通过图像处理及模型构建，对煤体微结构定量化研究，对裂隙数量、体积、表面积、密度及分形维数五个关键参数进行了定量化研究表明;基于煤体三维骨架化模型与孔隙网络模型，对孔隙等效直径、孔喉等效直径与配位数等参数随应力条件定量分析，并选取特征区域对其割理方向进行渗透率张量计算，获得不同围压条件下渗透率分别为0.2282、0.00873、1.4753×10-16μm2。通过力学理论分析，提出煤体受载微结构孔隙率的衰减模型并进行验证，孔隙率的衰减模型与孔隙闭合曲线拟合相关性系数高达0.93。从理论模型及定量化实验的角度揭示了受载煤体微结构网络动态演化机制。　　（4）基于逆向工程分析技术，多软件数据交互联合解算获得了煤体微结构空间结构对气体流动影响规律，实现微观结构对气体运移的可视化研究。在微米级CT扫描实验基础上，使用Avizo软件提取出煤体真实孔裂隙网络结构，选取最大连通团，结合Geomagic-Studio以及Icem-CFD软件对生成的孔裂隙网格进行网格修复及重新划分，结合Comsol-Multiphysics软件实现对于甲烷气体在真实煤体孔裂隙结构中的单相渗流模拟，突破实验室渗流实验的局限性，实现微观渗流模拟的可视化分析;将煤体逐层孔隙率与流体逐层平均流速进行对比发现，具有较强的相关性，证明了微裂隙网络结构内部形态非常复杂且具有强烈的非均质性，同时煤体内部的微观裂隙结构对流体的渗透行为具有显著的调控作用。

关键词： 润湿性   流速   孔隙结构   最小运行功率原理   界面重构事件  

摘要： CO2咸水层地质封存被广泛认为是抑制温室气体效应的重要解决方案。超临界压力CO2与水的两相渗透流动机理是CO2安全与高效封存过程中的关键问题。由于多孔介质特性以及流动条件等因素的复杂性,目前对超临界CO2渗透流动机理的研究尚未完全阐明。本文以真实多孔介质为研究对象,采用微流控可视化实验与相场法（Phase Field Method,PFM）数值模拟方法,深入开展了孔隙尺度下两相渗透过程中注入速度与润湿性相互竞争以及孔隙结构与润湿性相互作用等内容的研究。 本文的主要研究成果如下: （1）选取最佳的数值模拟与微流控实验方案,确保了结果分析的准确性 在数值模拟方面,本文首先详细介绍了两相流相场法的基本原理。其次通过进行网格收敛性分析、模型收敛性分析并选择合适的迁移率调整参数,确定了最优的参数设置。最后在二维通道中进行了具有不同黏度比的两相流模拟,并与解析解进行对比,确保了数值模拟的准确性。在微流控实验方面,首先详细介绍了本文采用的实验系统,阐述了该系统完全适用于对流量控制要求较高且稳定的微流体驱动实验。其次基于该系统对微流控芯片材质进行了筛选并设计合理的实验方案。 （2）建立了界面重构事件与最小运行功率原理之间的联系,揭示了注入速度与润湿性之间的相互竞争机制 通过开展不同毛细管数Ca下的微流控可视化实验与数值模拟,发现润湿性效应随着Ca的增加而减弱,不同的界面重构事件被抑制。通过建立典型孔喉分析,发现两相流体驱替过程总是遵循“最小运行功率驱替路径原则”,并且界面重构事件被认为是系统在特定约束条件下为避免额外做功而衍生出的能量有利的自调节事件。进一步量化了表面能变化率以及运行功率之间的关系,发现确保运行功率最小化的控制机制随着Ca的增加发生了转变,进而使得润湿性效应被抑制。 （3）建立了接触角、方位角、孔隙几何与海恩斯跳跃事件之间的联系,阐明了孔隙结构与润湿性之间的相互作用机制 通过建立一系列不同润湿性的两相流数值模型,发现随着流体驱替从弱排驱到强排驱的转变,压降信号的频率降低了,同时也意味着海恩斯跳跃事件的频率降低。通过确定孔喉交界处弯液面演变规律并建立典型孔喉分析,发现流体驱替过程受到接触角、方位角、孔隙几何形状等约束的耦合影响。随着接触角的增加,响应于最小运行功率驱替路径原则,能量最有利状态对方位角的依赖减弱,更多的依赖于孔隙尺寸,从而使系统不再需要海恩斯跳跃事件进行调节。

关键词： 多孔介质   两相流   孔隙尺度   宏观尺度  

摘要： 气隙扩散式蒸馏是在海水淡化以及废水处理背景下提出的方法,将其耦合多孔结构吸收法,产生了气隙扩散式多孔吸收方法。这一方法使用多孔介质流道作为冷侧吸收区,在增大流体湍流程度与气液接触面积的同时降低冷侧平均温度,从而减少了传热过程总热阻。因此开展多孔结构吸收过程中气液界面热质传递的基础性研究工作,有助于进一步提高对气隙扩散式多孔吸收方法的认识。 本文针对气隙扩散式多孔吸收装置中冷侧多孔介质区域以及气隙区域内的两相流体传热传质展开研究,以泡沫碳化硅多孔材料为研究对象搭建模型。研究了十四面体柱状拓扑结构阵列生成的多孔吸收区内的多相流动,同时使用多孔介质模型和自定义冷凝模型建立二维气液两相流模型,探讨了内部的热质传递过程,实现了孔隙尺度和宏观尺度模拟研究。 文中多孔结构内流动特性的研究考虑速度、压力、两相分布及气液界面大小等方面。研究发现多孔骨架使得流体流速分布不均,在中心位置的小尺寸孔喉处流速最大,而骨架背向入口方向最低;修正了适用于十四面体结构的压降拟合公式,流速越大,压力损失也越大且与流速呈现次方关系;随着流量的增大,气液混合区厚度减小,气液界面逐渐向多孔区域表面靠近,气液相界面积的大小随入口流速先增加后减小,且流速相同时接触角越大面积越小。 本文模拟了多孔介质表面液膜上水蒸汽-空气的混合气体的冷凝过程,探究温度、流速等运行参数以及多孔介质、气隙的结构参数对性能指标的影响。研究发现,冷凝只发生在气液相界面位置处,冷凝速率的最大值在液相入口附近;气相和液相分别处于右侧高温气隙区域与左侧低温多孔介质区域,且有明显温度边界层;气隙区域温度变化剧烈,总体呈左低右高分布。得出两相温度降低、气相流速增大均会使得平均冷凝速率、潜热换热量增大,其中气相流速的影响显著而液相流速的作用不明显;而液相温度降低、气相温度升高、两相流速增大会使显热换热量增加。通过比较,孔径比孔隙率对冷凝速率的影响更大,孔径越大,冷凝速率越大,潜热换热量越大,但显热换热量越小。与此同时,气隙宽度增大会使相界面处的平均冷凝速率降低,潜热换热量与显热换热量也会随之降低。