关键词： 孔隙尺度   SPH方法   牛顿流体   幂律流体   粘弹性流体  

摘要： 经过多年的注水开发,大部分油田进入了高含水或者特高含水开发阶段,储层的微观孔隙结构与开发初期相比发生了较大的变化,基于原始取芯岩样的测试结果已无法准确描述储层的渗流规律,亟需全面深入的了解孔隙尺度下储层中流体的流动规律,进一步为油田开发提供依据。因此,本论文基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法研究了孔隙尺度下牛顿流体、幂律流体和粘弹性流体三种不同驱油体系的运移规律。首先,编制了SPH计算程序,并应用经典的Poiseuille流验证了程序计算的准确性与可靠性。然后,应用梯形孔隙理论对复杂的孔隙结构进行了简化并建立了简化的毛管模型。最后,基于毛管模型,模拟了水、HPAM和Oldroyd-B三种不同的驱油体系在孔隙尺度下毛管内的流动状态,得到了不同形状的毛管模型中不同压差下毛管中流量的变化、毛管中速度分布和相应的速度变化云图,得到了不同孔喉比条件下压差与流量的关系。计算结果表明:孔隙尺度下牛顿流体的流量和压差始终呈线性关系,幂律流体和粘弹性流体的压差与流量呈指数关系。对于牛顿流体,孔喉比大于2.5时,且随着孔喉比增大,流量与压差的之间的非线性关系逐渐明显。对于非牛顿幂律流体和粘弹性流体,在孔喉比大于5时,毛管中流量与压差开始呈现出非指数关系,且孔喉比越大,流量与压差的非指数性越差。通过对比不同横截面形状的毛管模型发现:孔隙形状为圆形时,流动阻力最小。当驱油体系为牛顿流体时,相同压差下,圆形截面的流量分别为矩形和三角形截面流量的1.14倍和1.38倍;变截面毛管中,相同压差下,圆形截面的流量分别为矩形和三角形截面流量的1.14倍和1.44倍。驱油体系为幂律流体和粘弹性流体时,圆形截面的毛管中流量最大,等截面毛管中,三角形截面流体流量次之,矩形截面流体的流量最小;而在变截面毛管中相反。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   CDI   多孔电极   Langmuir   孔隙尺度  

摘要： 电容去离子(Capacitive deionization,CDI)技术是一种能够快速去除盐溶液中带电离子的新技术。该技术是使盐溶液流过一对带电电极构成的通道,在电场的作用下实现对溶液中离子的吸附分离。与蒸馏、反渗透等传统脱盐技术相比,由于CDI操作成本低、环境友好、脱盐效率高等优点,近年来受到越来越多的关注。为了研究电容去离子技术的脱盐机理,首先设计并组装了电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元实验装置,并利用该装置在不同运行参数下进行了CDI脱盐性能实验研究,在此基础上,开展CDI脱盐机理分析。另外,结合格子Boltzmann方法在孔隙尺度下对CDI多孔电极内部离子的动态传质和吸附过程进行模拟与分析。主要研究内容如下:(1)宏观实验研究设计组装小型电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元,并构建完整的CDI脱盐系统,开展电容去离子脱盐性能研究。利用扫描电子显微镜(SEM)分析活性炭电极的表观形貌;利用循环伏安(CV)法分析了CDI多孔电极的电化学性能;研究了工作电压、溶液初始浓度以及进口流速等参数对CDI脱盐效果的影响,为CDI脱盐过程中运行参数的选择提供依据;利用等温吸附模型、吸附动力学模型分析了CDI多孔电极对溶液中离子的脱盐机理。(2)孔隙尺度下LBM模拟研究针对电极间流过式CDI(Flow-between electrode CDI)单元的多孔电极负极,采用简化结构构造出CDI多孔电极二维骨架数字模型;将Navier-Stokes方程、浓度扩散方程以及Langmuir吸附模型耦合求解,提出了一种描述CDI多孔电极内部动态传质和吸附过程的LBM模型;对CDI多孔电极内盐溶液的动态传质和吸附过程进行模拟,探究了孔隙尺度下进口流速、孔隙率、颗粒粒径对CDI多孔电极吸附性能的影响。

关键词： 水驱油   重力驱排过程   毛细管数   重力数   无量纲数组  

摘要： 石油是重要的运输驱动能源,我国对石油资源的生产和进口具有不平衡性,强化采油技术能够提高石油产量,可平衡石油生产与进口的差距。微流控芯片加工技术的日益成熟使国内外学者可以研究从孔隙尺度探究毛细管力、粘性力、重力对水驱油过程的影响。而在重力驱油领域,传统的重力驱油研究方法或不利于表征重力、毛细管力、粘性力对两相流动的相互影响,或没有对重力驱油残余油饱和度变化进行量化表征。因此,本文通过实验与数值模拟相结合,探讨了重力、粘性力、毛细管力对水驱油两相流动的影响及其作用。本文使用微流体流量控制板控制注入流体流速,并通过微流体流量传感器和相机记录两相驱替过程及多孔介质两端压力,旨在探究单一流速下残余油饱和度、被圈闭油团变化趋势。此外,本文使用相场法研究了水平/重力驱水驱油过程,通过设置不同流体对物性（密度、粘度）、注入平均速度及重力,控制粘性力、毛细管力和重力的相对大小。通过实验和数值模拟研究发现:（1）在单个流速的驱替过程中,粘性指进会使大面积流体团被圈闭,导致正癸烷溶液采收率降低。随着流体团数量增加,残余油饱和度逐渐减小。（2）对于水-油水平驱替过程,在毛细指进过程中,未被驱替油占据残余油饱和度的绝大部分比例。当主流路径突破多孔介质出口端后,其他流动支路将停止继续向前流动。此时主流路径压力降低,使油渗吸倒流回先前被水占据的孔道。在粘性指进过程中,被圈闭油团是残余油形成的主要机理。残余油饱和度与毛细管数成反比。增强粘性力作用（增大流速）或者采用有利粘度比流体对可起到强化采收率的作用。界面特征长度与水饱和度呈线性比例关系。水在多孔介质中的突破时间随着毛细管数的增加而减小。增大流速及采用不利粘度比流体对会加剧多孔介质内流动路径过早突破,降低油采收率。（3）在水-油重力驱替过程中,相较于水平驱,重力驱驱替前缘在低流速下会更早突破多孔介质出口端。主流路径在突破出口端后压力骤减,形成优先流动。在不利粘度比下,毛细管数较低且重力数较高时未被驱替油占据残余油饱和度大部分比例,且随着毛细管数增加以及重力数降低,开始出现大面积被圈闭油,未被驱替油数量减少。当毛细管数较高且重力数较低时,残余油类型主要为小面积被圈闭油。残余油饱和度与对数毛细管数呈反比例线性关系,密度比对重力驱采油过程影响有限。重力驱在低毛细管数下加剧了水-油驱替过程不稳定性,使驱替前缘过早突破多孔介质出口端。残余油饱和度与对数重力数呈正比例线性关系,当注入平均速度较高时,重力对水-油流动影响较小。单一的无量纲数不能准确预测残余油饱和度。组合无量纲数考虑了重力、毛细管数、粘度比、密度比对残余油饱和度影响,能够准确预测残余油饱和度变化趋势。

关键词： 数值模拟   几何构型   丝网多孔介质   Forchheimer模型   压降  

摘要： 基于丝网多孔介质孔隙通道数值分析,研究不同几何参数的丝网多孔介质通道内的流阻特性ΔP、黏性阻力Au与惯性阻力Bu^2等变化特性。通过CFD软件建立三维稳态修正k-ω湍流模型保证计算精度,并选择5种不同丝径和孔径的4单元孔隙模型,开展低入口流速范围内的流阻特性研究。根据数值分析结果,得到不同构型下孔隙级通道的流阻特性,显示出构型对丝网通道内非线性流动阻力特性产生的显著影响。结果表明,丝网构型角度越小(θ=45°~90°),通道内流动阻力越大,而分压占比规律一致;流速越大(v=0.2~1.0 m/s),则非线性作用越大,惯性阻力占比越多。

关键词： 格子Boltzmann方法   非等温   流体驱替   孔隙尺度   驱替效率  

摘要： 利用格子Boltzmann方法,在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究,定量分析温度粘性膨胀系数(βT)以及路易斯数(Le)对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明:随着βT的增大,界面不稳定性增强,驱替效率降低.当βT> 0时,随着Le的增大,界面不稳定性减弱,驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓,指尖残余率减小,驱替效率增大.当βT<0时,Le对于驱替效率的影响相反.

关键词： 孔隙网络模型   固有渗透率   流动特性   孔隙特征  

摘要： 目的:研究土体内部的流动现象对岩土、农业及地质工程等领域具有重要意义。本文旨在探讨孔隙的平均直径、直径标准差、配位数及各向异性对土体内部水压、流量分布、流动模式及关键流动路径的影响,为评估土质屏障中的优势流动行为提供依据。创新点:1.在孔隙尺度分析孔隙特征对土体宏观渗透率及内部流动规律的影响;2.评估多个孔隙特征参数(如孔隙的平均直径、直径标准差、配位数及三种孔隙直径分布形式)对土体内部优势流动行为的影响。方法:1.将土体孔隙空间简化为由孔隙与吼道互相连接构成的球-杆模型,并通过改变孔隙和吼道的特征参数来描述复杂的孔隙结构;2.利用孔隙网络模型得到单元体内部水压和流量分布情况,为计算土体固有渗透率和评估其流动特性提供基础数据;3.基于击穿路径的概念,分析不同孔隙特征下土体内部流动的迂曲和非均匀程度;4.通过引入吼道收缩系数,调整水平或竖直吼道直径大小,评估孔隙各向异性对流动规律的影响。结论:1.土体的孔隙率和固有渗透率均随着孔隙直径平均值的增大、标准差的减小及配位数的增大而增大。2.孔隙直径的变异系数(COV)越高,土体内部水压和流量的分布越不均匀;配位数的提高会削弱水压的局部化分布但会提高流量的不均匀程度。3.随着COV的提高,击穿路径变得更加曲折;当COV由0增加到1.0时,击穿路径的迂曲度由1.00增加到大约1.71,击穿路径承担的流量占总流量的比值由2.0%提高到7.8%。4.水平与竖直吼道直径比值的提高,也会导致击穿路径迂曲度的提高;水平与竖直固有渗透率的比值和水平与竖直吼道直径的比值呈双对数线性相关。

关键词： 泡沫   多孔介质   微孔模型   稳定性   孔隙尺度  

摘要： 针对目前泡沫稳定性用常规空间代替多孔介质进行评价,不能准确反映泡沫在多孔介质中的稳定性问题。利用气相和液相电导率不同,提出了电导率法评价多孔介质中泡沫稳定性。采用电导率法研究了泡沫在不同孔隙半径的多孔介质中的静态稳定性;利用微孔模型模拟不同尺度的孔隙空间,运用显微放大技术,研究了泡沫在不同孔隙尺度空间中的泡沫结构、聚并过程及静态稳定性。实验结果表明:多孔介质会增强泡沫在其中的静态稳定性;孔隙尺度的大小影响进入孔隙中的泡沫存在形态从而影响泡沫的静态稳定性,随着孔隙尺度的减小,泡沫的静态稳定性增强。

关键词： 多孔介质骨架   固液相变   格子玻尔兹曼方法   两区域模型  

摘要： 相变储能材料中加入多孔介质骨架,可以有效地改善相变材料导热系数,增强其结构稳定性,防止相变材料泄漏,促进相变材料在电池热管理、太阳能发电等众多领域的应用。文章采用四参数法生成随机多孔介质骨架,并导入到固液相变两区域模型中,基于格子玻尔兹曼方法,从孔隙尺度分析了无量纲瑞利数(Ra数)、普朗特数(Pr数)、斯蒂芬数(Ste数)对方腔内填充多孔介质骨架固液相变融化传热的变化规律。结果表明:在相变期间传热方式由导热为主向自然对流传热改变,糊状区逐渐发生弯曲;Ra数越大自然对流越强,在达到准稳态阶段时融化率和热壁面平均Nu数都越大;Ste数越小,热壁面平均Nu数越大,相变材料融化速率越慢;在低Pr数(Pr<0.1)下,随着Pr数的增加,相变材料的融化速度逐渐增加,但Pr数增加到一定程度(Pr=0.1),继续增加Pr数,当达到准稳态阶段时,相变材料融化率不再发生变化。

关键词： 燃料电池   气体扩散层   孔隙尺度   格子Boltzmann方法   结冰  

摘要： 针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.

关键词： 气体动理学   多孔介质   孔隙尺度   渗透率  

摘要： 将气体动理学格式(GKS)拓展到模拟多孔介质内的低速渗流,并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明:GKS具有二阶空间精度,能够较精确地计算多孔介质的渗透率;相比于单松弛格子玻尔兹曼方法,GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件,从而正确反映渗透率与黏性无关的特性;对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动,模拟结果与实验吻合较好,能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则,为研究多孔介质流动提供新的工具.