关键词： 水合物沉积物   数值模拟   渗透率   孔隙尺度   非均质分布   颗粒粒径  

摘要： 以中国南海泥质粉砂型天然气水合物沉积物为研究对象,基于有限单元数值模拟法,采用孔隙尺度模型定量分析了砂质颗粒粒径、水合物饱和度和砂质颗粒空间非均质性对水合物沉积物(HBS)渗透率演化的影响。首先,本文基于CT图像重构了含水合物沉积物均质模型,基于Darcy定律对不同砂质颗粒粒径和水合物饱和度的含水合物沉积物储层渗透率进行了定量分析;其次,构建了含水合物沉积物非均质数值模型,探讨砂质颗粒空间非均质性对渗透率演化的影响;最后,提出一种基于Tokyo模型的修正方法,并与数值模拟结果及实验数据进行拟合及验证。研究结果表明:HBS绝对渗透率与粒径呈正相关,砂质颗粒粒径下降至拐点(D_(50)=62.5μm)后,绝对渗透率急剧下降,粉砂水合物沉积物绝对渗透率是黏土水合物沉积物的962倍(S_(H)=41.1%);而HBS相对渗透率则与饱和度S_(H)呈负相关,水合物饱和度上升至拐点S_(H)=33.9%后,相对渗透率急剧下降。砂质颗粒空间非均质性会显著降低初始渗透率且导致渗透率变化对饱和度更加敏感,并成为影响Tokyo模型中指数N变化的关键要素。

关键词： 海陆过渡相泥页岩   分形维数   分形模型   鄂尔多斯盆地  

摘要： 为探讨页岩储层中微孔、介孔和宏孔分形特征以及当前广泛应用的各分形模型的适用性,以鄂尔多斯盆地海陆过渡相太原组页岩气储层为研究对象,通过高压压汞实验和低温氮气吸附实验测试泥页岩孔隙结构参数。利用MENGER海绵模型计算高压压汞测试结果中宏孔分形维数,Frenkel-Halsey-Hill(F-H-H)模型计算低温氮气吸附测试结果中介孔分形维数,并尝试引入Volume-Specific Surface Area(V-S)模型计算低温氮气吸附测试结果中微孔分形维数。以拟合优度R^(2)值为评价指标,与前人基于不同计算方案的结果相互论证,借此探讨不同尺度孔隙的最佳分形维数计算模型。结果表明:微孔分形维数(D_(1))介于2.0136~2.2944之间,平均为2.1132,介孔分形维数(D_(2))介于2.5793~2.7622之间,平均为2.6405,宏孔分形维数(D_(3))介于2.7863~2.9985之间,平均为2.9339。随孔径增大,分形维数值呈增大趋势,孔表面愈发粗糙。F-H-H模型和V-S模型是泥页岩中介孔和微孔分形维数的最佳计算模型,拟合优度R^(2)值大于0.99,前者R^(2)值大于0.998;MENGER海绵模型对宏孔分形维数的计算过程同样体现出了高拟合优度,但R^(2)值和稳定性明显差于前两者。研究结果对海陆过渡相页岩气储层中孔隙分形特征的研究有一定的参考意义。

关键词： CO_(2)毛细封存   Ostwald熟化   非均质多孔介质   传质   数值模拟  

摘要： 多孔介质内的气泡熟化行为广泛存在于CO_(2)封存等领域,为探究多孔介质内气泡的熟化特性,本文采用空气作为模拟气体,通过可视化实验和数值计算,对双孔隙和四孔隙气泡熟化过程进行了研究,阐释了多孔介质非均质性对熟化过程的影响规律。结果表明:在双孔隙气体饱和度较小情况下,虽然也发生正向熟化,但是孔隙结构的存在使熟化速率明显低于自由流体情况;四孔隙研究显示多孔介质非均质性对气泡熟化过程影响显著,由于孔隙的几何限制,气泡在某些情况下会发生逆Ostwald熟化,即生长的气泡在充满当前孔隙空间后会停止生长并反向熟化导致尺寸缩小;在非均质多孔介质中,由于熟化作用,气泡有传质到大孔隙区域趋势,导致大孔隙区域富集大气泡,存在泄漏风险,从而影响封存。

关键词： 红外无损检测   孔隙尺度   多孔介质   相变过程   降噪优化  

摘要： 红外热成像技术是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术,但其目前仍存在测量精度较低、图像噪声影响较大、数据量巨大等缺点。本文利用红外热成像技术,在孔隙尺度下对多孔材料内石蜡和水的相变过程进行了表征,并对红外热成像测温精度和相界面的表征进行了优化。首先通过添加反射表面(褶皱的铝箔)获取测试过程中环境反射温度,以修正目标物体温度;同时通过引导滤波和主成分热像法(Principal component thermography,PCT)对红外热成像图片降噪,提高红外热像仪对温度场及相界面的检测精度。实验结果表明:环境反射温度修正法可以排除测试环境温度变化对红外测温结果的影响;引导滤波法选取合适的滤波半径和滤波参数后相界面轮廓更加清晰,并取得较好的降噪效果;主成分热像法除了降噪效果好,使相界面更清晰,并使处理数据量减少了4个量级。上述3种优化方法为红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用提供了技术支持。

关键词： 多孔介质   泡破压力   有效孔径   分离   孔隙尺度  

摘要： 金属多孔网幕具有比表面积大、物理稳定性好等诸多优点,广泛应用于推进剂在轨气液分离及相变传热等领域。泡破压力是衡量其相分离性能的关键参数,可根据多孔介质的有效泡破孔径确定。然而多孔网幕的孔隙结构极其复杂,泡破孔径计算仍未有通用且高效的方法。建立了一种基于三维孔隙结构的多孔网幕泡破压力的通用型解析模型。该模型仅依赖于多孔网幕的几何结构参数,无须实验即可有效预测多孔网幕的泡破压力。模型预测结果与本文实验及文献实验中不同网幕规格、低温及常温工质数据吻合良好,平均误差仅为8%,表明该解析模型具有普适性和准确性,可为基于多孔网幕的液体获取装置的设计与性能预测提供参考。

关键词： SCR脱硝催化剂   多孔介质   孔隙率   格子Boltzmann   孔隙尺度  

摘要： 孔隙率是选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂结构的重要指标,对催化剂的脱硝效率有重要影响。根据工程依据范围创建微观孔隙尺度的SCR脱硝催化剂多孔介质模型,采用随机配置的方法,构造出8种不同孔隙率。采用格子Boltzmann方法模拟SCR催化剂表面流动及传质耦合化学反应过程,在特定烟气流速和NO原始浓度工况条件下获得多孔介质中烟气流动的速度分布和伴随流动过程发生催化还原反应的NO浓度分布,研究孔隙率对流动和脱硝效率的影响。研究结果表明:随孔隙率的增加,全场平均孔隙流速逐渐减小,出口NO平均浓度逐渐增大,脱硝率逐渐降低;孔隙率为0.748时,出口NO平均浓度最低,脱硝效率最高,此孔隙率为最佳孔隙结构。

关键词： 渗透-应力耦合   孔径分布   压缩敏感性   砂岩   渗透率演化  

摘要： 以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1μm)、中孔(0.1~lμm)、小孔(<0.1μm)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。

关键词： 孔隙多尺度结构   渗透系数   分形理论   土水特征曲线  

摘要： 土是由颗粒,水和气所组成的三相体系,其孔隙内部结构复杂。土体复杂的结构与其内部孔隙的多尺度相关,使得水分运移机理更为复杂。一般通过实验获取相关指标从宏观上去研究土体渗流的特性费时费力,或者使用经验公式计算渗透系数,但这样往往会出现误差。因此从土体微观结构入手去研究土的渗流问题,得出的结果更能反映土体的渗流特性。很多研究表明土体多孔介质中的孔隙具有分形标度特征,分形理论中的地毯模型能够反映土体的孔隙多尺度结构特征,于是引入分形理论对土体复杂的内部结构进行研究,基于分形理论描述土体的孔隙多尺度结构,采用孔隙分形维数表征土体多孔介质的微观结构,建立土体多孔介质渗流模型。本文研究内容和结论如下:（1）先引入土水特征曲线对土体孔隙结构展开研究,推导得到基质吸力和当量孔径的对应关系。再结合分形理论,选用反映地毯模型的孔隙分形模型,推导得到表征土体多孔介质微结构的孔隙分维数计算模型。根据郁伯铭的多孔介质渗透率分形模型,并运用分段求和法对其进行修正推导了土体渗透系数模型。渗透系数表达为含有孔隙率、界限孔隙直径,孔隙分维数的函数。（2）把找到的文献数据分别代入孔隙分维数计算模型和土体渗透系数模型,算得渗透系数模型值。将模型的计算结果与渗透试验结果进行对比,验证了理论推导的正确性。再根据颗粒级配分成碎石土,砾砂,粗砂,中砂,细砂,粉砂六类土,分别比较了这六类土对土体渗透系数模型的适用性。（3）选用太沙基公式、中国水科院公式、朱崇辉公式、哈增公式、及张宜健公式这五类传统的渗透系数经验公式,由经验公式计算的渗透系数和土体渗透系数模型值,与渗透试验所得结果进行对比分析,结果表明渗透系数模型的预测效果好于经验公式,验证了土体渗透系数模型更加适用。

关键词： 砂岩   冻融循环   孔隙结构   损伤特性   细观尺度  

摘要： 近年来，随着中国西部基础设施建设以及矿产资源开发的迅速发展，大量的岩土工程在建设及运营中受到恶劣气候环境因素的影响，尤其是冻融循环引起的岩土体破坏对寒区工程造成了极大的威胁。然而岩石的宏观破坏程度及特征往往受其内部细观结构的控制，岩石冻融损伤本质上是由孔隙水冻结膨胀作用造成的。因此，本文以受冻融作用敏感的砂岩为研究对象，以细观尺度下冻融砂岩孔隙结构变化为切入点，利用获取的砂岩CT扫描图像对冻融砂岩细观结构损伤进行定性定量表征，并结合CT孔隙参数在PFC3D中建立冻融砂岩细观损伤破坏数值模型，揭示了冻融循环条件下砂岩细观损伤演化规律。本文主要内容及结论如下:　　(1)对饱水砂岩开展不同冻融次数下冻融循环试验，然后分别对冻融后的砂岩进行单轴压缩及CT扫描试验。将CT扫描获取的各冻融次数下的砂岩二维切片图像进行初始的内部组成及结构分析，并以随机选取的初始二维面孔率进行对比分析，发现随着冻融循环的不断进行，砂岩初始平均面孔率逐渐增大，砂岩内部产生一定程度的损伤。　　(2)利用AVIZO软件通过调整对比度、滤波降噪等预处理，获取到清晰合适的砂岩CT二维图像，采用交互式阈值分割法将冻融砂岩的孔隙部分与岩石基质部分分离开来，并对其进行三维重构，建立不同冻融循环次数下的孔隙结构模型。然后确定砂岩表征单元体尺寸，对冻融砂岩的二维及三维孔隙结构参数进行表征分析，并基于损伤理论对各孔隙参数在冻融循环作用下的损伤情况进行定量表征，发现孔隙体积在冻融循环过程中损伤变量最大。最后，以孔隙体积为损伤变量建立冻融岩石损伤本构模型，并利用单轴压缩试验曲线进行对比验证，两者较为吻合，其结果表明孔隙损伤表征参数的选取及损伤本构模型的正确性和可靠性高。　　(3)在PFC3D软件中，利用平行粘结接触模型建立常规砂岩试样单轴压缩模型，对各细观参数的敏感性进行研究，为后续冻融砂岩细观破坏模型的细观参数标定提供依据。基于冻融砂岩的孔隙体积和孔隙率等孔隙参数，确定颗粒膨胀系数，通过控制颗粒膨胀系数等效冻融作用，基于PFC3D软件建立冻融砂岩模型，将冻融后的单轴压缩模拟曲线与试验曲线进行对比，验证了模型的准确性后，并对20次冻融砂岩强度进行预测。最后通过冻融砂岩模型颗粒间接触力最大值、颗粒最大位移、裂纹数量及细观能量演化对冻融砂岩细观损伤进行定量分析，从而研究不同冻融次数下砂岩的细观破坏过程。

关键词： 3DP-CFRCs   多尺度孔隙   均匀化   刚度   强度  

摘要： 连续纤维增强复合材料(Continuous Fiber Reinforced Composites,简称CFRCs)在载运工具轻量化应用中日益广泛。而3D打印以其一体成型、设计空间灵活等优势,正越来越多的应用于复杂CFRCs结构的设计与制造。然而,3D打印连续纤维增强复合材料(3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composites,简称3DP-CFRCs)因其特殊的成型工艺,在制备过程中难以避免会产生多尺度孔隙,如熔丝内孔隙和熔丝间孔隙,这将对其微观结构和力学性能产生很大的影响。因此,探明3DP-CFRCs中的多尺度孔隙特征,揭示其对3DP-CFRCs宏观刚强度性能的影响机理,对3DP-CFRCs的刚强度性能优化等具有重要意义。在此背景下,考虑时效性和经济性,本论文将基于复合材料多尺度理论,将实验表征与理论预测相结合,重点关注材料的刚强度性能,开发精确的均匀化方案来辅助设计预测微观孔隙特征对3DP-CFRCs力学性能的影响,具有重要的理论和工程意义。本文主要研究工作包括以下三个方面:(1)在线弹性范围内,基于Mori-Tanaka细观理论、界面模型和三相桥联模型,建立了多孔CFRCs两步均匀化模型,揭示了CFRCs的有效刚度随孔隙含量、位置、形状等参数的变化规律。研究发现,在三种形状(钱币形、球形和长纤维形)的孔隙中,钱币形孔隙对CFRCs有效刚度的劣化作用最大,而球形孔隙的劣化作用最小。对于材料的横向杨氏模量和剪切模量,当纤维含量较低时,界面孔隙的劣化作用大于基体孔隙,但当纤维含量较高时结果正好相反。(2)采用Mori-Tanaka方法和简化应变梯度弹性理论,建立了考虑多尺度孔隙及其分布形貌影响的3DP-CFRCs有效刚度预测模型,研究了孔隙尺寸、位置及界面切向柔度等微观结构特征对其有效刚度的影响。结果表明,3DP-CFRCs的有效弹性模量随孔隙尺寸的增大而减小;材料的纵向杨氏模量受孔隙位置影响较小,而横向杨氏模量和剪切模量对孔隙位置更敏感;当界面切向柔度α＞10时,随着纤维含量增大,材料的有效弹性模量逐渐降低。(3)基于强度预测理论和有限元模型,提出了考虑多层级孔隙特征的3DP-CFRCs纵向拉伸强度预测方法,着重关注了孔隙含量、位置等参数对其有效强度的影响。研究显示,在相同孔隙含量下,熔丝内基体孔隙对材料纵向拉伸强度的劣化作用比熔丝间孔隙更加明显。图54幅,表7个,参考文献119篇