关键词： 微流控芯片   PDMS多孔光热材料   蒸发浓缩   孔隙尺度   界面蒸发  

摘要： 微流控芯片体积微小,比表面积高,在能量传递和物质传输方面颇具优势,因此具有样品消耗量小、反应迅速、灵敏度高、高度集成化、便于携带的特点。这使得微流控芯片在生化检测、材料合成、能源高效应用等领域极具应用前景。在生化分析和检测过程中,样品溶液浓缩处理是重要的中间环节,也是提高检测灵敏度的最佳方法。光热蒸发浓缩技术通过光照射在流体或者光热材料,产生光热效应对样品溶液进行加热,可以实现非接触式的样品浓缩,具有局部精确调节、迅速响应的特点。现有的微流控光热蒸发浓缩技术存在以下问题:(1)封闭式的光热蒸发微流控芯片,蒸发产生的蒸汽不易排出,导致蒸汽分压增大,会抑制蒸发,降低蒸发效率;(2)流道内蒸发产生气泡后形成两相流动,会出现气液界面不稳定的情况,影响蒸发稳定性;(3)缺乏高效的蒸发器结构的设计。多孔光热材料由于本身具有光热转化特性,并且可以将气液相分隔开,丰富的孔隙又可以方便蒸汽的排出,既提高了光热蒸发效率,又保证了蒸发的稳定性。但是现有的部分多孔光热材料不易于微流控芯片相结合,且制备方法复杂,不方便按需求灵活调节定制。基于以上问题,本文围绕多孔光热材料以及其在微流控芯片浓缩中的应用开展了系统研究。首先,制备了具有良好生物相容性且易于加工的PDMS多孔光热蒸发材料,研究光照强度、多孔层厚度、孔隙结构对光热蒸发性能的影响以及盐溶液蒸发特性,并提出能量高效利用和防止析盐的方法。然后,用光刻的方法加工孔隙网络微通道,通过可视化实验,研究多孔材料孔隙尺度下光照强度、孔隙率和盐溶液浓度对光热蒸发特性的影响,揭示光热致孔隙网络流道中的界面蒸发与物质输运特性。最后,根据光热致多孔介质内物质传输特性规律,将制备的PDMS多孔材料集成到光热蒸发浓缩装置,设计具有多孔光热蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,研究光照强度、流量等运行条件对光热蒸发浓缩效果的影响,并测试了硫酸铜溶液和溶菌酶溶液的浓缩效果,提出浓缩效果的调控方法。本文获得的主要结论如下:(1)基于PDMS与碳纳米颗粒,通过盐模板法制备了光热多孔材料,制备方法简单,可以根据需要调控孔隙和厚度。制备的PDMS多孔材料具有良好的工艺性能和优异的光热蒸发特性,一个太阳辐照条件下,蒸发速率可以达到1.36 kg/(m·h),光能-蒸汽转化效率为77.89%。多孔层厚度增加会减少热量损失,进而提高蒸发速率。用于盐溶液光热蒸发时,蒸发速率随着盐溶液浓度增加而降低,孔隙尺寸的增加可缓解多孔材料析盐现象。(2)以微通道网络结构模拟多孔层二维切片,研究了光热多孔介质相变与组分传输过程。界面蒸发过程中,孔隙区域上开口处的气液界面在毛细力作用下保持稳定,蒸发发生在气液界面,蒸汽传输阻力远小于内部蒸发,有利于蒸发进行,蒸发效果明显提高提升。相同光照强度下,孔隙率增大时蒸汽传输阻力随之减小,有利于蒸发的进行,蒸发速率更高。用于盐溶液蒸发时,较大的孔隙,界面到液相主体扩散传质阻力较低,可以减少溶质结晶析出,有利于多孔光热介质在高溶液浓度工况下运行。(3)设计加工了具有多孔蒸发层的蒸发浓缩微流控芯片,探究了不同工作模式、入射光强、液相流量、工质种类等因素对其蒸发浓缩特性的影响规律。具有亲水多孔层的微流控芯片的蒸发浓缩效率更高,通过调节入射光强及溶液流量,可以在线调控浓缩倍率。通过探究不同种类工质浓缩性能,表明设计的微流控浓缩芯片具有良好的工质适应性。

关键词： 页岩油   孔隙类型   孔隙结构表征   控制因素  

摘要： 近年来,页岩油气勘探开发在我国油气勘探开发中占有越来越重要的地位,是我国石油开发的重要战略方向。页岩油储层孔隙度低、孔隙结构复杂,原油赋存形式多样,微观的孔隙结构特征及其发育控制因素影响着储层物性的好坏,准确表征其微观孔隙结构,探明其孔隙结构发育控制因素是进行页岩油储层评价和进一步勘探开发的关键。本文针对准噶尔盆地玛湖凹陷页岩油区块,对其储层发育特征,孔隙结构定量定性表征与孔隙发育控制因素等方面展开研究。在储层发育特征研究方面,通过实验数据分析,查明了:(1)储层矿物组分主要为石英和白云石,粘土含量较低,以伊蒙混层为主;(2)有机质为Ⅱ型有机质,平均TOC含量为0.54%,且处于成熟阶段;(3)孔隙度、渗透率低,为特低孔低渗储层。在孔隙结构表征研究方面,首先利用扫描电镜法(FIB-SEM),查明了研究区页岩储层发育无机质孔、有机孔和微裂缝三种类型。其次,利用低温氮气吸附(LTNA)、核磁共振(NMR)以及高压压汞(MIP)等方法完成了研究区页岩孔隙结构多尺度定量表征,从而认识到研究区孔径分布规律,即:总体而言,研究区页岩储层发育微孔、介孔和宏孔三种孔隙,孔隙分布方面,微孔发育数量较多,宏孔发育数量最少;孔体积与比表面积方面,介孔贡献了约79%的孔体积与88%的比表面积,宏孔只贡献了约20%的孔体积,微孔则贡献了10%的比表面积。在孔隙发育控制因素研究方面,建立了控制因素分析多参数回归模型,探明了研究区页岩孔隙发育的主控因素:有机碳含量与粘土、石英和白云石等矿物共同控制储层孔隙的发育。其中,有机碳含量的提高可促进介孔的发育,对微孔和宏孔的发育无明显的影响;粘土含量促进微孔和介孔的发育,对宏孔则无明显作用,粘土含量大于6%时,对储层孔隙体积具有较明显的改善作用;脆性矿物对总孔发育具有正向的控制作用,但其含量并没有与某一尺度的孔隙形成良好的相关性。

关键词： 泡沫金属   多孔复合系统   孔隙尺度和宏观尺度   应力跳跃系数   对流换热   相间传热系数  

摘要： 多孔介质中的动量和能量传输机理复杂,涉及多尺度效应问题,一直是研究的热点。泡沫金属作为一种强化传热多孔介质,具有优异的高导热性和强热扩散性的特点,广泛应用于工程领域,如:热管,工业换热器,蓄热器和多孔质气体轴承等。因此,多孔泡沫金属内流动和传热的研究具有重要的工程价值和科学价值。鉴于多孔泡沫金属内动量和热量传递研究的重要性,本文构建了Weaire-Phelan泡沫结构,以及多孔复合系统的孔隙模型和宏观模型,主要研究了多孔泡沫金属与自由流体交界面的动量传递以及旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流换热。本文对多孔复合系统孔隙模型和宏观模型内流动进行模拟,确定了多孔层与自由流体层交界面的应力跳跃系数,并对应力跳跃系数特性进行研究。结果表明,应力跳跃系数与孔隙结构有关,但是与流动形式无关,即使旋转条件下产生了二次流,相较于非旋转情况流动变得复杂,但应力跳跃系数不变;并且,在自由流体层厚度较大时,应力跳跃系数也是与流体层厚度无关的。本文对旋转条件下高孔隙率泡沫金属内对流传热进行数值研究,基于孔隙尺度模拟,分析了泡沫单元中的流体流动及其对传热的影响。同时,获得了空气和泡沫金属系统的相间传热系数,并研究分析了相间传热系数的特性。结果表明,增大雷诺数、旋转数和旋转距离,以及降低孔隙率,都能增大相间传热系数。基于225组数据点,拟合了空气和泡沫系统的相间传热努塞尔数关联式,分析了该关联式的预测误差。另外,模拟了更大的旋转距离和通道尺寸,该关联式在一定程度上也适用。

关键词： 低共熔溶剂   非水系液流电池   孔隙尺度   多孔电极   格子玻尔兹曼方法  

摘要： 间接性的可再生能源如太阳能、风能等在大规模直接并网利用中会存在能量输出不稳定的问题,因此发展高效的储能系统可保障可再生能源的合理利用。近年来,液流电池由于安全性好、能量效率高等优势被视为一种极具发展潜力的大规模储能技术。其中部分水系电解液液流电池目前已进入商业化发展阶段,但由于水的电化学窗口窄导致该类电池无法实现更高能量密度。因此,发展高效的非水系电解液液流电池是目前的研究热点之一。低共熔溶剂(Deep eutectic solvent,DES)是一种具有发展前景的非水系电解液,其具备电化学窗口宽、易生物降解等优势。目前基于DES的非水系液流电池尚处于研究的起始阶段,电极作为核心部件限制着非水系液流电池的发展。本文以电池中运用较广泛的碳基电极为研究对象,通过对其进行表面修饰和结构优化设计,旨在获得高性能的电极以改善DES液流电池性能。同时,本文也利用数值模拟从孔隙尺度探究了多孔电极内部的反应传输特性,为发展高效的非水系液流电池提供理论基础和技术途径。具体研究内容如下:1.利用浸渍与高温煅烧相结合的方法在石墨毡表面引入CrO纳米颗粒进行修饰,对修饰后的石墨毡电极进行物理表征和电化学测试。结果表明,与空白石墨毡相比,CrO的修饰显著改善了电极的亲水性且增加了高效活性位点。同时,修饰改性后的电极对Fe(II)/Fe(III)和V(II)/V(III)氧化还原电对也具有较高的电催化活性。此外,将修饰后的电极用于铁钒DES液流电池的测试,实验结果表明,该电池的能量效率在2 m A·cm的电流密度下达到了87.19%,且峰值功率密度为11.22 m W·cm,相比于未修饰的电极其能量效率和峰值功率密度分别提升了7.67%和14.98%。2.基于DES液流电池多孔电极内部反应传输的非均匀性,本文利用不同孔隙率的石墨毡和碳纸作为基础材料,设计并制备了一种直接拼接式的双层复合电极。该电极由靠膜侧经480℃高温空气热处理12 h的低孔隙率碳纸和靠流道侧具有铜纳米颗粒沉积的高孔隙率石墨毡复合构成。其中,低孔隙率的碳纸电极具备良好的亲水性和高于石墨毡数倍的比表面积,从而可有效促进靠膜侧的电化学反应。此外,经电沉积后含铜的高孔隙率石墨毡电极具有较高的渗透率、导电性以及低电位下良好的界面催化效率,有利于协同降低电池负极侧的电解液流动/离子/电荷转移阻力。将该复合电极应用于铁钒DES液流电池的负极侧,由于电极内部传输性能和电化学性能的协同优化,该电池的功率密度及能量效率都有所提升。3.基于以上实验内容,建立了一个三维多松弛时间格子-Boltzmann模型以探究DES液流电池放电过程中多孔电极(包括石墨毡、碳纸、复合电极)内部孔隙尺度的反应传输特性。通过对比不同电解液流速和流道结构影响下的电池性能,明确了降低复合电极总功率损失的优化运行条件。模拟结果表明,在较低的电解液流速下,当采用交指形流场时多孔电极内部电解液的流动分布易出现不均匀现象,从而会导致膜侧对流传质性能的下降。但通过增加入口电解液流速可有效改善膜侧对流传质效果。同时,在高电解液流速下,采用交指形流场的复合电极电池相比于单层电极具有最低的总功率损耗。

关键词： 煤   孔隙表征   孔隙分类   甲烷吸附   解吸动力学  

摘要： 我国“富煤、贫油、少气(天然气)”的资源禀赋特点促使高效清洁能源产业的不断发展,而煤层瓦斯的抽采利用不仅有利于我国主体能源产业的健康发展,助力国家“双碳”目标的实现,也能有效预防矿井瓦斯灾害事故的发生,减少环境污染。对煤中不同尺度孔隙结构与CH分子的相互作用机制、不同尺寸孔隙结构的CH吸附特征、解吸动力学特征及其影响机制开展相关研究,对于完善CH在不同尺度孔隙结构中的赋存和运移规律,指导矿井瓦斯抽采工作具有重要意义。本文运用岩石力学、吸附科学、表面物理化学、量子力学、分形几何学和流体力学等理论,采用理论分析、数值模拟和实验室测定相结合的手段,构建了煤中多尺度孔隙结构与CH等温吸附特性之间的数学模型,通过相关性分析研究了煤中不同尺度孔隙结构与CH扩散动力学特性之间的关系,揭示了CH在煤中不同尺寸孔隙结构中的赋存和运移规律及其内在影响机制,得到的主要结论如下:1)煤中CH极限吸附能力主要取决于1.5 nm以下的微孔结构。根据压汞法、低温N(77 K)吸附法和低压CO(273 K)吸附法对煤中孔隙结构的量化表征结果表明,煤中0.33～1.5 nm微孔孔容和比表面积与总孔容和比表面积的比值分别在68%和97%以上;相关性分析结果表明,煤中CH朗格缪尔体积V与微孔孔容和比表面积之间的相关性系数R分别为0.9392和0.9116,说明1.5 nm以下的微孔结构是决定煤中CH极限吸附能力的主要控制因素。2)煤中CH主要以微孔填充形式吸附于0.38～1.5 nm的微孔结构中。通过构建极限条件下煤中CH吸附能力的数学模型,证实了煤中CH的吸附形式为微孔填充和单层吸附两类;当CH压力无穷大时,除长焰煤外不同变质程度煤样中93%以上吸附态CH都以微孔填充形式储存在0.38～1.5 nm的微孔结构中,1.5nm以上孔隙结构的外表面以单分子层形式吸附的CH不足7%;通过GCMC模拟结果表明,孔隙尺寸越小,吸附达到峰值时所需压力越低,该孔隙CH吸附能力与总吸附能力的比值随压力的降低逐渐增加,说明低压条件下煤中0.38～1.5nm微孔结构提供的CH吸附能力与总吸附能力的比值远高于93%。3)煤中CH扩散动力学特性主要取决100 nm以下的孔隙结构。根据煤中CH扩散特性与不同尺寸范围孔隙容积之间的相关性分析结果表明,不同粒径煤样初始有效扩散系数与不同范围阶段孔容之间存在明显正相关关系,孔隙尺寸约为50～100 nm;随着平衡压力的增加,相关性系数最高时对应的孔隙范围向大孔径方向转移;随着解吸时间的增加,相关性系数最高时对应的孔隙范围向小孔径方向转移,说明煤中100 nm以下的孔隙结构是决定CH扩散特性的主要控制因素。4)基于煤中不同尺寸孔隙结构的CH赋存和运移特征将孔隙划分为不可接触孔、填充孔、扩散孔和渗流孔。将煤中所有CH分子无法进入的孔隙(小于0.38 nm)统称为不可接触孔;0.38～1.5 nm的填充孔中CH仅以吸附态赋存,吸附形式为微孔填充;1.5 nm以上孔隙中CH以吸附态和游离态形式共同存在,吸附态CH在孔隙表面遵循单分子层吸附形式,游离态CH在孔隙中央遵循玻义耳定律赋存;将煤中1.5～100 nm和100 nm以上的孔隙分别划分为扩散孔和渗流孔,分别在浓度梯度和压力梯度的驱动下进行气体的传质行为。5)基于煤中CH吸附形式建立了DA-L等温吸附模型。根据CH在不同尺寸孔隙结构中的吸附形式构建了煤中多尺度孔隙结构的CH理论吸附模型,结合极限条件下不同吸附形式CH的占比情况将理论吸附模型简化为DA-L吸附模型;对比Langmuir与DR吸附模型对煤中实测CH等温吸附数据的拟合效果,发现DA-L吸附模型能更好地表征煤中CH的等温吸附特性;同时,DA-L吸附模型能够克服Langmuir和DR吸附模型的限制,反映煤中不同吸附形式CH的赋存特征。6)基于煤中CH等温吸附特性初步建立了新的孔隙表征方法。根据GCMC模拟技术获得的不同尺寸孔隙结构的CH等温吸附特性,构建了多尺度组合孔隙结构与CH等温吸附特性之间的数学模型,利用该模型拟合煤中CH实测吸附数据,获得煤中不同尺寸孔隙结构的最优解;对比低压CO(273 K)吸附法对煤中微孔结构的表征结果,发现两种方法获得的微孔结构分布规律相似,4组煤样0.38～1.4 nm孔隙容积的相对误差都不超过8.70%,说明利用常见的煤中CH吸附等温线逆向推算煤中微孔结构是可行的。7)基于煤中CH吸附相体积不变假设建立了新的绝对吸附量计算方法。根据GCMC模拟技术获得不同尺寸孔隙结构中吸附态CH的密度分布规律,发现不同尺寸狭缝形孔隙结构中的CH极限吸附相密度在0.253～0.396 g/cm之间;说明煤中CH吸附相密度远小于液态密度(0.421 g/cm),因此,基于常用的吸附相密度等于液相密度假设计算得到的CH绝对吸附量可能

关键词： 两相流   驱替过程   孔隙尺度   孔喉结构   离散统一气体动理学格式   相场模型  

摘要： 在二氧化碳驱油过程中,充分理解地层孔隙内剩余油团的形成机理和分布规律对提高非常规油藏的原油采收率具有重要意义。地层孔隙由许多孔喉结构组成,对其中的微观流动机理研究面临巨大挑战。离散统一气体动理学格式(Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS)具有数值稳定性好和网格灵活性高等优势,适用于处理孔喉结构内的两相流动问题。但由于DUGKS发展时间尚短,其关于两相流的研究仍然缺乏。因此本文首先发展相场DUGKS模型和边界条件,然后研究孔喉结构中的两相驱替过程。主要研究内容如下:1、使用三阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)插值格式改善了DUGKS方法的求解精度。数值结果表明,该方法降低了相界面处的数值振荡,并且能模拟密度比达1000的静止液滴问题。2、基于自由能模型,在相场DUGKS中实现了润湿性边界格式,并数值比较了线性格式、立方格式和正弦格式的优劣。结果表明,对于静态和动态润湿角,立方格式和正弦格式在模拟润湿角的准确度和有效范围两方面皆优于线性格式。3、构造了能够求解大粘度比两相流动过程的DUGKS模型。该模型在水动力学方程的平衡态中添加剪切速度场信息,使得松弛时间与流体粘性解耦,降低了粘性对于数值稳定性的影响。数值实验证明该模型能准确而有效地模拟大粘度比流动过程。4、基于上述模型及边界条件,研究了孔喉结构中驱油过程以及残余油滴流动机理。研究结果表明,剩余油存在两种形成机理:亲油润湿边界的束缚作用和孔喉骨架的剥离作用。经分析,得到了残余油滴的捕捉形态和释放形态之间的分界线表达式。

关键词： 果蔬干燥   多孔介质   孔隙尺度   传热传质   溶质迁移  

摘要： 果蔬含有人体所必需的各种营养成分,是人们美好健康生活所食的必需品。我国是果蔬的生产与消费大国,但我国的果蔬产后加工技术落后,产后损耗与经济损失巨大。干制是果蔬产后加工的主要形式,果蔬干燥过程中的“流糖”等现象不仅导致物料表面结壳、干燥效率降低、能耗增加,而且还会导致干后产品品质严重下降。传统干燥模型没有充分考虑微孔结构特性、溶质迁移、微尺度效应等因素对干燥过程中营养成分流失的影响。鉴于此,本文运用传递过程原理和孔道网络理论等分析果蔬类多孔介质干燥过程,建立其孔隙尺度下的热湿传递与溶质迁移双向全耦合孔道网络干燥模型,并对果蔬类多孔介质的干燥过程进行了模拟。主要研究工作如下:(1)基于分子动力学方法,分析了果蔬类多孔介质干燥微孔营养溶液中溶质的迁移过程。采用正则系综,选择Lennard-Jones势能模型,模拟观察了水分蒸发过程中蔗糖的变化情况,并通过计算蔗糖溶液体系的径向分布函数、均方位移等,获得微孔壁面粗糙度、孔直径等对蔗糖扩散过程的影响规律,蔗糖溶液中的水分扩散系数及蔗糖扩散系数均随着壁面粗糙度的增大而减小,随着相面积分数的增加而增大。(2)根据果蔬类多孔介质组织结构特征参数,构建孔道网络物理模型;并以此为基础分析干燥过程中营养物质流失的影响机制,建立果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移孔隙尺度耦合模型,并开发模拟软件进行干燥过程的模拟。构建了描述果蔬类多孔介质组织结构特征的参数表征体系,建立“物料-模型”参数映射关系式,得到果蔬类多孔介质干燥孔道网络物理模型。以任意孔节点为中心选取“孔隙微元体”,应用平衡分析法构建果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移的耦合数学模型。采用MATLAB和Visual C++联合编程开发设计了模型求解软件,该软件能够适时吸纳物料对应位置的物理结构信息,模拟得到物料干燥过程中的热湿传递及溶质迁移情况。(3)以甜菜和苹果为果蔬类多孔介质研究对象,开展了热风干燥试验。试验测量了物料干燥过程中的水分比、不同部位的温度、水分状态分布及不同部位的糖分含量。试验结果表明:两种物料的干燥速率都是先增后减,最大干燥速率在40min左右出现。干燥过程中,水分比小于0.1之后的干燥时间几乎占据了总干燥时间的一半。甜菜初始状态下自由水的含量最大,其占有总水分的81.8%,结合水含量4.4%,不易流动水含量为13.8%。随着干燥时间的增加,自由水下降速率最大,不易流动水与结合水都是先增加后减小。对干燥曲线、水分状态分布、平均温度曲线、最大温差曲线以及糖分含量曲线的模拟值与试验值进行对比分析,两者的误差在±10%以内,证明了所建立的数学模型和数值解法具有较高的可靠性和准确性。在热风干燥过程中,糖分会随着干燥的进行而迁移,但物料内部的总糖含量几乎不变,某个部位糖分含量的减少必将造成其相邻部位糖分含量的增大。(4)在数学模型和数值方法可靠性验证的基础上,进一步对不同的干燥工况、不同的传质机理以及不同的模型结构进行模拟分析。结果表明:热风温度的升高、热风相对湿度的减小以及热风风速的增大,均会使干燥速率增大,且导致物料中营养成分的流失增加。热风相对湿度越大,在干燥前期物料温度上升速率越快。海恩斯跳现象的存在,使得物料内部的溶液快速迁移至物料表面,水分在物料表面蒸发,留下糖分在表面层,同时干燥过程吸收了大量温度,导致温度上升缓慢。得出海恩斯跳现象使得大量糖分迁移到最外层,是形成“流糖”现象的主要原因。拉乌尔效应导致干燥速率下降,进而减小了营养成分的流失。(5)由于物料表面的溶质主要是在热风干燥前期伴随着喉道内溶液的海恩斯跳过程迁移形成的,而真空冷冻干燥可以消除海恩斯跳过程的影响。因此进行了甜菜和苹果的真空冷冻-热风组合干燥试验研究及设备设计,得出真空冷冻-热风组合干燥方法能够在不降低干燥速率的前提下较好的保留物料中的营养成分。新鲜苹果的维生素C含量为4.287 mg/100g,新鲜甜菜的维生素C含量为4.9 mg/100g。物料内层的维生素C含量均高于外层,真空冷冻干燥的内层与外层维生素C含量相差1.23%,热风干燥的内层和外层维生素C含量相差28.39%。当中间转换点含水率低于60%时,干燥后物料中的维生素C含量相差不大,因此真空冷冻-热风组合干燥的较优中间转换点含水率为60%。本文建立的模型阐明了果蔬类多孔介质干燥营养流失与微孔结构、微尺度效应之间的关系,揭示了果蔬干燥过程中孔隙界面毛细力、液膜流等对溶质迁移与热湿传递过程的相互影响机制,能有效描述与预测“流糖”现象。本文的工作可为果蔬类多孔介质干燥品质的分析与优化、干燥过程的节能与提效奠定理论基础和提供技术支持。

关键词： 碳封存   孔隙尺度   多组分反应流动   格子Boltzmann方法   线性稳定性分析  

摘要： 在二氧化碳(CO2)的地下咸水层封存中,CO2的溶解会使顶部混合溶液的密度略大于底部咸水的密度,混溶界面在重力以及地层扰动的影响下会变得不稳定,并进一步在咸水层内产生对流。这一过程极大地促进了 CO2由自由状态向溶液状态的转化,提高了封存的安全性。在该问题中,流体流动、多组分溶质传输与反应以及多孔介质孔隙结构变化等多种因素互相影响,动态耦合,相关研究面临巨大的挑战。为此,本文基于格子玻尔兹曼方程(Lattice Boltzmann Equation,LBE)方法,对CO2溶解封存中对流混合过程进行了数值研究。本文工作包含以下几个方面:(1)针对CO2溶解导致的密度驱动对流混合过程,介绍了求解不可压混溶流动过程的多松弛LBE模型,构建了能够准确实现速度和压力边界条件的精确非平衡态外推格式以及处理流固化学反应边界的局部反应边界格式。通过数值实验,验证了所发展边界格式的准确性和有效性。(2)采用LBE模型及所发展的边界格式,在孔隙尺度上研究了 CO2溶解度对于对流混合过程的影响。结果表明:随着CO2溶解度的增大,混溶界面失稳产生的指状密度分布会变得小而密集,当溶解度足够大时,指状流动首先在缝隙中产生,并进一步发展、融合形成较大的羽流。由于达西尺度无法预测孔隙内流体的流动,当溶解度较高时,达西尺度上所预测的溶解封存速率要明显高于孔隙尺度的计算结果。(3)采用LBE模型结合精确非平衡态外推边界格式,在孔隙尺度上研究了杂质对于对流混合过程的影响。结果表明:由于杂质组分与CO2性质不同,溶质的多重扩散会使系统密度在重力方向上形成分层结构,扩散阶段密度分布的不同会影响系统的稳定性和后续对流混合过程的发展。为了能够表征不同杂质影响下系统的稳定性及对流混合强度,本文给出了有效Rayleigh数的定义并验证了其有效性。(4)应用线性稳定性分析和LBE方法分别在达西尺度以及孔隙尺度上对耦合了流固反应以及硫化氢(H2S)杂质的对流混合过程进行了研究。结果表明:系统的整体稳定性是重力密度不稳定和反应渗透不稳定两种机制相互竞争的结果。溶液中的CO2的反应消耗以及H2S的溶解会抑制系统的重力不稳定,而化学反应对于固体的溶解会增大渗透率从而增强系统的反应渗透不稳定。综上所述,本文首先发展了精确非平衡态外推格式以及局部反应边界格式,并基于已构建的格式,系统地研究了 CO2溶解度、杂质气体以及流固溶解反应对系统的影响。本文的工作为研究多孔介质内反应输运过程提供了必要的手段,同时丰富了对CO2深部咸水层埋存机理的认识。

关键词： 页岩   孔隙结构   孔径分布   压汞   液氮吸附   临兴区块  

摘要： 为了揭示鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征及其主控因素,丰富对该区块海陆过渡相煤系页岩孔隙发育特征与孔隙结构的认识,对临兴地区页岩进行扫描电镜、高压压汞和液氮吸附分析以表征微观孔隙结构特征,同时结合孔隙率、TOC含量、岩石矿物含量、黏土相对含量、有机质成熟度测试结果对页岩孔隙结构发育主控因素进行研究。结果表明:研究区页岩发育粒内孔、粒间孔、溶蚀孔和微裂缝,有机质内部偶见孔隙、可见微裂隙,与矿物伴生时周边发育微裂隙;页岩总孔容介于0.00146~0.01081m L/g,介孔占比81.9%,比表面积介于0.35~3.65 m^(2)/g,孔径分布以单峰型为主,分布范围主要在200 nm以内,主峰孔径在45 nm左右,本溪组、太原组页岩孔隙连通性优于山西组,太原组宏孔占比优于本溪组、山西组;页岩总有机碳含量对页岩孔隙发育的影响复杂,对宏孔发育具有一定的积极作用,脆性矿物含量对总孔、介孔发育有积极作用,黏土矿物含量对总孔和介孔发育起消极作用,其中,脆性矿物和黏土矿物通过影响介孔的发育来控制页岩中孔隙的发育程度。基于页岩孔隙结构多尺度定性–定量表征及其控制因素研究对临兴区块海陆过渡相页岩气资源量评价、甜点优选与开发具有重要指导意义,丰富了对海陆过渡相页岩储层的地质认识。