关键词： 乳状液驱油机理   CT原位扫描   剩余油动态特征   提高采收率  

摘要： 乳状液驱作为一种重要的提高采收率手段,其适应性、驱油机理及提高采收率效果已经得到国内外学者广泛的研究,但由于实验技术及材料的局限性,乳状液对微观剩余油的影响及乳状液在三维孔隙空间中的驱油机理尚未明确。所以本文借助于先进的micro-CT原位扫描技术,进行多组微观尺度的多阶段驱替实验,通过对剩余油赋存位置、粒径、体积、三维/二维形状因子及接触角定量表征,分析乳状液对剩余油动态特征的影响,得出乳状液驱在微观孔隙空间中的驱油机理:首先,根据乳状液室内配置结果,确定乳状液的配置方案和配置方法。在此基础上,进行两组乳状液在线驱替扫描实验和一组聚合物在线驱替扫描实验。获得驱替阶段的油水分布图像,经图像优化、图像分割及孔隙网络模型建立后,精确定量孔隙结构及油相动态特征。其次,通过对不同阶段油相动态特征变化进行分析,明确了乳状液对剩余油形态、赋存位置、粒径、体积、形状因子及接触角等特征的影响规律。第一,水驱主要动用喉道处的剩余油;乳状液驱即动用孔隙中的剩余油也动用喉道中的剩余油。第二,水驱动用16-37μm之间的油相;乳状液驱动用的是6-25μm之间的油簇后。第三,饱和油后,油簇形状极不规则,油簇形状因子的范围最大;水驱后,油簇形状因子均匀减小,其范围缩小;乳状液驱后,油簇的形状因子和范围都进一步缩小,形状因子较小的油簇数量明显增加。第四,水驱后,油簇的接触角范围为85°-134°,平均接触角为111.7°;乳状液驱后,油簇的接触角分布范围为40°-119°,其平均接触角为79.0°。第五,后继水驱对提高采收率的贡献最大。最后,结合孔隙结构特征、剩余油动态特征及剩余油分类分析,明确了乳状液在孔隙空间中的三种驱油机理:第一,乳状液从大油簇上剥落油滴,减小连续型油簇的体积,增加非连续型油簇数量;第二,改变油水界面张力,原本赋存在孔隙壁面及角隅的剩余油以圆球状聚集在孔隙中央;第三,改变局部毛管力分布,以直接动用和分段动用两种途径增加驱替相的波及面积。并对比分析了聚合物驱与乳状液驱的驱油机理的区别:聚合物驱增加波及面积的方式为封堵优势通道,改善驱替的非均衡性;聚合物对剩余油形态的影响较小,主要影响连续型剩余油的分布及饱和度,并且后继水驱对提高采收率的贡献很小。

关键词： 构造煤   孔隙结构   分形维数   扩散系数   瓦斯扩散  

摘要： 构造煤孔隙结构复杂、孔径分布范围广、具有分形特征,学得构造煤初始扩瓦斯散速度高、扩散速度衰减快,瓦斯扩散表现出分形特学,经典扩散模型无法准确描述这类扩散过程,利用经典扩散模型计算的损失瓦斯量存在误差,导致构造煤瓦斯含量测不准。因此,如何将构造煤多尺度孔隙结构特征、孔隙分形特征与瓦斯扩散分形特学联系起来,如何基于分形理论分析构造煤瓦斯扩散规律、探讨构造煤瓦斯扩散机理、建立构造煤瓦斯分形扩散模型等是亟待解决的问题。针对上述问题,本论学基于瓦斯地质、传质及分形几何等多领域理论交叉,运用实验室实验、理论分析及现场验证等手段相结合的方法,重点研究了构造煤多尺度孔隙结构与孔隙分形综合表征、构造煤瓦斯扩散规律及分形扩散机理、基于分形理论的构造煤瓦斯分形扩散模型等内容,在此基础上提出了基于构造煤瓦斯分形扩散模型的新型损失瓦斯量计算方法,并结合实测数据进行了验证与应用。本论学主要取得了以下研究成果:(1)探讨了多尺度孔隙结构结构综合表征方法,揭示了构造煤多尺度孔隙结构特征。采用低温CO吸附、低温N吸附及压汞等测试手段分别获得了微孔、介孔和大孔的孔隙特征,基于压汞—吸附联合法综合表征了构造煤多尺度孔隙结构参数。构造煤中孔隙以微孔(<2nm)最为发育,孔容和孔比表面积占总量的绝大多数;大孔(>5nm)和介孔(2nm)次之。构造煤多尺度孔隙分布受煤体破坏程度影响,总孔容及阶段孔容随煤体破坏程度增高而增大,其中大孔和介孔的孔容增长幅度相对较高,微孔孔容增长幅度相对较小,导致大孔孔容比和介孔孔容比随煤体破坏程度增高而增大、微孔孔容比随煤体破坏程度增高而减小,据此推测煤体结构破坏对微孔影响相对较小。(2)探讨了构造煤微孔分形维数计算模型,提出了构造煤多尺度孔隙分形综合表征方法,揭示了构造煤多尺度孔隙结构的分形特征。从构造煤孔隙大小分布的标度不变学出发,结合微孔充填模型讨论了利用微孔分布密度函数与孔径数据计算微孔分形维数的方法。定义了构造煤多尺度综合分形维数,并提出了以孔容比为学重对吸附法分形维数(低温CO吸附、低温N吸附)和压汞法分形维数进行加学平均的多尺度综合分形维数计算方法。构造煤孔隙多尺度综合分形维数随着构造煤破坏程度的增强而增大,其中碎粒煤与糜棱煤的孔隙分形维数分布较为接近,而碎裂煤的孔隙分形维数分布则与学生结构煤较为相似。(3)通过常压瓦斯解吸—扩散实验和变压瓦斯解吸—扩散实验,分别揭示了两种环境压力条件下(即常压和变压)的构造煤瓦斯扩散动力学特征。在构造煤瓦斯扩散过程中扩散系数随时间延长而衰减,具有初期衰减幅度大、衰减速度快的特点,造成构造煤初期瓦斯扩散量大、瓦斯扩散速度高、瓦斯扩散速度衰减快,扩散过程在时间方向上表现出拖尾现象,具有物理学中反常扩散的特征。两种环境压力下的瓦斯扩散规律基本一致:相同吸附平衡压力和煤体破坏程度下,无烟煤比贫瘦煤的瓦斯扩散量和初期扩散速度更大、扩散速度衰减更快,扩散拖尾现象更学显;相同吸附平衡压力和变质程度下,煤体破坏程度越强,则瓦斯扩散量和初期扩散速度越高、扩散速度和扩散系数衰减越快,扩散拖尾现象越学显。(4)研究了不同破坏程度煤的扩散系数衰减规律,提出了描述构造煤扩散系数随时间衰减过程的方程。基于实验数据发现,构造煤孔隙综合分形维数随煤体破坏程度的增强而增大,而扩散系数衰减速度又随孔隙综合分形维数的增大而增快。在此基础上,提出了不同破坏程度煤所适用的扩散系数衰减方程:即幂数式适用于糜棱煤和碎粒煤,对数式适用于碎裂煤,指数式适用于学生结构煤。(5)基于分形理论,揭示了构造煤瓦斯扩散机理。将构造煤瓦斯扩散过程简化为甲烷分子在构造煤孔隙内的布朗运动,据此研究了构造煤孔隙结构分形特征与瓦斯扩散分形特学的关系:孔隙分形维数d越大,则瓦斯扩散路径的分形维数d越大,扩散系数衰减越快;谱维数d越大,则瓦斯扩散路径的分形维数d越小,扩散系数衰减越慢。扩散系数受孔隙分形特征影响,随扩散径向距离增大和扩散时间延长而衰减。(6)建立并验证了构造煤瓦斯分形扩散模型,提出了基于瓦斯分形扩散模型的损失量计算方法。通过构造煤颗粒球体由分形毛细管沿不同径向堆积而成的物理假设,引入孔隙综合分形维数、分形时变扩散系数及时间分数阶偏微分方程等工具建立了构造煤瓦斯分形扩散数学模型,利用分离变量法求取了该模型的解析解,采用瓦斯扩散实验数据与模型拟合曲线进行对比证学了该模型具有较高的准确学和较好的适用学。基于瓦斯分形扩散模型提出了损失瓦斯量计算方法,并利用现场实测瓦斯含量数据验证了该方法的精确学,能够满足生产需要。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度模拟   格子Boltzmann法   生物质炭   流动模拟   溶质运移  

摘要： 研究孔隙尺度上的土壤水流与溶质运移过程对于了解植物根际养分吸收、微生物活动、地下水污染过程有重要意义。由于在微观尺度上进行实验研究具有较大难度,利用微观CT技术获取较高精度的土壤孔隙结构信息,再基于CT图像进行直接建模已成为孔隙尺度研究的热点方法。在孔隙结构给定的情况下,水流过程的模拟可以通过计算流体力学方法求解Navier-Stokes(N-S)方程实现。传统的数值模拟手段主要通过有限元法、有限体积法、有限差分法等对N-S方程进行离散求解。但是,这些方法在处理多孔介质的复杂边界时常常遇到困难,模拟结果难以收敛。格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种联系宏观与微观,具有动力学背景的介观数值模拟方法,可有效解决在多孔介质复杂边界内模拟的难题。本文基于格子Boltzmann法在同步辐射X射线显微CT获取到的高精度多孔介质结构中进行水流运动和溶质运移的模拟,实现了对真实三维土壤团聚体(分辨率3.7μm,节点数达64,000,000)中水流运动和溶质运移过程的直接模拟,探究了多孔介质空间异质性对土壤水力学特性以及溶质运移特性的影响,并利用发展起来的模型方法量化分析了生物质炭在改良土壤团聚体结构中的水力学效应及对溶质运移的影响。具体工作如下:(1)开发了一套基于LBM和GPU(Graphics Processing Unit)并行技术的孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法。利用基于BGK(Bhatnagar、Gross、Krook)近似的单松弛度模型进行孔隙水流和溶质的模拟。这一方法采用了格子Boltzmann法D3Q19模型分别对N-S方程和对流-扩散方程进行回溯,并基于GPU架构实现水流和溶质运移的并行模拟。(2)我们采用开发的方法首先对人工构建多孔结构中的水流运动和溶质运移过程进行模拟,并在异质性程度不同的孔隙结构内进行测试,得到了渗透率、迂曲度、纵向弥散系数等宏观参数以描述多孔介质的水力学特性。随后,将三维格子Boltzmann法应用于真实土壤样品结构的水流运动和溶质运移模拟中。经过多次GPU并行优化之后,计算效率得到极大提升,实现了更大尺度样品的模拟,为后续进行更深入的研究提供了有力支持。(3)将该方法用于研究生物质炭添加对于土壤团聚体水力学性质的影响。为探明生物质炭用于黏土改良时对土壤饱和水力学特性的影响的微观机理,我们选择红壤和砂姜黑土作为低产土壤的代表,利用杂木炭来进行培育改良。在由同步辐射X射线显微CT获取生物质炭添加前后的团聚体结构图像的基础上,直接进行三维格子Boltzmann法的孔隙水流模拟,得到了完整的流场;进而研究了生物质炭改良引起的渗透率、迂曲度的变化情况,发现弯曲无定向的孔隙结构造成了测试样品的渗透率和迂曲度的各向异性,这种特性较难通过传统实验来确定。另外,我们探究了渗透率、迂曲度与样品尺寸的关系,即尺度效应。(4)最后,在流动模拟的基础上,利用LBM模拟孔隙结构中溶质的对流弥散运移过程,进一步探索生物质炭添加对于溶质运移的影响。研究发现,生物质炭改良降低了黏土孔隙水流速的空间变异性,在改良团聚体内部的弥散系数提高了一个数量级,这不仅与溶质的扩散有关,更由孔隙结构变化引起的流场变化直接决定。我们观察到在相同的水力梯度下,生物质炭改良后的土壤中更容易发生反常弥散,即弥散通量与浓度梯度之间的关系偏离菲克(Fick)关系。而这一现象的产生,是由机械弥散、分子扩散等不同机制所主导,可通过不同Pe数下的弥散系数分区进行进一步界定。本研究开发了一套高性能孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法,首次结合同步辐射X射线显微CT和孔隙尺度物理模型研究了生物质炭改良对土壤团聚体水力学特性和其内部的溶质运移过程的影响。论文中提出的理论和方法对于认识多孔介质中水流运动和养分迁移的微观机制有着重要意义。

关键词： Biogeochemistry   Civil engineering   Environmental engineering  

摘要： The potential of using bio-geo-chemical processes for applications in geotechnical engineering has been widely explored in order to overcome the limitation of traditional ground improvement techniques. Biomineralization via urea hydrolysis, referred to as Microbial or Enzymatic Induced Carbonate Precipitation (MICP/EICP), has been shown to increase soil strength by stimulating precipitation of calcium carbonate minerals, bonding soil particles and filling the pores. Microbial Induced Desaturation and Precipitation (MIDP) via denitrification has also been studied for its potential to stabilize soils through mineral precipitation, but also through production of biogas, which can mitigate earthquake induced liquefaction by desaturation of the soil. Empirical relationships have been established, which relate the amount of products of these biochemical processes to the engineering properties of treated soils. However, these engineering properties may vary significantly depending on the biomineral and biogas formation mechanism and distribution patterns at pore-scale. This research focused on the pore-scale characterization of biomineral and biogas formations in porous media. The pore-scale characteristics of calcium carbonate precipitation via EICP and biogenic gas formation via MIDP were explored by visual observation in a transparent porous media using a microfluidic chip. For this purpose, an imaging system was designed and image processing algorithms were developed to analyze the experimental images and detect the nucleation and growth of precipitated minerals and formation and migration mechanisms of gas bubbles within the microfluidic chip. Statistical analysis was performed based on the processed images to assess the evolution of biomineral size distribution, the number of precipitated minerals and the porosity reduction in time. The resulting images from the biomineralization study were used in a numerical simulation to investigate the relation between the minera

关键词： 裂缝   孔隙尺度   可压缩流动   阻塞流   气体动理学格式  

摘要： 裂缝内可压缩流动广泛存在于油气开采、CO埋存、地下水污染处理等工业生产及自然界中,是能源开发、环境治理等领域重点关注的问题。例如,在天然气开采中的高压气井井筒附近,气体的可压缩性对流动的影响显著。本文将基于气体动理学格式(Gas Kinetic Scheme,GKS)在孔隙尺度上模拟裂缝内可压缩流动,并分析流动达到阻塞的影响因素,研究基质岩块系统与裂缝系统之间的窜流对出流流量的影响。以下是本文研究工作的主要内容:1、结合直角网格技术,开发了针对多孔介质内流动的GKS模拟方法。检验了该数值方法模拟复杂区域的不可压低速渗流和可压缩流动的可行性与有效性。测试结果表明:开发的GKS程序能够有效地处理复杂边界形状;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,能较精确地计算出渗透率。2、模拟了曲张管道内的可压缩流动,分析了管道的各项特征参数(如管道长度,凸起物的幅度,凸起物个数等)及管道截面形状对管内可压缩流动的影响,总结了管内流动发生阻塞的相关规律:对于该类曲张管道模型,管内阻塞的位置均是位于喉道处,且管道越短或凸起幅度越大或凸起物越多,管道越容易发生阻塞;临界压力比与管道长度存在线性关系;各项参数相同时,圆管道比平行通道更容易发生阻塞。3、提出了与气藏储层的平均压力、气藏储层的渗透率、裂缝尺寸、气体动力学黏度等相关的基质-裂缝窜流边条件,并将其应用到直圆管内可压缩流动的研究中。模拟结果表明:流入管内的气体总量是气藏储层的平均压力与井筒压力比值的非线性函数,且存在饱和现象;当气藏储层的平均压力与井筒压力比值较大时,井筒中的大部分气体都产自裂缝与井筒连接处附近的储层区域。总之,本文结合直角网格技术,开发了针对多孔介质流动的GKS模拟方法,检验了该数值方法模拟复杂区域的不可压低速渗流和可压缩流动的可行性与有效性,为进一步研究多孔介质内的输运问题提供了有效的工具;此外,本文还提出了一种基质-裂缝窜流边条件,分析了井筒附近的流道四周存在窜流时,对流道内可压缩流动的影响,为以后的相关研究奠定了基础。

关键词： 颗粒尺度效应   多尺度本构关系   多尺度Mohr-Coulomb准则   孔隙尺度效应   边界滑移  

摘要： 土体是自然界最广泛的工程材料,合理掌握土体力学特性是保证工程安全和稳定的重要前提。然而,土体复杂的物质成分和随机易变的微细观结构使其力学特性仍未准确掌握,一些经过“精心”设计的岩土工程项目仍然经常出现严重的工程问题甚至发生工程安全事故。土体力学特性的复杂性主要源于颗粒间的相互作用特性和孔隙尺度特征（即孔隙尺度及分布特征）及其演变。颗粒间的相互作用主要是通过界面上的物理-化学效应如颗粒间摩擦和挤压、颗粒-水和气的吸附、砂粒与粘粒胶粒的胶结等来实现的,其性质与颗粒尺度密切相关,将影响作为土体力学性质而呈现“颗粒尺度效应”。土体变形通常伴随孔隙压缩和渗流,引起大孔隙湮灭和微小孔隙萌生等孔隙尺度特征变化,由此产生固结变形的“孔隙尺度演变效应”;颗粒-孔隙液的物理化学效应将显著影响土体渗流特性,该影响与孔隙尺度密切相关,随着孔隙尺度的减小而逐渐显著,由此呈现渗流的“孔隙尺度效应”,进而影响土体渗流过程,使土体力学特性更加难以掌握。本文主要针对上述问题,深入微细观尺度层次,重新考虑问题的内在机制,建立相关的模型理论并给上述问题的理论分析。主要研究工作和成果如下:（1）针对不同应力应变状态的颗粒尺度效应进行研究,展示直剪试验与三轴试验颗粒尺度效应的差异。基于剪切绕流以及基体-增强颗粒的作用特性,对直剪试验的颗粒尺度效应进行了理论分析,并对直剪试验与三轴试验之间颗粒尺度效应的差异给出合理的机理解释。（2）基于多尺度胞元模型,利用等效夹杂理论和材料的弹塑性变形特性,确定考虑基体塑性变形的应变集中张量,由此利用各尺度层次上的关联性及能量法则,导出土体本构关系;引入量纲平衡参数（即内禀尺度）对应力和偶应力进行耦合,由此获得表征土体内禀特性的特征长度参数,并分析土体颗粒尺度对其内禀特性的影响。（3）基于多尺度胞元模型,考虑细观基体-增强颗粒的作用特性,导出包含细观特性参数的Mohr-Coulomb准则,并展示屈服轨迹的颗粒尺度效应特征;引入相对转动梯度和内禀尺度,导出有限元计算的刚度矩阵,并编制有限元程序对应力局部化问题、应变局部化问题和颗粒尺度效应进行算例分析。（4）基于固结变形过程中孔隙尺度演变的试验,导出考虑孔隙尺度演化的非线性固结方程;基于文中孔隙尺度演化固结理论,给出超孔隙水压力消散、固结压缩变形和平均固结度随时间变化的一系列计算曲线,解释有关文献中报道的不同固结荷载下土体复杂的固结变形特性。（5）基于固-液界面的摩擦机制,考虑孔隙液粘结强度的影响而建立与水力梯度相关的边界滑移模型;利用Poisson方程、热力学平衡条件和Navier–Stokes方程,导出低渗透性土的渗透性模型理论,据此分析土体微-纳米尺度孔隙渗流特性的作用机理和影响机制,描述了渗透系数随水力梯度增加或减小的现象。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   锌镍单液流电池   孔隙尺度   多孔电极  

摘要： 随着传统化石燃料的大量使用,环境污染日益加重,以风能、太阳能等可再生能源补充甚至替代传统化石能源已刻不容缓。为实现风能、太阳能等可再生能源稳定供电,开发高效的大规模储能技术具有非常重大的意义。液流电池相比于其他储能技术具有输出功率和容量相互独立,系统设计灵活,使用寿命长,运行稳定,能量效率及可靠性高等突出优势,应用前景非常广阔。锌镍单液流电池是一种单液流电池,由防化研究院于2007年提出,其正极为多孔烧结氧化镍,负极采用镀镍冲孔钢带作为负极的基体,电解液为碱性锌酸盐溶液。锌镍单液流电池具有系统简单、高能效、低成本、长循环寿命的特性。锌镍单液流电池为大规模储能提供一个优良的解决方案。本文利用格子Boltzmann方法(LBM)从孔隙尺度研究了锌镍单液流电池多孔正极内的流动传质与电化学反应的耦合问题,分析了锌镍单液流电池多孔正极充电过程中的电化学反应机理,主要研究工作如下:1)提出了一种描述稳态条件下锌镍单液流电池烧结镍电极内部传质和化学反应的孔隙尺度LBM模型,但只考虑了OH浓度的变化及其对电化学反应的影响。模拟了电池充电过程中,正极荷电状态为50%时的稳态反应过程,探究了进口电解液流速、充电电流密度及多孔电极孔隙率对电极内OH传质和化学反应的影响。2)提出了一种描述稳态条件下锌镍单液流电池电极内部传质和化学反应的孔隙尺度LBM模型。考虑了OH、H、过电位等因素,建立了比较完善的锌镍单液流电池流动传质LBM模型,模拟了电池充电过程中,正极荷电状态在50%时的稳态反应过程,得到了孔隙内OH浓度、电流密度、固相质子浓度、固液相电势以及过电位的分布规律;探究了进口电解液流速、充电电流密度及多孔电极孔隙率对电极内传质和化学反应的影响。3)提出了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和化学反应的LBM模型,模拟了电池充电过程中的瞬态反应过程,得到了孔隙内OH浓度、电流密度、固相质子浓度在充电过程中的分布规律;探究了充电电流密度、多孔正极厚度及多孔电极孔隙率对电极内传质和化学反应的影响。基于上述工作,获得了一些锌镍单液流电池多孔正极内传质规律及电化学反应机理。

关键词： CO2封存   润湿性   非均质性   孔隙尺度   X射线CT  

摘要： CO2咸水层封存作为一种封存潜能巨大的碳减排技术,是实现我国碳减排目标、缓解温室效应与全球气候变化有效且迅速的手段。微观尺度阐明CO2咸水层封存机理对于评估其封存潜能与安全性具有重要意义。咸水层具有岩石矿物组成多样、地质结构复杂的特点,因此岩层润湿性与非均质性研究对于CO2咸水层封存至关重要。以此为背景,本文开展了孔隙-岩心尺度润湿性与非均质性对CO2咸水层封存的影响机理研究。搭建了CO2封存模拟可视化实验平台,开发孔隙尺度气-液-固三相识别与分析方法,实现了岩心孔隙壁面的局部润湿性表征,阐明了地层温度、压力、盐度等因素对岩石润湿性的影响;研究了孔隙-岩心尺度岩石润湿性与非均质性对气-水两相流动和CO2捕获的影响机理,发现了CO2-咸水在孔隙内的微观运移机理与形态分布特点。具体研究内容如下:设计搭建了基于微焦点X射线CT与微孔玻璃板模型的CO2封存模拟可视化实验平台,开发了气-液-固三相CT扫描与灰度分析技术,采用局部阈值分割法解决了CT图像中气液两相因灰度值接近难以识别的问题,并基于CT图像获得了玻璃砂、石英、长石与白云石填砂多孔介质的孔喉分布、迂曲度、孔隙特征和相表面曲率等重要参数。提出了应用孔隙尺度局部接触角表征多孔介质润湿性的方法,实现了 CO2-咸水接触角孔隙尺度原位测量,发现多孔介质局部接触角具有正态分布特性,驱替与吸入过程存在接触角迟滞现象,其主要原因是受流速影响区域相界面会产生膨胀或收缩,盐度、温度和压力的增加均会使岩石的润湿性变差。研究了驱替过程非均质性与润湿性对多孔介质内CO2-咸水流动影响。非均质条件下,驱替稳定性会随驱替前缘的发展而变差,毛细管力“栅栏效应”破坏了均质条件下CO2饱和度与局部孔隙度的线性关系;对于垂直向上驱替过程,非均质性对CO2分布的影响随着注入速度的增大而增强,对于垂直向下驱替过程结论则刚好相反。在相同注入流速下,多孔介质润湿性越强,越容易发生CO2对咸水的局部不稳定驱替,驱替过程结束后润湿性的变差会使水相连续性变差,并导致CO2-咸水相界面面积减小。在CO2封存后期咸水吸入过程中,在玻璃砂和石英砂填砂岩心内均观测到了气、水柱塞式移动前缘和CO2夹断现象,CO2毛细捕获易发生在润湿或孔隙结构转变的区域。发现了单个孔隙内CO2破裂现象,它易发生在高流速且具有大孔隙、细长喉道的多孔介质中,CO2破裂后会形成大量附着于孔隙壁面的孤立气泡,增加了CO2与咸水的接触面积,有利于CO2溶解捕获的发生。

关键词： 微粒捕集器(DPF)   体积格子玻尔兹曼方法(VLBM)   孔隙尺度   流场模拟  

摘要： 柴油机依靠其良好动力性和经济性的优势,自问世以来,便在车辆、船舶等动力装置得到广泛应用。与此同时,柴油机微粒排放物也带来严重的污染问题,引起人们的广泛关注。本文采用体积格子玻尔兹曼方法(VLBM),在孔隙尺度上,论述了多孔介质过滤体结构和进口速度对捕集器通道模型内流场的影响,为柴油机微粒捕集器的数值模拟研究提供一个新的思路。结果表明,孔隙度越大,微粒捕集器孔道模型中的流场越稳定,进出孔道压差越小;相比于孔隙度,过滤体厚度对流场影响较小,然而过滤体厚度越大,进出口孔道压差越大;进口速度越大,流场越紊乱,压差越大。

关键词： 纯纤维芯材   孔隙尺度   气相热导率  

摘要： 总结相关文献对纯纤维芯材(真空绝热板芯材)孔隙尺度确定方法(分别定义为文献法1、文献法2、文献法3),提出一种新的孔隙尺度确定方法(定义为新方法)。采用控制变量法(变量选取空气温度、空气压力、纤维直径、纤维在纯纤维芯材中的体积分数),分析孔隙尺度确定方法对气相热导率计算结果的影响。在空气温度、空气绝对压力、纤维直径、纤维在纯纤维芯材中的体积分数(以下简称纤维体积分数)分别为300 K、10 Pa、6μm、15%时,由4种孔隙尺度确定方法(文献法1、文献法2、文献法3、新方法)计算的气相热导率分别为5. 1×10^(-5)、4. 9×10^(-5)、26. 6×10^(-5)、9. 1×10^(-5)W/(m·K)。在相同设定条件下,由新方法计算得到的气相热导率适中,认为这种确定孔隙尺度的方法可信。在其他设定条件不变的前提下:由不同方法计算的气相热导率均随空气温度(变化范围为253～323 K)的升高而下降。由不同方法计算的气相热导率随空气压力(变化范围为0. 1 Pa～100 kPa)的变化趋势均基本一致,在空气压力较低的情况下,气相热导率基本保持不变,随着压力升高,气相热导率急剧升高,且最终趋于相等。由不同方法计算的气相热导率均随纤维体积分数(变化范围为0. 01～0. 40)的增大而降低。由不同方法计算的气相热导率均随纤维直径(变化范围为2～24μm)的增大而增大。