关键词： 反渗透膜   渗透性能   格子Boltzmann方法   纳米尺度效应   特征因子  

摘要： 目前反渗透海水淡化技术发展迅速,装机容量和处理能力持续增加,然而成本问题一直制约着海水淡化行业的发展。反渗透膜是海水淡化系统的核心部件,围绕膜渗透特性的研究,大部分集中在制膜工艺和膜改性等领域,如何降低跨膜反渗透形成的浓差极化及提高产水量仍然是一个重要课题。另外,水在反渗透膜内的流动受到纳米尺度效应的影响,膜的渗透特性不能完全用其微观结构来解释。因此,建立多尺度跨膜反渗透特性的计算及分析方法、研究反渗透(Reverse Osmosis,RO)膜内的动力学特性、掌握产水量、脱盐率及推动压差之间的关联对工业海水淡化发展具有重要意义。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种基于统计物理学的介观数值方法,因其天然的并行性、边界条件易处理等优势广泛应用于承压水流流动模拟。为此,本文通过实验和数值模拟对反渗透膜的渗透特性及其影响因素做了系统研究,主要内容如下:首先,通过跨膜渗流实验平台对反渗透膜的渗透性能进行了测试,研究了不同驱动压力下纯水和盐水的跨膜反渗透特性、离子强度对反渗透水通量及脱盐性的影响以及盐离子种类跨膜反渗透的差异性。研究发现:(1)反渗透膜的渗透率不因压力而改变,但因盐溶液浓度和种类而异,这主要是因为浓差极化层产生的对流扩散过程的阻力不同,当盐度从0升至35时,透水性损失高达86%;(2)与水通量不同的是,截留率几乎不受浓差极化的影响,基本维持在97%,这主要与反渗透膜致密的分离层以及扫描电镜表征下膜表面的峰-谷结构有关;(3)增加磁力搅拌能削弱浓差极化层,从而在保持高截留率的同时提高跨膜反渗透的水通量,盐度为35时水通量约提升7.2%。然后,构建了单层反渗透膜的物理模型,并对通道流动的数值方法进行了验证,基于格子Boltzmann方法数值地研究了纳米尺度效应对反渗透膜渗透性的影响,对比分析了水在不同亲疏水材料反渗透膜内的流动差异。结果表明:(1)流固接触角是影响反渗透膜渗透性能的重要因素,孔隙度为0.436和0.594的膜结构,接触角120°相较于30°水流平均速度分别增加了3.57倍和2.75倍;(2)膜渗透率随接触角增加呈指数增长,在极疏水的情况下,相比不考虑纳米尺度效应时其水通量提高了5倍,纳米尺度效应对渗透率的贡献占比高达96%;(3)纳米尺度效应随孔径的增大而减弱,疏水时膜内大孔隙和小孔隙的相对流动能力更加接近,这也是为什么传统哈根-泊肃叶方程不能用于描述反渗透膜水流规律的原因。最后,基于真实的梯度膜结构构建了梯度反渗透膜的物理模型,结合前一章节的纳米孔尺度流动特征分析了反渗透膜的渗透性与其微结构的关联。结果发现:(1)梯度膜在一定条件下能够提高膜的水通量,从结构上来讲是因为多孔亚层更大的孔隙度或者更小的比表面,多孔亚层比表面从0.24nm减小到0.11nm,疏水膜渗透率上升了2.22m D,亲水膜渗透率上升了1.79m D,多孔亚层孔隙度从0.425增加到0.612,亲水膜渗透率增加了0.7 m D,疏水膜渗透率增加了1.12 m D;(2)可以在不牺牲水通量的前提下通过提高多孔亚层的孔隙度来增加膜的厚度,这将使得厚膜拥有良好渗透性同时表现出更好的机械强度;(3)膜的结构可以用一个特征因子γ来表征,γ越小,膜的渗透率越大,γ从2.14减小到1.51时,亲水膜和疏水膜的渗透率分别增加了22%和31%,膜的渗透率对膜骨架的疏水性更加敏感。本文从实验和模拟分别揭示了影响跨膜反渗透流动的外因和造成反渗透水力特性差异性的内因,提出了提高跨膜反渗透水通量的方法,为开发高性能的反渗透膜提供了新的结构---渗透性见解,有助于降低工业淡化水成本。

关键词： 土体冻结   颗粒级配   孔隙水迁移   格子Boltzmann方法   未冻水含量   渗透系数   数值模拟  

摘要： 路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而土体中的水气迁移和冻结相变过程是解释冻胀机制的关键。目前,对冻土孔隙尺度的水分迁移过程和细观成冰机制仍然缺乏清晰地认识和有效的研究手段,而介观尺度的数值方法为这一研究提供了可能。本文基于格子Boltzmann方法、热力学和冻土物理学理论建立了介观层面的土体冻融数值模拟程序,从宏观水分、冰晶和温度等的分布情况,到细观冰、水和气在孔隙中相变的可视化过程,多个角度揭示冻土成冰机理。首先,提出孔隙水冻结温度算法并与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。结果发现,土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。随后,依据级配曲线重建土样的多孔介质结构,并引入参数η修正孔隙水冰点的数值算法,构建了一个模拟土体冻融相变过程的数值方法。对5种不同土样的冻结过程进行模拟分析,其SFCC的数值解与试验值基本吻合。修正系数η取值在0.1～0.2之间,与土样类型和级配特征不相关;数值模拟方法对砂土、粉土等粘粒含量少(<15%)的冻土预测更准确。土体冻结状态与级配特性相关,不均匀系数C和曲率系数C越大,则土体冻结过程中的过冷度与残余水含量越低,且C比C的作用更显著。最后,引入Shan-Chen单组分多相流动模型和多孔介质水热耦合相变模型,完善了冻土水气迁移和冻结模拟程序,实现了流-固接触角调控、气液两相分布和流动,以及冻土渗透性的数值分析。多孔介质中,接触角、饱和度和体积力都会对两相流体的密度分布和流动速度产生影响。冻土渗透系数的数值解和试验值拟合较好,基本处于同一数量级;随着温度降低,大孔隙逐渐冻结,孔隙连通性变差,未冻水整体处于极缓慢的流动状态,导致渗透系数下降。图47幅,表8个,参考文献115篇

关键词： 两相流   孔隙尺度   驱替模式   惯性效应   无序度  

摘要： CO地质封存与利用是应对全球性气候变化问题的重要技术之一,CO安全地质封存过程中的关键在于超临界CO与水的两相渗透流动机理。然而目前对超临界CO渗透流动机理的研究尚未完全阐明。本文以真实多孔介质结构为研究对象,以两相流驱替模式及其物理机制为核心问题,基于数值模拟中的相场法(Phase Field Method,PFM),深入开展了超临界CO-盐水在渗透过程中改变注入速度及孔隙结构所导致驱替模式及流态转变的研究。本文的主要研究成果如下:(1)对模型收敛性、网格收敛性、迁移率调整参数及多孔介质表征单元体(Representative Elementary Volume,REV)进行了验证,确保数值模拟最佳方案的选取。针对相对渗透率进行数值计算,与解析解得到的结果相比,其最大误差不到1%,二者具有高度一致性,证明了基于相场法进行数值模拟的准确性。(2)建立一系列不同Ca条件下的孔隙尺度两相流数值模型,深入了解速度效应导致流体驱替模式转变机理,提出不同驱替模式背后所遵循的最小压降驱替路径原则:在毛细指进状态下,黏滞力可以忽略不计,入侵相不断选择毛细阻力最小的孔喉进行驱替,以保证其遵循最小毛细压降驱替路径。在黏性指进状态下,系统优先遵循具有最小黏性压降的路径,此时被驱替相被系统滞留。同时,阐明两相流系统中惯性效应,在高Re数下,为了最大限度的降低惯性效应所产生的黏性耗散,系统会在主驱替路径之外形成许多次级流动路径。(3)采用随机函数建立一系列孔隙尺度无序模型,对压降特征、能量耗散及界面动力学进行研究,结果表明毛细指进状态下孔隙无序对于流态影响最为显著。此时入侵相遵循最小毛细压降驱替路径原则,而孔隙无序会改变介质中的毛细阻力,导致系统在保证潜在驱替界面的毛细阻力最小的前提下,只能选择引入更曲折的流动路径,这种路径偏差会导致不同孔隙无序下的流态差异。同时,随着无序的增加,两相界面反转动力学会受到影响,从而使局部孔喉发生海恩斯跳跃事件时的黏性耗散率产生差异。

关键词： Pore structure  

摘要： This study aims to further investigate the stimulation effect of pulsed ultrasonic excitation on coal pore structures. Using an ultrasonic excitation test system for gas-containing coals, this study conducted ultrasonic excitation tests on coals under continuous and interactive pulses with ultrasonic power of 800 W and 1 000 W. Through low-pressure CO2 adsorption tests, low-temperature nitrogen adsorption tests, and the mercury injection capillary pressure (MICP) tests, this study explored the evolutionary patterns of parameters of various coal pores with full-scale pore sizes, including macropores (> 50 nm), mesopores (2‒50 nm), and micropores ( mesopores > macropores. (2) Compared with those having undergone continuous or no ultrasonic excitation, coal samples that experienced pulsed ultrasonic excitation exhibited increased pore volumes and specific surface areas of various core pores. (3) With an increase in the number of pulsed ultrasonic excitation, the increased amplitude of the pore volume and specific surface area of coal pores increased linearly. Most especially, macropores presented significantly high increased amplitude. Pulsed ultrasonic excitation caused the continuous transformation between the water hammer pressure stage and the stagnation pressure stage, which increased the level of damage to coal pore structures. Developing pulsed ultrasonic emitters, combined with hydraulic technology, can improve the developmental degree of coal pores, coal permeability, and gas drainage efficiency. © 2023 Chinese Journal of Network and Information Securit. All rights reserved.

关键词： 石灰石   煅烧   硫化   格子Boltzmann方法  

摘要： 基于介观尺度(多孔介质尺度)研究循环流化床锅炉炉内石灰石脱硫机理,引入格子Boltzmann方法建立石灰石煅烧反应和硫化反应的反应动力学模型,采用C++语言开发了石灰石脱硫反应计算程序,并利用该程序研究了煅烧反应和硫化反应特性。结果表明,随着煅烧反应的进行,CaCO_(3)逐渐被消耗,并生成多孔的CaO;提高温度可促进煅烧反应的进行,提高环境CO_(2)质量浓度会抑制煅烧反应。对于硫化反应,生成的CaSO_(4)会覆盖在CaO表面并使孔隙变小进而逐渐堵塞,导致部分CaO未反应完全,提高SO_(2)质量浓度可促进硫化反应的进行,而O_(2)质量浓度的影响与此相反,且SO_(2)质量浓度的影响更大。

关键词： CO_(2)-EOR   孔隙尺度   LBM   流体物性   混相机制  

摘要： CO_(2)提高石油采收率(CO_(2)-EOR)技术是油藏开采的有效方法之一,特别对低渗油藏、高黏油藏和高含水油藏的开采效果尤为显著,有望成为我国中后期油田三次采油的备选技术。利用格子玻尔兹曼方法(LBM),研究了高温高压条件下CO_(2)混相驱在多孔介质内的流动特性,模拟了高温高压条件下孔隙尺度内CO_(2)-nC10系统的混相驱替过程,通过CO_(2)混相驱可视化实验对孔隙尺度LBM模拟进行了验证,探讨了孔隙结构、流体物性以及驱替方向对CO_(2)混相驱过程的影响。当油与CO_(2)的黏度比小于4.9时,垂直向上驱替过程将出现指进现象,在水平驱替过程中存在CO_(2)超覆现象。在孔隙尺度下,基于LBM数值模拟分析了CO_(2)与不同种类油的混相运移规律,揭示了不同驱替方向下孔介质内CO_(2)混相驱的流动特性及混相机制,为CO_(2)混相驱的跨尺度深入研究奠定基础。

关键词： 渗流规律   孔隙类型   致密砂岩   两相共渗区  

摘要： 针对苏里格气田中北部苏53区块复杂的气水流动影响气井产能的问题,对目标储层的渗流规律开展研究。采用常规压汞、铸体薄片以及荧光薄片等技术手段,综合分析目标储层的孔隙结构特征,结合气水相渗实验与孔隙尺度下的气水两相数值模拟以及泄压实验,揭示苏里格中部致密砂岩储层开发过程中不同孔隙类型的气水渗流规律。结果表明:粒间孔-粒间溶孔、岩屑溶孔-粒间溶孔和岩屑溶孔-晶间孔为研究区主要的3类孔隙组合类型;流体在不同孔隙类型组合下的渗流规律差异明显;储层物性越好,两相共渗区越宽,等渗点处相对渗透率越高,束缚水饱和度越低;当驱替压力小于毛管阻力时,气相以水包气的形式赋存于孔喉中,阻碍水相流动,导致气水渗流能力大幅降低,形成低效共渗区;当驱替压力大于毛管阻力时,气水两相渗流能力最强,驱替时间最短。泄压实验表明:岩样孔隙类型越好,其泄压时间越短,压降幅度越大,采出程度越高;岩样孔隙类型越差,残留水越多,气体渗流能力越弱,采出程度越低;压汞与相渗结合结果表明,目标储层束缚水转变为可动水的生产压差界限为12 MPa。该研究结果对了解目标储层渗流规律有一定帮助,为苏里格气藏高效开发及后续开发方案的调整提供理论依据。

关键词： 相变微胶囊   储热   孔隙尺度   数值模拟  

摘要： 设计了3种不同粒径的相变微胶囊储热单元,通过建立储热单元储热过程的数学与物理模型,在孔隙尺度下基于有限元法研究了相变微胶囊粒径尺寸对储热单元储热特性的影响,对比3种不同储热单元在相同工况下储热时间、熔化速率、有效导热系数及热通量等性能参数的差异。结果表明:相变微胶囊粒径对储热单元的储热性能有显著影响。随着相变微胶囊粒径增大,孔隙率减小,PCM的储热时间增加。在熔化过程中,相变微胶囊有效导热系数随熔化时间逐渐降低至定值,PCM热通量先急剧增加后逐渐减小。相变微胶囊粒径是影响PCM固液相分布的关键控因,PCM的熔化速率随着相变微胶囊粒径的增大而减小,熔化速率在初始阶段较大,但随着时间推移逐渐降低。

关键词： 优先流   优势通道   微米CT   孔隙网络模型   孔隙结构  

摘要： 电子计算机断层扫描(computed tomagraphy, CT)技术正被广泛应用于岩土多孔介质中孔隙的定量化表征,然而以往关于黄土孔隙定量化的相关研究存在CT扫描的分辨率不足问题,无法精准识别出黄土中的全部大孔隙。基于高精度的微米CT,以陕西延安Q黄土为例,在提取的黄土中真实孔隙结构的基础上,借助概化的孔隙网络模型研究了黄土的孔隙、孔喉和孔喉配位数分布特征,发现三者均呈对数正态分布;通过简化的Navier-Stokes方程及孔隙网络模型定量化地研究了在给定边界压差下管状通道、裂隙形成的优势通道中压力及流速的分布,与不含优势通道的代表性体积单元进行对比,发现裂隙对整体渗流特性的影响为均匀促进型,而管状通道为渗流集中型;在求得渗透系数后与原状黄土及重塑黄土的室内渗透实验结果进行对比验证了计算模型的可靠性。

关键词： 油气勘探   孔隙压力预测   小尺度网格   速度场模型  

摘要： 深度域层速度场参数是孔隙压力预测方法中最为重要的参数之一,但由于层析成像建模方法受地震资料品质的依赖程度较高,针对复杂构造地层或薄层目标地层,常规层析成像方法的模型建立精度难以得到保障,进而影响孔隙压力预测的精度。针对上述问题,本文提出一种基于小尺度网格层析成像的速度场建立方法,该方法对泥岩欠压实地层目标域构造进行网格剖分,通过解析共偏移距域道集的剩余曲率为自变量的三维矩阵方程以得到每个剖分网格点的剩余速度校正量,进而利用剩余速度校正量进行模型更新迭代,以提高速度场及孔隙压力预测的精度。剩余速度场的分辨率及精度由网格步长大小决定,减小网格步长间距能够提高剩余速度场模型建立的精度及分辨率,但会大幅降低建模效率。运用该方法对泥岩欠压实地层广泛发育的渤海A油田进行了方法测试,由实际资料测试结果分析可知,与常规方法相比,利用小尺度网格层析速度反演方法建立的速度场,能够大幅提高速度场建模的分辨率及精度,进而提高孔隙压力预测的精度,该方法有望在实际生产当中得到广泛的应用。