关键词： 煤自热   孔隙尺度   数值模拟   流动传热   自然发火期  

摘要： 煤炭的自燃是矿井开采和煤储运过程中的主要事故之一,一旦发生,将会造成巨大 的危害。煤低温氧化发热作用是自燃现象的根源,在适宜的通风、供氧条件下,积累的 热量促使煤体温度升至着火点温度,最终引发燃烧。为了达到预防自燃的目的,有必要 从微观的尺度上开展研究,明确各外界因素对煤升温过程的作用。基于上述背景,本文 旨在将颗粒孔隙内的数值模拟方法引入到煤自然发火的研究领域中,结合化学反应动力 学理论,探究煤自燃机理。首先,为了证明微观尺度模拟计算的可行性,本文使用计算流体力学软件FLUENT 分别计算了由填料床颗粒构成的孔隙空间内的速度分布和温度分布,将其与已有文献中 实验研究结果相比较,两者符合情况良好。随后,将具有发热性质的球形煤颗粒按真实 规律排列,用形成的堆积结构表示宏观的多孔介质。在对煤氧化反应自热作用采取合理 的简化之后,设定满足煤堆漏风状况的边界条件,求解出孔隙内速度场、温度场,分析 风速对热量积聚或者耗散的影响作用。在研究实际煤堆升温过程时,以位于孔隙内风流背景下的单个煤颗粒作为基础,考 虑固体内部扩散和渗流空气传热传质过程的共同作用,深入分析颗粒表面的氧化反应过 程,求解出准确的化学反应速率。将以上结果应用于煤堆整体中,建立包含有气体消耗 源项和反应生成热源项的三维非稳态煤堆自热模型。随后以文献报道的大型露天煤堆为 模拟对象,使用数值计算软件FLUENT对煤堆内的升温过程进行模拟,求解出流场、 温度场、氧浓度场等详细信息,并利用现场实际测量得到的数据结果与模拟值对比分析。 从对比的结果来看,模拟值与实验值一致性较好：不同位置处的测点温度变化趋势相同, 数值相差不大,模型预测的自然发火期与现场测得值十分接近。这说明本文建立的数值 计算模型具有较高的可信度。应用所建三维非稳态煤堆自热模型,分别针对不同风速、 孔隙率和煤颗粒直径等条件进行求解计算,获得不同外部环境下同一煤堆内部的温度场 分布,分析关键性参数对煤堆自然发火期的影响。本文研究表明,在孔隙尺度下对煤自然发火过程的模拟研究是切实可行的,以此为 基础建立的三维非稳态模型不仅能真实反映煤堆低温氧化时的内部变化规律,而且能较 为准确地预测煤堆自然发火期。本研究中的模拟方法和计算成果,为制定正确的煤堆处 置方法提供了理论依据,对预防煤自燃火灾具有指导意义。

关键词： MULTIPHASE FLOW   NETWORK MODELS   PERMEABILITY   STRESS   SANDSTONE   FLUID   COAL  

摘要： A novel approach of simulating hydromechanical coupling in pore-scale models of porous media is presented in this paper. Parameters of the sandstone samples, such as the stress-strain curve, Poisson's ratio, and permeability under different pore pressure and confining pressure, are tested in laboratory scale. Themicro-CT scanner is employed to scan the samples for three-dimensional images, as input to construct the model. Accordingly, four physical models possessing the same pore and rock matrix characteristics as the natural sandstones are developed. Based on the micro-CT images, the three-dimensional finite element models of both rock matrix and pore space are established by MIMICS and ICEM software platform. Navier-Stokes equation and elastic constitutive equation are used as the mathematical model for simulation. A hydromechanical coupling analysis in pore-scale finite element model of porous media is simulated by ANSYS and CFX software. Hereby, permeability of sandstone samples under different pore pressure and confining pressure has been predicted. The simulation results agree well with the benchmark data. Through reproducing its stress state underground, the prediction accuracy of the porous rock permeability in pore-scale simulation is promoted. Consequently, the effects of pore pressure and confining pressure on permeability are revealed from the microscopic view.

关键词： 大孔隙环氧沥青混合料   双线性内聚力模型   非均质细观结构   裂纹扩展与损伤演化  

摘要： 通过数字图像技术获取了大孔隙环氧沥青混合料的多相细观结构,建立了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的细观结构有限元仿真模型,引入了内聚力模型,通过劈裂试验数值模拟,对内部结构应力响应、裂纹扩展及损伤演化过程进行了分析.研究结果表明:空隙、集料等细观结构的不均匀分布,对混合料的应力响应及其分布均造成一定影响;劈裂试验模拟过程中,损伤变量D值达到1时,试件开始启裂,预设内聚力单元模拟的启裂位置与室内试验观察较为一致,而后裂缝开始扩展,但扩展速率逐渐变小;双线性内聚力模型较好地模拟了混合料损伤规律与裂纹启裂、扩展路径.

关键词： 格子Boltzmann方法   孔隙尺度   SOFC阳极   传质  

摘要： 通过处理SOFC阳极电镜扫描图片建立包含SOFC阳极真实结构信息的几何模型,采用孔隙尺度基于两流体理论的多组分LB方法在SOFC阳极几何模型的基础上模拟SOFC阳极内部的多组分气体传质过程,计算各组分的物质的量分数分布与电极的浓差极化,研究多孔阳极微结构的各向异性所导致的传质过程的非线性变化,分析微结构形貌与浓差极化之间的定量关系。相比于常规SOFC电极传质模型需通过孔隙率与迂曲度等参数对扩散系数进行经验修正,该模型可不依赖于任何经验参数模拟真实电极内部的传递过程,从而为电极微结构优化提供科学理论根据。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   光滑粒子动力学(SPH)  

摘要： 基于孔隙尺度下的多孔介质模型,使用光滑粒子动力学(SPH)数值模拟方法研究多孔介质中不可压缩流体流动现象,分析流体在孔隙尺度下的流动特性.首先通过模拟经典的Poiseuille流和Couette流验证方法的正确性.随后,针对流体在分别由圆柱和方柱为骨架构造的规则多孔介质内的流动情况,同时使用SPH方法和有限元法(FEM)进行模拟,所得的结果十分吻合.最后利用SPH方法对流体在基于贝雷岩心获得的多孔介质模型和以同尺度的圆柱为基元构造的一种人工随机多孔介质模型内的流动进行模拟,证明平均流体速度和单位质量体积力具有很好的线性关系.

关键词： 网路模型   数值模拟   岩电实验   孔隙尺度   岩石电性特征  

摘要： 理论模拟是研究孔隙尺度下油驱水岩石电性的一种重要手段之一。以wang建立的网路模型为基础,分析了润湿性、孔隙拓扑特征、孔隙几何形状以及水膜厚度等对岩石电性的影响,同时对四块亲水砂岩岩样进行油驱水电阻率响应数值模拟,并将实验结果与理论模拟的结果进行对比分析。结果表明:对于亲水岩石油驱水情况下,在高含水饱和度时,电阻率增大系数与含水饱和度在对数坐标下呈现一种线性关系,然而在低含水饱和度下,曲线显示凸状,表明低含水饱和度下饱和度指数n值变小。水膜厚度越大,n值越小;孔隙连通性越好,即配位数越大,n值越小;在含水饱和度较低时,孔喉半径越小,n值越大;在含水饱和度较高时,孔隙几何形状对岩石电性影响不是很明显。在高含水饱和度下,岩电实验的结果与理论结果十分吻合,在低含水饱和度下,理论模拟的结果由于受实验限制未被证实,在电阻率增大系数与含水饱和度关系图上显示凸状。

关键词： 多孔介质   含湿率   颗粒聚集   导热系数  

摘要： 含湿多孔介质导热系数的准确测量在科学研究和工程应用等许多领域有非常重要的价值和意义。含湿多孔介质导热系数是其内部热湿传递的宏观表征,但单纯从宏观尺度研究,很难完全掌握宏观传递特性的规律本质,因此从孔隙尺度深入研究非饱和含湿多孔介质的传递过程,特别是水分对宏观传递过程的影响机理,能从深层次理解宏观表象的内在影响因素,有助于分析发现导热系数测量手段中存在的不足,以便改善测量方法和技术,提高测量的可靠性和准确性。 目前关于含湿多孔介质导热系数和水分含量之间关系的研究,大多数都侧重两者之间的数值关系,而对于两者间微细观影响机理研究较少。不同的水分含量下颗粒间水分呈现不同的水分形态,其对颗粒有不同作用,这一作用会引起颗粒出现不同的聚集状态,颗粒孔隙结构变化,该变化会影响介质导热系数的变化趋势。 本文选用玻璃珠和不锈钢珠作为试样模拟堆积型多孔介质,用Hotdisk热常数分析仪对不同含湿率下堆积试样的导热系数进行测量,利用CCD(Mintron MTV-1802CB)结合体式显微镜(OLYMPUS SZ61TR)观察不同含湿率下试样孔隙内的水分形态及颗粒聚集状态,分析液桥对颗粒力的作用,及其对试样宏观结构和表观体积的影响,在此基础上分析不同含湿率时水分对多孔介质的宏观传热特性的影响机理。 研究表明：试样的导热系数随含湿率的增大呈非单调递增趋势。不同含湿率下堆积型多孔介质孔隙内水分形态不同,含湿率较低时,孔隙内水分主要以孤立液桥形式存在,当含湿率增大到某一程度时,孔隙内液桥开始相互联通,水分主要以连通水形式存在。不同水分形态对颗粒的作用力不同,导致堆积颗粒结构发生变化,进而表观体积变化,表观体积随含湿率的增加呈增大-减小-增大-减小的变化趋势。水分含量、水分形态、颗粒间结构的变化均会影响介质的导热系数变化,在不同阶段,影响程度占优势者决定导热系数的变化方向。 目前根据不同的机理己建立许多多孔介质的有效导热系数理论模型,在这些理论模型中均需要确定骨架导热系数。本文提出了一种确定骨架导热系数的计算模型,经过验证该模型在流体相的导热系数与固相骨架导热系数相差不大时有较高的有效性。

关键词： 介观尺度   孔隙介质   流体流动   速度频散   衰减   各向异性   反射系数  

摘要： 孔隙介质中的地震波传播研究一直是地球物理与石油勘探领域的一个热点。该问题源自不同尺度的孔隙、裂缝、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用所产生的复杂地震特征。目前的研究主要集中于探索孔隙介质的地震衰减机制，包括复杂多孔介质的物理描述以及数值实现。 为研究孔隙流体流动与地震衰减之间的内在联系，本文基于准静态孔弹性理论，利用周期性层状孔隙介质模型，结合严格的边界条件，给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,克服了White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设,并以此为基础系统讨论了波在模型中的传播特征，同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设，为更有地效理解介观尺度上流体流动耗散机制提供依据。 本文给出了饱和流体差异的斑块饱和模型和裂隙孔隙介质模型的具体参数，利用得出的孔隙压力、固体骨架位移以及孔隙流体相对运动速度等数学表达式，分别详细分析了介观尺度上周期层状孔隙介质模型在准静态和全频段下的孔隙压力特征、孔隙流体相对流动速度分布特征、速度与衰减特征，并分析了含裂隙孔隙介质各向异性传播特征。本文系统讨论了裂隙顺度、裂隙间隔等参数对介质速度频散以及衰减特征的影响，对比了准静态频率域与全频段该类介质中速度频散及衰减特征的差异。建立了孔隙压力演化特征与速度频散之间的内在联系机理、孔隙流体相对流动速度演化特征与衰减频散之间的内在联系机理。在此基础上对斑块饱和孔隙介质和裂隙孔隙介质中介观尺度下流体流动作用对地震波传播特征的影响进行了总结和对比。 通过引入Thomsen各向异性参数，推导出弱各向异性条件下HTI介质中的PP波反射系数的解析解，并进一步研究本文裂隙孔隙介质模型，给出了反射系数在边界时，在上层各向同性介质和下层为HTI介质的分界面处，在取不同方位角时，反射系数在不同频率和弱度情况下反射系数随入射角变化趋势。 研究结果表明,斑块饱和介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性;裂隙孔隙介质中介观尺度上的流体流动作用所引起的纵波速度频散与衰减值远高于Biot流作用，特征频率或衰减峰值通常可位于地震频段;反射系数在不同频率、裂隙厚度和弱度情况下各向异性程度呈现不同的情况;通过对HTI介质中的AVO研究为裂隙勘探提供了坚实的理论基础，通过研究方位各向异性AVO可以定量描述裂缝的方向、角度和密度,来检测油气聚集带的次生孔隙。

关键词： 沉积岩石重构   孔隙尺度   核磁共振响应模拟  

摘要： 核磁共振(NMR)测井常用于评价岩石的物理性质,如孔隙度、孔隙半径分布等。若大孔与微孔连通时,可能出现孔隙-孔隙扩散耦合现象,此时NMR测量结果不能反映真实的孔隙半径分布。因此,有必要对孔隙尺度下岩石的NMR响应进行深入研究。本文包括沉积岩石重构和孔隙尺度NMR响应模拟两部分内容。实现了沉积岩成岩过程模拟,包括沉积、压实和胶结过程。利用随机行走法模拟了不同成岩过程岩石的NMR响应,并利用BRD方法对模拟的NMR响应反演得到相应的乃分布。对不同成岩过程中的岩石的T2分布进行分析,发现随着成岩过程的进行岩石的孔隙半径和孔隙度不断减小,导致NMR弛豫速率不断加快,T2分布逐渐向短T2方向偏移。对比不同压实程度对岩石孔隙结构及其NMR响应的影响,发现压实过程的应变越大,孔隙半径和孔隙度越小,NMR表面弛豫速率增大。对比两种不同过程法模拟的岩石孔隙结构及其NMR响应,发现两种方法模拟压实过程得到的岩石孔结构及其NMR弛豫信号差别很小,但两种方法模拟胶结过程得到的岩石差别较大。最后,本文针对实际砂岩进行了孔隙尺度NMR响应模拟,分别模拟了高孔高渗的Berea砂岩和低孔低渗的致密砂岩的NMR响应,并与其测量值对比。实验结果表明,CT扫描能够较好的分辨大孔,使得模拟的长弛豫时间组分与测量值重合较好,但短弛豫时间组分模拟结果与实验值差别较大,说明CT不能较好的反映小孔信息。

关键词： COLLOID RETENTION   BROWNIAN PARTICLES   IONIC-STRENGTH   DEPOSITION   WATER   FILTRATION   MECHANISMS   EFFICIENCY   MOBILITY   SIZE  

摘要： Knowledge of nanoparticle transport and retention mechanisms is essential for both the risk assessment and environmental application of engineered nanomaterials. Laser scanning cytometry, an emerging technology, was used for the first time to investigate the transport of fluorescent nanoparticles in a microfluidic flow cell packed with glass beads. The laser scanning cytometer (LSC) was able to provide the spatial distribution of 64 nm fluorescent nanoparticles attached in a domain of 12 mm long and 5 mm wide. After 40 pV of injection at a lower ionic strength condition (3 mM NaCl, pH 7.0), fewer fluorescent nanoparticles were attached to the center of the flow cell, where the pore-scale velocity is relatively higher. After a longer injection period (300 PV), more were attached to the center of the flow cell, and particles were attached to both the upstream and downstream sides of a glass bead. Nanoparticles attached under a higher ionic strength condition (100 mM NaCl, pH 7.0) were found to be mobilized when flushed with DI water. The mobilized particles were later reattached to some favorable sites. The attachment efficiency factor was found to reduce with an increase in flow velocity. However, torque analysis based on the secondary energy minimum could not explain the observed hydrodynamic effect on the attachment efficiency factor.