关键词： 重非水相   孔隙尺度   润湿性   迁移特征  

摘要： 重非水相(DNAPLs)是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义。为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程。结果表明:模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象。文章提出的双界面模型相较于以往的微观模型能够更好的解释介质润湿性对DNAPL运移的影响。DNAPL的下落速度受前后界面共同影响,而饱和度主要由后界面决定。同时,润湿性对运移的影响大小受制于多孔介质的非均质性。

关键词： 微-纳米孔   页岩   作用势能   赋存状态   吸附  

摘要： 通过考虑微-纳尺度孔隙内流体分子与孔壁间的相互作用势能,引入简化的局部密度函数理论,建立微-纳尺度孔隙不同类型流体的赋存状态数学模型。同时,该模型也考虑微-纳尺度孔隙内流体临界参数随孔隙尺度的变化特征。基于该数学模型,分别对单组分、双组分及三组分流体的赋存状态进行模拟,评价孔隙直径、组分含量及流体组成等对流体赋存特征的影响。结果表明在微-纳尺度孔隙内流体以吸附相和体相两种形式存在,孔壁处吸附相流体的密度高于孔隙中部的体相流体密度;多组分流体在孔隙内的吸附(液膜)层厚度,大于其中单一轻质组分流体所形成的吸附层厚度,小于单一重质组分流体形成的吸附层厚度;随着孔隙直径及流体碳数的增大,吸附层厚度增大,但增加幅度减小,孔隙直径与吸附层厚度呈近似指数关系。

关键词： 格子玻尔兹曼   润湿性   接触角   孔隙尺度模拟   孔隙介质  

摘要： 土壤水控制着陆地生态系统几乎所有的物理和生物化学过程,准确描述土壤中水的分布与运动状态对人类发展和生态环境保护均有重要意义.土壤水分布不仅与孔隙结构有关,而且受土壤固相表面润湿性的影响.一般对土壤水分布都是从宏观尺度进行描述,但土壤中的物理及生化过程都发生在孔隙中,从孔隙尺度分析土壤水的分布规律,有助于更准确地理解土壤中的各种宏观现象.本文通过X射线扫描成像技术获取两个土样的三维孔隙结构,并采用改进的Shan-Chen格子玻尔兹曼模型,模拟了在不同润湿性条件下两个土样中孔隙水分布,分析了接触角对孔隙水分布的影响,结果表明:接触角较大时,孔隙直径对液态水和水蒸气分布影响较小,随着接触角减小,孔隙直径对液态水和水蒸气的分布影响增大;接触角对液、气、固之间的界面面积以及流体输运通道直径也有较大影响,液体输运通道直径随接触角减小而变小,气体输运通道直径则随接触角的减小先增大,后减小;土壤中液态水密度随接触角变化很小,但水蒸气密度随接触角减小而显著降低;接触角较大时,饱和度对水蒸气密度无明显影响,接触角较小时,饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度.

关键词： 多尺度机理   瓦斯扩散   双孔隙介质模型   数值模拟  

摘要： 基于煤层瓦斯运移的多尺度扩散效应,根据变直径毛细管物理模型,通过压汞实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验对贵州某矿7#煤层煤样的孔径分布进行测定,通过Knudsen方程得出不同扩散方式的临界直径,从而得出不同扩散方式所占比例,提出考虑多种扩散方式的有效扩散系数.建立了考虑多尺度扩散、Klinkenberg效应、基质收缩和有效应力的双孔隙介质耦合模型,利用多物理场耦合软件对煤层瓦斯钻孔抽采情况进行了数值模拟研究,分析了新模型条件下钻孔抽采煤基质和煤裂隙中的瓦斯压力分布以及瓦斯扩散速度和瓦斯渗流速度的差异,得出煤层瓦斯钻孔抽采情况下的运移规律.通过在井下打穿层钻孔进行瓦斯抽采,测量每天的瓦斯流速和流量,将现场测得的瓦斯流速和流量与数值模拟结果做对比,得出所建立的双孔隙介质模型符合工程实际的要求,为深煤层开采瓦斯防治提供参考.

关键词： 核磁共振   扩散耦合   碳酸盐岩   孔隙连通性   数字岩心  

摘要： 油藏岩石的孔隙连通性是反映流体渗流难易程度的重要参数,对渗透率、有效孔隙度等岩石物理参数的评价具有重要作用.连通的孔隙中,核磁共振(NMR)弛豫的交换会产生扩散耦合现象,可作为孔隙连通性的表征和探测方法.本文提出利用横向弛豫T 2-T 2脉冲序列测量岩石的扩散耦合现象.运用随机游走方法模拟多孔岩石的核磁共振响应特征,分析扩散耦合的影响因素,推导表征扩散耦合强度的弛豫交换速率计算公式.结果表明:孔隙间的扩散耦合强度与T 2-T 2脉冲序列的混合时间呈正相关性,基于双孔弛豫交换模型推导的弛豫交换速率计算公式能够准确表征双尺度孔隙系统的扩散耦合强度.在孔隙尺寸不满足快扩散条件时,会出现与扩散耦合无关的非对角峰信号.针对含多类型孔隙的碳酸盐岩模型,随混合时间的增加,扩散耦合强度变大,一维T 2谱的形态畸变程度加重,在T 2-T 2二维谱中,代表微裂缝、粒间小孔、溶蚀大孔的信号能量变化趋势不同,反映不同类型孔隙间的连通性存在差异.本文的分析与讨论丰富了核磁共振弛豫在岩石物理性质评价中的应用方向,对利用核磁共振评价复杂孔隙岩石的孔隙结构和连通性提供了新思路和新方法.

关键词： 焦炭   石墨化   多尺度   孔隙结构   滞后环  

摘要： 在不同加热温度下(1100~1600℃)模拟高炉炉缸区焦炭的石墨化过程,利用真空排水法及氮气吸附法考察不同石墨化程度焦炭的多尺度孔隙结构演变过程。研究结果表明:二次加热后的焦炭中孔隙结构丰富且复杂,随着二次加热温度的升高,焦炭的显气孔率、比表面积、孔容积及微孔数量呈规律性变化,可分为3个过程:即1100≤t<1200,1200≤t<1400和1400≤t<1600℃,且在温度低于1400℃时灰分析出主导焦炭孔隙结构变化,大于1400℃时则主要受焦炭石墨化的影响;同时,不同石墨化程度焦炭的吸附脱附曲线均存在交叉点,且2条曲线不重合形成了"滞后环",基于滞后回线原理分析认为焦炭石墨化后的气孔结构多呈"毛囊"状;在焦炭石墨化过程中,内部灰分逐渐熔化析出至基质表面的迁移行为是导致出现上述规律的原因。

关键词： 热管理   热分析   孔隙网络模型   跨尺度分析  

摘要： 针对电池热管理系统进行跨尺度分析以提高电池安全性是当前产业界的迫切需求。该文将电池组类比为多孔介质,将电池热管理系统优化等效为多孔介质对流换热过程,采用具有计算高效、多物理场耦合能力强等优势的孔隙网络模型对实际电池热管理系统进行了多尺度分析。该方法在进行准确性验证后,可以有效建立电池单体与电池组整体之间的信息交互,并搭建电池热管理系统分析的跨尺度桥梁。该方法基于不同尺度下多孔介质流动和传热过程,为未来跨尺度方法的工程应用打下基础。

关键词： 水泥混凝土   水化硅酸钙   分子动力学   水分输运   纳米通道  

摘要： 众所周知,混凝土在水利、建筑工程当中的运用十分广泛。在正常环境下,混凝土的耐久性优越,但是在特殊环境下,其抗冻性、抗渗性以及抗侵蚀性会降低,导致其易于损坏,这是我国工程建设中尚未攻克且至关重要的问题,所以本文将就水泥混凝土在水环境下的破坏机理展开讨论。水泥主要的水化产物为水化硅酸钙,它在一定程度上决定了水泥混凝土的强度。几乎所有混凝土的劣化反应都是来自于水和离子的侵蚀,在宏观层面上,关于水分与离子传输的理论研究以及实验已经比较详尽,在对于其微观角度下的研究较少,但由于微观角度可更直观的揭示混凝土揭示机理,故在近几年间越来越受到重视。所以在本文中,选用从微观的角度来探究水分子与离子之间的特性以及反应,基于分子动力学理论,探索在水化硅酸钙凝胶纳米孔中传输的水分子和离子对水泥混凝土的耐久性和可持续性的影响。在模型的建立上,非饱和传输模型的构成有两部分:上部为水化硅酸钙纳米通道,下部为用于模拟现实环境中侵蚀溶液的饱和氯化钠溶液,这样一个比较贴近于现实的非饱和传输模型便构建而成。先前研究者对于平行的水化硅酸钙凝胶纳米孔道间水和离子的输运已有探讨,但对于其他非平行变截面纳米孔道鲜少提及。因此,我们通过改变水化硅酸钙凝胶纳米孔道之间的距离即孔径,以及改变中间段水化硅酸钙的偏移角度,分析传输过程中的结构特性与分子动力学特性,来探寻不同形状、尺寸的凝胶孔道对于水和离子的输运所产生的影响,探究离子侵蚀的机理和特性。针对两类模型,主要研究内容如下:对于非饱和模型,我们对比研究了以下两类:Ⅰ孔径分别为1.5nm、2.5nm和3.5nm的孔道,Ⅱ初始孔径为3.5nm,偏移角度分别为0°和10°的孔道中水分和离子的传输特性。在传输过程中,我们可以发现以下规律,首先各个模型的传输都受到毛细作用的影响,传输过程中前沿界面都逐渐呈现半月板形态,这与经典的LW毛细管吸附理论模型理论非常吻合,而小于90°的液面侵入角度,也侧面证实了水化硅酸钙凝胶的亲水特性。基于原子和离子强度分布曲线,靠近孔道界面的原子强度峰值最大亦可以证实水化硅酸钙的亲水特性,而钠离子比氯离子的强度曲线更靠近凝胶孔界面,这是由于水化硅酸钙凝胶孔对于阳离子更具吸引力。对于水分子以及各离子的传输速度以及扩散速率,在不同条件的模型下也各不相同。通过对于水分子和离子侵入深度曲线和MSD值的总结可以得出以下结论:在3.5nm模型中,孔道中水分和离子的传输速度偏快,传输速度之间的差异较小,而在2.5nm模型中,水分子与离子的传输速度明显减慢,且水分子的传输速度明显大于氯离子与钠离子,在1.5nm孔道中这个趋势愈发明显。在10°偏移模型当中,水分与离子的传输速度偏慢,水分子在传输速度上也出现了大于氯离子和钠离子的状况,这说明当水化硅酸钙凝胶纳米通道形状发生变化时,侵蚀离子和水分子的传输性能也会发生改变,这个规律有利于进一步深入探究水泥混凝土中离子侵蚀的原因,揭示水分子和离子在其间传输的微观机理。从而与宏观相联系,促进水泥混凝土的性能提升。

关键词： 微流体燃料电池   空气自呼吸阴极   可渗透阳极   两相流动传输   孔隙网络模型  

摘要： 随着5G时代的到来,微型便携式电子设备性能日益提高,对微型供电设备性能提出更高要求。微型燃料电池具有运行稳定性、续航好及能量密度高等优点,极具应用前景。无膜微流体燃料电池(Membraneless Microfluidic Fuel Cell,MMFC)利用微尺度下多股流体维持平行层流的现象,自然分隔燃料与氧化剂,无需质子交换膜,简化了电池结构,降低了制造成本,受到研究者广泛关注。然而,在高输出电流密度下,MMFC存在阴极水淹、阳极气相析出等现象,引起了一系列复杂两相流动传输问题,导致反应物传输受限,限制了电池性能的进一步提升。因此,研究高电流密度下MMFC多孔电极内两相流动与物质传输现象,揭示两相流动传输与电极产电特性耦合机制,具有重要的学术价值和应用价值。本文以具有空气自呼吸阴极及可渗透阳极的MMFC为研究对象,以多孔电极内两相流动及多组分物质传输为切入点,从孔隙尺度对多孔电极内两相物质传输及电化学反应耦合机制建立了孔隙网络模型,开展了数值模拟研究。明确了阴极反应物氧气,阳极反应物甲酸与产物CO的传输机制。分析了电极孔隙结构、浸润性及流动与反应速率对相分布、有效扩散系数、渗透率及电极输出电流密度等传输及反应特性的影响。本文建立的数学模型均采用MATLAB、Python等语言自编程求解。主要研究工作及研究成果如下:(1)针对MMFC空气自呼吸阴极,数值重构了负载聚四氟乙烯(polytetra fluoroethylene,PTFE)条件下气体扩散层实际结构的孔隙网络模型,同时考虑了PTFE负载对孔隙结构及浸润性的影响;建立了耦合液态电解质驱替及氧气相际传输的多孔阴极内两相流动传输孔隙尺度数学模型,获得了空气自呼吸阴极内气-液两相流动传输过程及特性,讨论了PTFE质量分数对两相流动传输的影响规律。结果发现:PTFE质量分数增加,气体扩散层内液相饱和度逐渐降低,但同时降低气体扩散层孔隙率,导致氧气有效扩散系数先增大后减小。PTFE质量分数为20 wt.%的气体扩散层阴极性能取得最佳,极限电流密度可达670 m A cm。此外,横向疏水PTFE分布及PTFE负梯度分布均有效限制液态电解质在垂直方向的传输,并减轻液相横向聚并,有效缓解阴极水淹,提高氧气有效扩散系数,改善阴极性能。根据研究结果,本文提出关于MMFC空气自呼吸阴极有效扩散系数及极限电流密度经验关联式。(2)针对MMFC可渗透阳极,采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和纳米计算机断层成像技术(nano computed tomography,Nano-CT)对负载纳米线的可渗透阳极进行了表征,并基于表征结果对阳极微观结构进行了三维重构,采用SNOW(a subnetwork of the oversegmented watershed)算法提取孔隙网络模型;建立了耦合甲酸燃料传输及反应、溶解相产物(CO)对流扩散与气相产物析出的两相驱替过程数学模型,研究了可渗透阳极内两相流动传输与反应特性。结果表明,常用基于多孔介质均质假设的Carman-Kozeny模型高估了可渗透阳极绝对渗透率;电池运行时,气相CO从阳极顶部向中部反向驱替,导致阳极内气相体积分数大于0.6,气相驱替过程使液相相对渗透率下降90%,毛细压力超过1×10 Pa。此外,佩克莱特数的增加使阳极内气相体积分数减小8%,液相相对渗透率提高近4倍;达姆科勒数(Da)的增加使阳极内气相体积分数上升11%,液相相对渗透率降低80%。通过提高佩克莱特数,可有效防止气相CO析出,使阳极运行于单相流动状态,降低燃料供应所需泵功,有利于提高电池净输出功率。(3)基于高佩克莱特数下的单相运行工况,耦合可渗透阳极纳米线间隙内物质传输、电荷输运及电化学反应,构建了三维+一维复合模型,进一步研究了可渗透阳极内甲酸浓度场、电势场协同作用下阳极非均匀反应特性。结果表明,纳米线间隙内反应速率与甲酸浓度及局部过电位有关。甲酸氧化反应进行时,纳米线长度方向甲酸浓度消耗约10%,局部过电位基本维持常数。纳米线直径与长度增加,可使反应面积增大;纳米线间距增加,能强化甲酸扩散,均可有效提高反应速率。此外,纳米线内反应动力学属于Tafel及物质扩散混合控制,常用基于表征单元体尺度的Butler-Volmer方程不能准确描述甲酸反应速率。高佩克莱特数下,可渗透阳极内甲酸与CO传输性能较好。高过电位工况下,阳极性能主要受质子传输的影响;通过提高质子传导率的方法,可强化阳极反应速率,使阳极产电性能提高20%。

关键词： 渗吸   孔隙尺度   N-S方程   非均质性   润湿性  

摘要： 渗吸是指润湿相流体在毛管力的驱动下进入多孔介质并置换非润湿相流体的过程,其广泛存在于自然界以及工业应用中,如原油开采以及二氧化碳埋存。本研究基于Navier-Stokes方程耦合VOF方法建立了孔隙尺度两相流模型,通过前缘形态的定量表征揭示了孔隙尺度下多孔介质渗吸机理及影响因素。首先,根据乱序数建立了非均质性由弱到强的二维多孔介质模型,基于此模型研究了不同毛管数下润湿性与多孔介质非均质性共同作用对渗吸过程的影响。研究发现在低毛管数条件下,多孔介质的非均质性对于渗吸过程影响较小,此时润湿性主导渗吸过程的发生,随着润湿角的增大,见水采收率逐渐减小;在中等毛管数条件下,只有非均质性最强的多孔介质由于最高的入口端压力对渗吸过程产生了影响,此时润湿性仍然对渗吸过程有着重大影响,随着润湿角的增加,本文可以看到驱替模式由毛管指进到粘性指进转变,采收率也随之提高;在高毛管数条件下,多孔介质的非均质性对渗吸过程起主导作用,随着乱序数的增加,相界面更不稳定,采收率也随之减小;其次,本文研究了不同粘度比以及毛管数共同作用对渗吸过程的影响,发现更高的油水粘度比对稳定油水界面以及提高采收率有着重要的影响,本文将模拟结果与传统的驱替相图进行对比,发现随着多孔介质非均质性的增强,模拟结果与相图出现偏差,临界毛管数减小。此外本文根据能量耗散定律计算了能量毛细数划分了不同的渗吸区域并分析了各区域特征;第三,本文基于VOF方法对三维数字岩心进行了渗吸模拟研究,研究了不同粘度比、润湿性等因素对渗吸过程的影响,并通过构建三维均质以及非均质多孔介质模型分析了多孔介质非均质性的影响,研究发现更大的润湿角、更小的油水粘度比以及非均质多孔介质会导致更明显的指进、更不稳定的驱替前缘以及更低的渗吸效率。最后本文对比分析了润湿性、多孔介质非均质性等因素对油水相对渗透率的影响。本文基于Navier-Stokes方程在孔隙尺度研究微观渗吸机理,并分析了不同因素对渗吸前缘形态、相态分布及采收率的影响,为致密油藏开发及相关油藏工程方法提供了理论支持。