关键词： 同步辐射CT   数据约束模型   多尺度孔、裂隙分布   连通性  

摘要： 非常规油气储集孔隙结构复杂多样,以纳米级孔喉系统为主,局部发育毫米-微米级孔隙和裂隙。孔、裂隙大小、形态及三维连通性等微观结构特征对油气赋存状态、运移方式、渗流特征等地质问题研究具有重要意义。常规方法无法实现微纳孔隙多尺度三维结构及连通性分析。本文采用同步辐射多能CT技术,结合数据约束模型(DCM)方法对非常规油气储集微纳孔、裂隙研究,可实现多尺度三维可视化表征,进一步获得孔、裂隙体积统计分布及其三维连通结构等信息。基于上海光源显微CT实验平台,针对碳酸盐岩及陆相页岩两种样品,成功获得了孔、裂隙三维结构以及统计分布、三维连通结构等定量信息。实验结果表明,该方法有望成为非常规油气储集研究强有力的手段。

关键词： 微观模拟   网络模型   孔隙尺度   水驱油   残余油  

摘要： 采用微CT扫描技术建立来自WD区块4块岩样的三维映射网络模型,并对其进行水驱油模拟。基于微观驱油效率和含残余油孔隙比例随各因素的变化关系,对影响孔隙中残余油形成的因素及其影响机理进行定性分析。分析结果表明,孔隙大小、孔隙形状、孔喉比以及配位数分别对孔隙中残余油形成的可能性及残余油饱和度有不同的影响。

关键词： 水动力弥散   空间尺度效应   松散岩类孔隙介质   数值模拟   分维度  

摘要： 水动力弥散系数为表征污染物在含水层中迁移、分布的重要参数。国内外大量研究发现,该参数随研究时间、空间范围变化而具有尺度效应。如果能够准确把握第四系松散岩类孔隙含水介质水动力弥散规律及其空间尺度效应变化规律,无疑将有助于为该类含水介质地下水的溶质运移数值模拟和污染防治提供基本参数和理论依据。本文在总结国内外文献的基础上,分别采用室内模拟试验、现场弥散试验及数值模拟方法,对松散岩类孔隙含水介质水动力弥散规律及其尺度效应进行了研究。(1)室内弥散试验结果表明：①渗透性较好的松散沉积物中,溶质浓度不是弥散系数确定的主要控制因素,当溶质由510mg/L增至2040mg/L时,弥散系数仅增加1.1-15.7%。②调整孔隙介质骨架构成,试验柱体弥散度随砂柱中粘土混合比例增加而降低,粒径为0.25～0.5mm砂弥散度为4.48cm,随混入粒径5～50μm粘土体积比由1/9增至1/5,介质平均弥散度降至2.97～1.845cm。③确定的孔隙含水介质中,渗流速度为水动力弥散系数的主要影响因素,调整弥散柱体渗流速度由0.026cm/min增至0.051cm/min,弥散系数增大了2.29～2.32倍。④弥散空间尺度效应仅存在于非均质孔隙介质较远距离运移过程中,实验室采用粒度分布较均匀孔隙介质进行的短距离弥散试验,实质为模拟均匀介质的水动力弥散过程,不会出现弥散空间尺度效应。平均粒径0.25～0.5mm砂及砂混粘土(平均粒径5-50pmm)在运移距离为0.8～1.2m时进行水动力弥散试验,弥散度随示踪剂迁移距离增加基本保持稳定。(2)现场弥散试验结果显示,示踪剂投加孔下游1m、10m和40m运移范围确定的纵向水动力弥散度分别为0.069m、0.519m和0.969m。随溶质运移距离增加10～40倍,弥散度增大7.5～14倍,研究区水动力弥散空间尺度效应明显。(3)结合现场弥散系数随运移距离变化特点,根据分维度公式确定研究区弥散度αL与运移距离L满足函数关系αL=10-1.122·L0.733。根据该函数关系,可估算研究区不同运移距离弥散度,为同类型含水介质溶质运移模拟参数选取提供依据。(4)根据现场水文地质条件,采用Modflow软件建立数值模型对现场弥散试验进行模拟,结果表明：受弥散空间尺度效应影响,以现场lm及40m溶质运移距离确定的弥散度作为模型参数均无法较好的模拟示踪剂投放孔下游40m位置浓度随时间变化的实测情况。采用研究区弥散度分维度公式求取40m运移距离算术平均弥散度α,以α作为模型弥散度进行溶质运移模拟,模拟结果可较客观地反映溶质运移起始点下游40m位置浓度随时间变化。由此可见,在该类含水介质中进行地下水污染数值模拟时,以前述函数关系先估研究范围内算术平均弥散度α,进而以α作为模型参数,可提高模拟结果的准确性。

关键词： 孔隙介质   孔隙尺度模拟   两区模型   质量交换率   有效扩散系数   克努森扩散  

摘要： 土壤中水盐及气体运移直接影响农业生产、生态环境、动植物及微生物生命活动等,研究土壤中流体运移有着非常重要的意义。由于技术条件的限制,以前人们在研究土壤中流体运动时只能基于实验提出一些经验或半经验的公式,并在此基础上构建模型。而这些模型及参数往往都只是宏观平均化的结果,没有真正反映出土壤结构的空间变异性,更无法从细节处描述流体运动状态。因此从微观孔隙尺度上对流体运动进行模拟研究,揭示宏观层面土壤中流体运动现象的微观机理非常必要。土壤中含有很多不同直径的孔隙,这些孔隙是水盐运移和气体交换的主要通道,从孔隙尺度对不同直径的土壤孔隙中流体运移进行模拟研究,有利于理解土壤中流体运移规律,对改善土壤生态坏境、提高农业林业生产及防治污染物扩散等有非常重要的指导意义。本文采用X线断层扫描摄影和孔隙尺度模拟方法直接计算流体在土壤中的运移过程,对流体在土壤中运移的一些特性进行了分析和研究。通过模拟不同饱和度条件下溶质从团聚体间孔隙通过分子扩散进入团聚体内部的过程,得到团聚体内外质量交换率随时间的变化;基于质量交换率与记忆函数的关系,利用记忆函数描述溶质质量交换率,提出记忆函数模型并推广至反应性溶质;模拟不同平均孔隙直径条件下气体在土壤中的扩散过程,得到了气体有效扩散系数随孔径的变化;结合尘气模型提出一种求孔隙介质中气体有效扩散系数的新方法。本文主要研究成果如下:1.提出并验证了孔隙尺度模拟团聚体内外溶质质量交换过程的方法,并利用该方法模拟了不同饱和度条件下溶质从团聚体间孔隙通过分子扩散进入团聚体内部的过程,得到团聚体内外溶质质量交换率随时间的变化规律,探讨了饱和度对质量交换率的影响。2.利用记忆函数来描述溶质质量交换率,得到了记忆函数的理想表达式,并将结果推广至线性衰减的反应性溶质;证明了饱和度对质量交换率的影响实质上是团聚体表面与水接触面积的作用。3.提出了孔隙尺度模拟土壤中气体扩散过程的方法,利用该方法分别模拟了（1）只考虑克努森扩散;（2）只考虑分子扩散;（3）同时考虑克努森扩散和分子扩散,三种情况下氧气在不同孔径土样中扩散过程,研究了三种情况下气体有效扩散系数之间的关系及平均孔隙直径对气体有效扩散系数的影响。4.提出并验证了可用于求多孔介质中气体有效扩散系数的尘气模型一般形式,并得到了由平均孔径求有效克努森扩散系数的表达式,由此提出了一种非常简单且精确的求孔隙介质中气体有效扩散系数的新方法。本文得出的记忆函数表达式可以用来模拟实际非饱和土壤中溶质质量交换率;而尘气模型一般形式及有效克努森扩散系数表达式可以应用于实际求解任意多孔介质中气体有效扩散系数。另外,通过本文研究,从微观机理方面揭示了土壤中溶质质量交换及气体扩散过程中的规律及影响因子,为更好地描述和预测土壤中流体运移奠定了基础。

关键词： LBM   多孔介质   孔隙尺度   声波透射  

摘要： 多孔介质声学在科学及工程方面都有着极为广泛的应用,因此它受到人们越来越多的关注。通过对声波在多孔介质中传播机理尤其是微观机理更好的理解,人们可以对于水下噪声进行更好的控制。然而,现如今大部分对多孔介质声学的研究都是从宏观角度出发的,而微观角度上的研究却很少。本文中,我们应用一种介观的方法即多松弛格子Boltzmann方法从孔隙尺度来模拟声波在多孔介质中的传播,以期获取多孔介质中重要结构参数(孔隙率、弯曲率、颗粒特征尺寸等)与声波自身特性(频率)对于介质中声波透射的影响。文中,我们使用一种间接的方法,应用格子Boltzmann方法通过模拟分子的扩散过程得到多孔介质的弯曲率。模拟的结果显示不同的固体颗粒形状以及不同排列情况都会对多孔介质的弯曲率的大小产生影响。最后,通过数值的模拟,我们探究多孔介质的长度、孔隙率、弯曲率、固体颗粒的大小形状以及声波角频率的变化对声波透射系数的影响。可以发现,当声波在多孔介质中传播的过程中,多孔介质样品的长度、弯曲率、固体的颗粒的大小及声波本身的频率对声波的透射发挥了重要的作用。由于孔隙率和弯曲率之间的对应关系,孔隙率对声波透射的影响可以被包含在弯曲率对声波透射的影响之中。最终可以获得经验公式,形式为Tc=exp[-(c·A(T)L+B(T))],其中Tc为声波的透射系数,它等于声波透过多孔介质后声压的幅值Pout与入射波声压幅值A之间的比值。C为与颗粒大小相关的系数,A(T)与B(T)分别为与弯曲率大小相关的三次方程,其中系数的选择与声波的频率及孔隙内介质的性质有关。同时,模拟的结果显示随着声波频率的逐渐减小,声波的透射系数会达到极限值,该极限值等于当入口端压强为定值时透过多孔介质后的透射系数。

关键词： 非饱和流动   沉浸理论   数值模拟   实验对比  

摘要： 复合材料液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding,简称LCM)是一种制造高性能大型复合材料构件的环保高效的方法。为了保证构件的生产质量,合理选择工艺参数和优化模具设计是其关键,传统工业中往往只是凭借经验或反复试验,既费时又不经济。因此,实现LCM工艺的数值模拟,对工艺优化具有重要作用。目前,对LCM工艺的模拟大多是建立在饱和流动模型的基础上,虽然适用于短切随机毡等一些特殊织物,但对于工业中大量使用的双尺度多孔纤维织物而言,树脂在孔隙中会产生非饱和流动,饱和流动理论不再适用。本文根据双尺度孔隙织物的结构特点,建立相应理论模型及基本控制方程,通过数值求解,对树脂在纤维织物中的非饱和流动特征进行研究与模拟分析。主要工作和成果包括以下几个部分:针对双尺度孔隙织物中纤维束内与束间树脂流动的明显差异,采用体积均质法,建立了LCM工艺中非饱和流动的理论模型,该模型包含分别反映束内微观流动和束间宏观流动的两套控制方程,且二者通过沉浸项互相耦合。基于控制体/有限元法,编写了树脂在单尺度纤维织物中的饱和流动模拟程序,并通过对一维饱和充模过程模拟结果与理论解析结果的对比,验证了程序的正确性。通过沉浸项的函数化表达,实现了束间宏观流动与束内微观流动控制方程的解耦,并借助单尺度程序模拟纤维束内饱和流动,确定了沉浸函数的具体表达式。采用有限元法对计算域进行离散,并应用迭代方法,求解束间宏观流动控制方程,编程实现了LCM工艺树脂在双尺度多孔纤维织物中流动的数值模拟。采用三向缝合织物进行一维恒流充模实验,对比相同条件下非饱和流动模拟及实验中的流动前沿位置,二者较为吻合,验证了程序的准确性。借助自行编写的程序,对不同条件下的一维非饱和流动进行模拟,并与单尺度理论下的饱和流动模拟结果对比,研究表明:非饱和流动中,预制件完全浸润所需的时间远大于流动前沿到达末端的时间;在一维恒流充模中,注射口压力随时间的增加出现非线性变化,且其趋势与半饱和区域的变化相关;一维非饱和流动中,半饱和区域中的压力梯度逐渐减小,导致压力沿流动距离的分布也偏离了线性。

关键词： CT技术   数字岩心   孔隙尺度   渗流边界层   数值模拟  

摘要： 低渗油藏的开发是目前增储上产的重要阵地之一,目前还是基于以达西渗流方程为基础的宏观渗流理论,为了更精确研究边界层等因素对渗流的影响,利用数字岩心技术进行边界层对低渗透砂岩介质的流动研究具有明显优势。国内外学者通过多种方法建立了可以准确描述岩石孔隙结构的数字岩心,其中,以CT扫描技术为基础建立的数字岩心最接近岩石真实结构。本文首先利用MicroX CT-400型CT对岩心进行扫描实验,构建数字岩心,优化数字岩心结构,删除数字岩心中的孤立孔隙。基于所建立的数字岩心,利用孔隙空间居中轴线法提取孔隙网络模型,进行岩心结构特征分析,获得孔隙网络模型的几何特征参数(孔喉半径、形状因子、迂曲度)以及拓扑结构特征参数(配位数、网络连通性函数)。对孔隙网络模型进行流动模拟,得到了油驱水过程中,每一步孔隙和喉道的含油饱和度分布。然后,分析了原油粘度在不同环境下的计算式,基于所构建的数字岩心和孔隙网络模型,分析边界层主要性质对渗流的影响,利用iso2mesh软件对低渗透砂岩岩心进行几何重构,基于有限元数值分析算法,利用COMSOL Multiphysics软件对重构后的岩心进行微流动数值模拟,研究孔隙空间速度场、压力场以及流体流动状态的分布。最后,分析了压力梯度对边界层厚度的影响,并对边界层的厚度和粘度进行了无量纲处理,定量分析了边界层对低渗透砂岩微观流动的影响,边界层粘度对低渗透砂岩微流动的影响以及边界层厚度对低渗透砂岩微流动的影响。通过本文研究,形成了较为完整的基于数字岩心的边界层对低渗透砂岩介质的流动模拟研究方法,对低渗透油田的开发具有重要的应用价值和一定的学术意义。

关键词： 砂土   孔隙尺度   显微计算机成像   网络模型  

摘要： 砂土是一种由大量离散的颗粒组成的、非均质、非连续的多孔介质并且在细观上具有离散性、多样性。从细观的孔隙尺度着手，应用显微CT作为研究手段，针对不同制样方法制得的重塑粉砂样品，进行了内部组构的显微CT成像，并使用可视化软件，对获取的序列断层图像进行了优化处理以及三维重建。在此基础上，从细观尺度对试样内部组构进行了定量分析，分析参数主要包括:孔隙率、颗粒定向性、各向异性率以及孔隙的分形特性等，以上参数的统计结果均表明:通过落砂法制得的试样，相较于分层振捣法，其内部组构更为松散;且由于其制样过程中颗粒的排布过程只受重力影响，出现了明显的沿水平方向的颗粒定向性。因此落砂法试样总体的各向异性程度较高，且孔隙形状分布更为不均匀。此外，还通过分水岭图像分割算法，对土样中砂土颗粒的体积大小分布进行了估算，确定了试样颗粒体积分布的大致范围，试样中绝大部分颗粒体积分布在1.57×10-3mm3～2.93×10-3mm3区间内。进一步地，在试样中提取了两组表征单元体(Representative elementary volume，REV)，运用最大球算法(Principle maximal ball algorithm)对REV进行了孔隙网络模型的提取建模，并对孔隙网络的一系列拓扑参数进行了统计分析，具体包括孔隙空间的配位数、孔隙半径，喉道内切圆半径、喉道长度，以及孔、喉的截面积形状因子等。结果表明:粉砂样品REV中，每个单独孔隙体的合理配位数取值应在7-9之间;大部分孔隙的半径大小在4×10-5m上下，且孔径大小与其分布频率近似呈二次函数关系;喉道长度分布在2.0×10-4m～4.0×10-4m区间内;孔隙和喉道的截面积形状因子均小于正三角形的标准值0.048，说明孔隙和喉道的形状较正三角形更加复杂。基于孔径分布的统计结果，结合多孔介质的分形毛细管模型，对 REV的渗透率进行了理论计算，并与室内渗透试验的实测值进行了对照，结果显示渗透系数的计算值与实测值大致吻合，这表明:采用最大球算法生成孔隙网络模型，并与分形毛细管束模型相结合，用以估算粉砂渗透率方法可行。　　总体而言，本文基于前人的研究成果，总结出了一套对砂土细观组构及其孔隙结构定量评价的方法体系。

关键词： RECHARGEABLE LI-O-2 BATTERIES   LI-ION BATTERIES   OXYGEN BATTERIES   ENERGY DENSITY   NONAQUEOUS ELECTROLYTE   ORGANIC ELECTROLYTE   CHARGE-TRANSPORT   CYCLING BEHAVIOR   PERFORMANCE   LI2O2  

摘要： The electrode microstructure plays an integral role in the performance of the non-aqueous Li-air battery. Computational modeling has proven to be an indispensible tool in the analysis of battery systems, but previous macroscale, volume-averaged models that consider the porous electrode as a homogenous medium of uniform geometric properties are insufficient to probe the effect of precise electrode microstructures. Utilizing a pore-scale transport-resolved model of the Li-air battery, the complex electrode and Li2O2 morphologies can be directly incorporated and their effects on the system-level performance can be evaluated. A thickness-dependent electrical conductivity of Li2O2 is considered in the model based on inputs from the density functional theory. Model validation is presented along with a sensitivity study of the applied current density and the reaction rate coefficient. The effect of electrode geometry (e.g., nanostructure spacing and height) on cell performance, including its influence on pore blocking compared against electrical insulation, is investigated. Pore blocking is observed for cathodes with nanostructure spacing less than twice a critical insulating thickness of Li2O2, suggesting the loss of active surface area as the mechanism for decreased cell performance. While for cathodes with larger nanostructure spacing, the discharge capacity is dictated by the electrical insulation of Li2O2. (C) The Author(s) 2015. Published by ECS. All rights reserved.

关键词： 多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   渗流与传热  

摘要： 地热源热泵技术由于其良好的环境和经济效益,近年来发展迅速。在地埋管换热器与土壤换热过程中,地下水渗流影响不可忽视,且热渗耦合机制也较为复杂。在以往研究中,大多针对宏观方面开展相关的实验和数值模拟分析。本文尝试从微观角度出发,采用数值模拟计算的方法以揭示土壤内部结构演化及其热渗耦合规律。本文首先引入了不可压耦合双分布函数格子Boltzmann模型,介绍了其基本原理和边界处理格式,同时借助封闭方腔自然对流验证了选取模型和边界处理的可行性和准确性。其次本文通过随机四参数生成法(QSGS)重构得到了与真实土壤形态相近的二维饱和多孔介质模型,通过调整模型参数之间的关系可以表征出多孔介质更多细节信息。在此基础上,从孔隙尺度角度出发,在无渗流纯导热情况下对有效导热系数同多孔介质结构之间的关系作了探讨。最后对饱和土壤渗流与传热开展了相关数值模拟研究。在模拟中分别针对不同渗流压差、孔隙率、土壤固相颗粒尺寸分布、温度梯度方向对热渗耦合特性影响进行了详细的讨论,同时对土壤相关的水力学参数进行了计算分析。数值模拟结果表明：(1)无渗流影响时,土壤有效导热系数随着孔隙率增加而近似呈指数形式递减,且关于土壤固相颗粒导热系数呈幂函数关系;对于同一孔隙率,土壤固相颗粒尺寸越小,有效导热系数越大。(2)在有渗流时,土壤渗流速度与渗流压差呈线性递增关系,且随着速度增加,土壤内部传热机制逐渐由固液热传导占优转变为对流换热为主,整个土壤内部平均温度上升速率减缓。(3)随着土壤孔隙率的增加,土壤内部孔隙间连通性变好,渗流速度随之增大;由于孔隙水与周围固体骨架形成的液桥增加,接触热阻减小,加之渗流速度大幅度增加,渗流方向与导热方向一致,对流换热作用得到强化,导致土壤内部温度呈明显上升趋势。(4)在同一孔隙率和渗流压差下,土壤固相颗粒尺寸较大时,多孔介质内部会出现局部流速突增情况,形成典型的优先流效应。随着颗粒尺寸的减小,颗粒之间接触更加紧密,生成随机多孔介质有效导热系数增大,对流换热系数减小,会造成传热过程中热扩散阻力增加,土壤内温度变化逐渐趋于平缓,平均温度下降。(5)对于热源相同作用位置,流动与传热两者驱动势同向比反向时土壤内平均温度要高,且随着孔隙率增加,温度差距也随之加大。