关键词： 孔隙尺度   格子Boltzmann模型   渗透率   四参数生长法   随机多孔结构  

摘要： 孔隙尺度下非牛顿流体模拟广泛应用于石油开采、生物医学中动脉瘤诊疗等领域,具有重要的实用价值和指导意义。由于非牛顿流体通常具有更复杂的本构方程,其粘度与剪切速率或速度梯度有关,传统计算方法难以有效处理这一问题。格子Boltzmann(LB)方法,作为一种具有动理学背景的介观数值方法,被广泛应用于非牛顿流体流动研究。它易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行化,在模拟复杂流体流动时展现了极大优势。本文利用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究孔隙尺度下非牛顿流体流动,并预测了多孔介质中非牛顿流体的渗透率的变化。首先,利用该模型数值模拟非牛顿流体(幂律流体和Bingham流体)在二维管道中的流动,验证了当前模型的有效性。当前MRT模型比传统Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)模型更加稳定,且同样具有二阶精度。其次,将微观结构理想化为圆形、方形、三角形组成的三种多孔介质形状,其介质大小的变化产生了具有不同孔隙率的多孔介质,其渗透率随孔隙率呈现一定的变化趋势。相同孔隙率下,多孔介质渗透率受到其微观结构排列的影响,其中方形排列相比圆形排列下的渗透率低,三角形排列最低。受惯性效应的影响,孔隙下的渗透率在不同雷诺数下发生变化,且与非牛顿流体本身性质有关。最后,利用随机重建技术(四参数生长法)生成更接近现实孔隙的随机多孔结构。模拟随机多孔介质内流体的流动,基于孔隙内剪切速率计算等效粘度,定性的给出粘度对流体流动的影响。相比于理想化多孔介质,现实多孔介质下非牛顿流体与介质间的接触相对增多,渗透率在相同低孔隙率下更小且变化范围更小。同样,随机多孔介质中的流动也受非牛顿流体本身性质影响。

关键词： 界面追踪   相场模型   移动接触线模型   表面活性剂   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质内两相流现象广泛存在于油气田开发中,深刻认识其流动特征对油气田开发具有重要意义。多孔介质两相流现象具有典型的多尺度特征,达西定律是从宏观尺度描述多孔介质内流动,不能直接刻画多孔介质结构和油水在孔隙内的流动过程,因此有必要从孔隙尺度探究多孔介质内两相流动机理。本文基于相场模型和Navier-Stokes方程建立了一套孔隙尺度两相流数值模拟理论和方法,研究了多孔介质内的渗流规律,主要结论如下:首先,基于标量辅助变量法构建了相场两相流模型线性解耦的数值格式,并严格证明了提出的数值格式的无条件稳定性,且数值结果表明新的数值格式比传统的数值算法更加精确。第二,基于热力学第一定律、昂萨格变分原理以及相应的热力学关系式推导出相场移动接触线模型。考虑两种相场移动接触线模型:基于纳威边界条件的等密度相场移动接触线模型和基于一般纳威边界的变密度相场移动接触线模型。针对等密度模型,采用标量变量法和稳定法构造了线性解耦的数值格式,针对变密度模型构造了非线性耦合的数值格式,并严格证明了上述数值格式的无条件稳定性。数值结果表明在相同网格精度和时间步长下新的数值算法计算效率和精度更高。第三,提出了相场表面活性剂两相流模型高效稳定的数值算法。考虑等密度和变密度的相场表面活性剂两相流模型,分别构造了一阶线性解耦的数值格式和一阶线性耦合的数值格式,并在此基础上提出了的高阶数值格式。一阶的数值格式具有无条件稳定性而高阶格式是有条件稳定的。数值结果表明构造的数值算法可以很好的模拟表面活性剂在两相界面吸附和降低界面张力的性质。第四,提出了相场表面活性剂移动接触线模型,并基于热力学平衡推导出表面活性剂的吸附平衡性质以及状态方程。采用标量辅助变量法和稳定法构造了非线性耦合但是具有能量稳定性的数值算法。利用提出的模型和数值算法研究表面活性剂对化学非均质壁面上液滴运动的影响,观察到液滴三种不同的运动模式并给出了判别运动模式的相图。采用孔隙尺度两相流模型和提出的数值算法研究了特高含水期数字岩心内剩余油流动规律以及多孔介质内渗吸过程,并提出了对渗吸过程所属的不同流域进行划分的能量毛细数和相图,且对前缘形态进行定量分析验证提出的能量毛细数和相图的正确性。

关键词： 金属泡沫   力致变色   Science China Technological Sciences 2020   正十六烷   孔隙尺度   纳米线   混合不确定性   着火延迟   聚硅氧烷弹性体   气动人工肌肉   硅气凝胶   中文摘要  

摘要： 金属泡沫传热与流动特性的理论与实验研究进展王会,郭烈锦,陈康开孔金属泡沫可以大幅度提高散热器和热交换器的流动和传热等热物理性能,在空天热控与能源装备领域具有重大的应用前景,是空天热物理研究的重要课题,并越来越受到高度重视.深入了解金属泡沫的流动和传热特性,是正确设计金属泡沫换热器的基础.本文综述了金属泡沫强化传热和流动特性理论及实验研究的最新进展.金属泡沫孔胞简

关键词： 应力-气体长期作用   焦煤   孔隙结构   压汞   扫描电镜   低温氮吸附   显微CT  

摘要： 我国松软低渗煤层中煤层气资源的开采技术至今仍不完善,这不仅制约了我国煤层气的产业化发展,还由于煤与瓦斯突出问题严重对我国煤矿的安全生产造成巨大隐患。为了更好的抽采这部分煤层中气体资源,明确煤层松软低渗特点形成的原因,煤体微观结构的储气机理及影响因素的研究必不可少。本论文以我国的山西柳林焦煤为主要研究的对象,通过深入研究柳林焦煤在长时间在气体氛围与三轴应力的共同作用下,焦煤孔隙结构的演化规律,定性描述了气体氛围及三轴应力共同作用后焦煤的气体孔隙结构演化和特征,开展了煤储层多尺度孔裂隙定量表征的研究,剖析了气体作用对我国煤储层多尺度孔裂隙影响,阐明了煤储层受气体作用与三轴应力控制演化的机理,有利于认识和研究我国煤储层孔裂隙的演化和规律,为实现松软低渗透煤层气经济、高效的资源开发提供了理论参考,为松软低渗透煤层的成因以及煤矿的瓦斯安全防治从微观角度给出理论依据,以下是主要研究成果和认识:（1）构建了山西焦煤储层微观孔裂隙表征体系,采用低温液氮吸附、高压压汞试验直接测定,并结合扫描电镜SEM以及显微CT扫描三维重构及数学分形维数的方法,合理的阐明了吸附性气体与非吸附性气体的长时间作用对煤体微观结构的差异化影响。（2）通过低温氮吸附实验与压汞实验,发现气体与三轴应力作用对焦煤内部孔隙形状、比表面积与孔隙体积产生影响,进而改变焦煤的吸附性与渗透性。实验测得非吸附性气体氦气与三轴应力共同作用后的山西焦煤试样孔比表面积降低,孔容升高;吸附性气体氮气与三轴应力共同作用后山西焦煤试样孔隙形状复杂化,孔比表面积提高,孔容降低。（3）通过SEM电镜观察试样表面微纳米级孔隙的变化,进一步明确了煤体微观孔隙结构的主要影响因素,对比实验发现三轴应力作用为焦煤微观孔隙结构改变的主要影响因素,气体孔隙压力为次要影响因素,而气体吸附作用则对影响因素均有促进作用,加剧了二者对煤体微观孔隙结构的影响。（4）直观揭示了吸附性气体与非吸附性气体对煤体空间结构影响,对山西焦煤试样进行CT扫描及三维重构,还原了焦煤经长时间气体氛围与三轴应力共同作用下,微观孔隙的变化过程,精细化表征了气体氛围与三轴应力作用对煤体微观空间结构产生的影响。（5）通过实验发现吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中微孔、小孔产生影响,是因为氮气氛围与三轴应力对焦煤比表面积影响明显;非吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中中孔、大孔、可见孔产生影响,是因为氦气氛围与三轴应力对孔容的影响较大。我国高瓦斯突出矿井众多,主要分布于松软低渗透煤层区域,本论文研究成果对于此类型煤层瓦斯灾害防治、瓦斯消突以及煤层气抽采机理的研究具有参考借鉴的价值。

关键词： 非均匀多孔介质   孔隙尺度   格子Boltzmann方法   传热传质   矿化反应  

摘要： 非均匀多孔介质内的反应输运过程广泛存在于能源、环境和化工等领域,如岩石酸化、CO地层压裂及封存等。该过程涉及到多组分流体流动、传热、传质、化学反应及固体结构演化等。本文基于格子Boltzmann方法,建立了模拟简化及复杂多孔介质内耦合流动传热传质过程的孔隙尺度模型。其中,不混溶流体流动、溶质输运、传热及固体结构演化分别使用Shan-Chen多组分格子Boltzmann模型、传质格子Boltzmann模型、传热格子Boltzmann模型及VOP方法处理。设计并搭建高温高压反应实验系统探究CO与岩石之间的相互作用规律,并使用孔隙尺度模拟对实验结果进行解释分析。结果表明多孔介质内部流动、传热、传质、不混相分布及固体结构演化过程之间具有高度耦合特性。多孔介质内不混相的存在可抑制固体溶解,降低温度下降速率,并增加酸的穿透深度。固体溶解、温度下降及酸的完全突破速率随不混相含量的增加而增大。不混相的侧面分布有助于多孔介质内优先通道的发展。多孔介质的非均匀性对流动传热传质过程有显著影响。可溶解组分周围不可溶解组分的存在会严重抑制其溶解过程。多孔介质孔隙率梯度的增加可促进固体溶解及不混相逃逸。增大速度、浓度及温度可加快固体的溶解过程。由CO和岩石间的反应实验及孔隙尺度的矿物酸蚀模拟可知,不同反应系统达到反应平衡的时间不同,CO与岩石的矿化反应可改变岩石孔隙结构及地层水的矿化度,增大岩石孔隙率,其增幅为2.53%至5.54%。

关键词： 孔隙尺度   多孔介质   光滑粒子流体动力学   溶质运移   扩散迂曲度   有效导热系数  

摘要： 多孔介质中溶质运移和热传导及其耦合效应的研究是环境岩土工程中的一个重要课题。传统的研究方法一般基于表征体元尺度,这一研究视角忽略了多孔介质最本质的孔隙结构特征,存在局限性。而基于孔隙尺度的观点,将孔隙的结构组成以及孔隙空间内发生的物理过程与介质的宏观特性联系起来,可更清晰地认识多孔介质溶质运移及热传导的物理本质。本研究基于光滑粒子流体动力学(SPH)发展了一种孔隙尺度的仿真实验方法,致力于揭示多孔介质的孔隙结构特征与其宏观溶质运移及传热特性的联系。多孔介质中的溶质运移和传热过程主要涉及到机械弥散、溶质扩散和热传导过程,控制因素分别为弥散度、迂曲度和有效导热系数。论文聚焦多孔介质内孔隙结构组成变化对上述三个参数的影响,重点研究弥散度、迂曲度和有效导热系数随孔隙结构特征参数的变化规律,并结合孔隙尺度仿真实验得到的相关规律,进一步建立便于工程应用的宏观数学模型。主要研究内容包括:(1)采用SPH方法求解描述孔隙水运动的纳维斯托克斯方程,以及描述溶质扩散和热传导过程的二阶抛物线型扩散方程,实现对孔隙尺度物理现象的模拟。并结合SPH特点,提出重构多孔介质数字模型的三维建模方法,提出考虑介质湿化和冻结状态的模拟方法。围绕弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数,设计了恒流速粘性流体渗透仿真实验、土柱溶质非稳态扩散仿真实验和多相介质稳态热传导仿真实验。将计算结果与解析解进行对比,验证仿真实验的准确性。(2)弥散度、迂曲度和有效导热系数均与多孔介质的孔隙结构特征有密切联系。本文充分发挥数值实验优势,对实验条件和介质特征进行精准控制,通过大量的仿真实验结果,揭示弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数与其他孔隙特征参数之间的规律。重点探究或检验了弥散度与速度差、迂曲路径差、孔隙率和迂曲度等的相关规律,迂曲度与颗粒形态、维度、孔隙率和比表面积等的相关规律,以及有效导热系数与孔隙率、饱和度和冻结率的相关规律。(3)结合仿真实验得到的参数规律,对相关算法和模型提出改进方法和创新思路。为描述含裂隙多孔介质的对流弥散作用,提出了两流区模型的简化解析式。为建立片层介质的迂曲度与片层倾角和颗粒尺寸的联系,提出了一种基于迂曲路径概率分布的几何迂曲度模型。此外,为描述非饱和多孔介质在湿化和冻结过程中导热系数的变化规律,通过在常温导热系数模型的基础上引入导热系数与冻结率的关系,建立了适用于冻结土的导热系数模型,并应用于冻土的水-热耦合问题。

关键词： 碳捕集埋存   数字岩心   溶蚀模式   对流扩散   单相流模拟  

摘要： 碳酸盐岩的孔隙结构对溶蚀通道的形成和相关反应传输过程有强烈的影响。这些效应在碳捕集埋存(CCS)的工程操作中是至关重要的。然而,对于饱和CO盐水在储层条件下如何改变孔隙结构的系统性研究非常有限。为提供更加详细的信息,本论文对均质孔隙型、非均质孔隙型、裂缝型和溶洞型碳酸盐岩的溶解模式进行了研究。通过孔隙半径分布曲线和归一化速度分布曲线筛选出物理非均质性不同的岩心,制备饱和CO盐水后,在8 MPa孔隙压力下驱替碳酸盐岩样品,并在驱替进行至100 PV、500 PV、1000 PV、1500 PV、2000 PV时以两个分辨率(4.26μm和21.14μm)扫描岩心,从而获取动态孔隙结构变化。研究发现孔隙结构的差异所造成的物理非均质性对酸化盐水与岩石颗粒的反应有很大影响。在均质孔隙型样品中形成了由分支通道包围的优势渗流通道,且流场分布均匀;非均质孔隙型样品和溶洞型样品中发育单一溶蚀通道,该通道中汇集了大量的流线;裂缝型样品中的溶蚀通道在原始裂缝的基础上发育,裂缝中观察到颗粒运移现象。沿着酸化盐水的流动方向,均质孔隙型样品的孔隙度均匀增加;非均质样品、裂缝型样品和溶洞型样品的孔隙度,增加在初始孔隙空间发育的地方。物理非均质性越强的样品渗透率增长越快。所有样品的有效反应速率都随时间而降低,传质扩散的过程中H的对流速率远高于扩散速率,且对流主导的运输效应在裂缝中最强。本论文绘制了四块样品的Pe-Da分布,显示均匀溶解和非均匀溶解的分界线为Da=10,但随着孔隙几何形状复杂度的增加,Da分布范围缩小,溶解趋向于非均匀。最后总结了所有样品的溶解模式。本论文的工作为CCS中的石灰岩的溶解提供了关键的认识,表明CO注入可能导致地质断层的复活和井眼周围的地层伤害。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   锌镍单液流电池   孔隙尺度   Shan-Chen模型  

摘要： 在日益增长的能源需求压力与环境要求逐渐提升的条件双重作用下,新能源技术逐渐得到发展。为了能够合理有效利用相关新能源,储能技术是其中关键一环。氧化还原电池凭借其可灵活设计运用的优势,获得了长足的发展。本文针对锌镍单液流电池的浓差极化与副反应产生氧气阻碍进一步反应的现象,采用格子玻尔兹曼方法从孔隙尺度对其多孔正极进行研究,主要研究成果如下所示:1.建立两种处于充电过程中的锌镍单液流电池多孔正极的传质与反应模型,分别通过常数和固液相电势来表征实际电场,并与电极内部的流场和浓度场进行耦合计算,从而探究了锌镍单液流电池多孔正极充电过程中的反应机理。选取充电电流密度,孔隙率,电极厚度作为参考变量,研究不同情况下的电极内部传输与反应机理。经验证,考虑固液相电位的模型能够较好的体现电极内部反应速率的差异,从而更加精确的反映电极内部传输与反应机理。研究了电极骨架形貌对反应过程的影响。结果表明,电极厚度对电极内部极化现象影响最大;增大充电电流密度能提高反应电流密度,且浓差极化现象更明显;降低孔隙率时,反应面积减小,反应速率降低,浓差极化现象增大。2.基于shan-chen模型提出一种描述瞬态条件下锌镍单液流电池烧结镍电极内部传质与主副反应的数值模型,模拟了电池充电过程中的瞬态变化过程,探究了不同电流密度下副反应的发生规律,研究了不同接触角,孔隙率对气泡产生成长脱落及与骨架相互作用的运动规律。采用界面接触长度参数对气泡影响电极内部反应的机理进行探究。研究发现,电流密度越大,副反应起始时间越早;接触角增大,电极内部氧离子脱离骨架更为便捷;孔隙率越大,氧气产生速率越小,脱出难度越大,且孔隙率影响大于接触角。基于上述工作,对锌镍单液流电池多孔正极内部传质与电化学反应机理有了一定新认知。

关键词： 多孔介质蒸发   毛细失稳   残余液相   角液膜  

摘要： 本文讨论了发生在多孔介质蒸发过程中影响蒸发过程的两个重要物理机理。首先是毛细失稳现象。在实验中观测到,随着多孔网络蒸发的进行,液相能够入侵气相占据的孔隙,并且夹断形成一个气泡,该气泡持续移动直至达到稳定。由于多孔网络中存在润湿性的非均一性,而且孔隙的尺寸也大小不一,因而导致了不同弯液面间的相互作用,形成了毛细失稳现象。毛细失稳现象诱使的两相驱替过程的时间尺度远小于蒸发过程。结合图像处理,本文细致地分析了毛细失稳过程中各个弯液面间的相互作用过程。在毛细失稳过程中,由几何突扩导致的阻碍弯液面移动的毛细阀效应被残余液相的存在极大的抑制,这一孔隙尺度机理进一步有利于毛细失稳过程的持续发生。为了更好地理解毛细失稳诱使的两相驱替过程,本研究建立了一种新的同时考虑毛细力、粘性力、惯性力以及毛细阀效应的孔网络模型,而惯性力在之前的孔网络模型研究工作中几乎没有被考虑过。孔网络模型的模拟结果与实验结果对比较好。基于这一新的模型,本文还对比了考虑和不考虑惯性力的两种情况的模拟结果,从而进一步考察惯性力的作用。第二个重要的物理机理是在多孔介质蒸发过程中存在的连续与间断角液膜。本研究建立了考虑这一因素的孔网络模型,并与实验结果进行了对比。本文通过对比三种不同的孔网络模型以分析连续与间断角液膜对蒸发过程的影响,这三种模型分别是考虑连续与间断角液膜的动态孔网络模型和准静态孔网络模型,以及不考虑角液膜的动态孔网络模型。其中,第一个模型的模拟结果与实验结果对比最好。而且分析证明,当角液膜存在时,即使对于尺寸较小的多孔网络,粘性力的作用依然需要被考虑。连续角液膜可与蒸发表面相连接从而使多孔介质维持较高的蒸发速率,但是连续角液膜可以被局部凸起的几何结构导致的毛细剪效应打断。

关键词： 热障涂层   多尺度孔隙   力学性能   纳米压入   纳米冲击  

摘要： 热障涂层应用于燃气轮机、航空发动机等高温部件,需要同时具备高隔热和良好的力学性能。增加涂层的厚度可提高隔热效果,但同时容易积累应力造成涂层失效脱落。孔隙在热喷涂方法制备的热障涂层中较为常见,而封闭的孔隙是热的不良导体,可显著降低热导率,提高隔热性能。较大尺度孔隙的存在,会在一定程度上减小其抵抗变形能力,但同时微小孔隙的存在可在一定程度上缓和热障涂层的应力。因此,本文拟通过在热障涂层中引入纳米至数十微米多尺度分布的孔隙结构,在保证高隔热性能的同时提高其抗变形协调能力,研究多尺寸孔隙结构热障涂层的组织和力学性能的变化。通过陶瓷粉末空心多孔结构的移植和聚乙烯造孔剂的搭配,构建并制备微/纳米多尺度分布的孔隙结构热障涂层。通过扫描电子显微镜和三维X射线扫描技术分析热障涂层中的孔隙结构分布,验证热障涂层孔隙的微/纳米多尺度分布设计。利用Ansys有限元软件,模拟了含微/纳米多尺度孔隙的热障涂层在不同载荷下的纳米压入特性。随载荷增加,弹性模量呈现先增大后降低的情况,硬度值随载荷的增加而减小,与纳米压痕试验结果相比,比较相符。在孔隙模型单元格增加内聚力的基础上,根据Berkovich压头压入过程,模拟了微/纳米尺度孔隙的热障涂层的裂纹萌生和扩展情况。由于孔隙的存在,压头在压入涂层的过程中,随着载荷的加大,超过陶瓷层材料的强度,裂纹萌生,但是由于小尺度孔隙的存在,减少了应力集中现象,将应力分散到各个孔隙中,且由于孔隙数目增多,界面增多,裂纹扩展所需要的能量会在界面处消耗,能量不足以继续扩展,所以裂纹扩展的不多,由于大尺度孔隙是孤立的存在,裂纹扩展的能量慢慢的会被吸收,从而提高其韧性。与断裂韧性试验结果比较吻合。利用纳米压痕方法,研究多尺度孔隙结构热障涂层抵抗变形能力和变形回复特性。研究发现,微纳米孔隙的引入,使得热障涂层陶瓷层在抵抗变形阶段表现出“伪塑性”,在变形恢复阶段出现“伪弹性”,从而增强了微/纳米多尺度热障涂层的抵抗变形和变形恢复能力。与常规等离子喷涂制备的热障涂层相比,纳米/微多尺度孔隙涂层的硬度和模量分别提高了 20.23%和39.16%。通过纳米冲击技术,研究多尺度孔隙热障涂层的变形协调能力。研究发现,微纳米孔隙结构“伪塑性”、“伪弹性”变形的存在,可显著提高微/纳米尺度孔隙的变形协调能力。断裂韧性由常规热喷涂涂层的0.73 MPa·m0.5,提高到1.047 MPa·m0.5,断裂韧性提高30.28%。