多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.      

多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性

基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型,对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究.获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解,并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响.结果表明:达西数较小时,通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度,此达西速度会随裂隙层数的增加而增大,但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响.增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响,会使通道内流体压降升高,但升高程度会逐渐降低.增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布,而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致.此外,当热导率之比较小时,多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况,当热导率之比较大时,存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同,且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

一维流体饱和粘弹性多孔介质层的动力响应

本文研究了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层的一维动力响应问题。基于粘弹性理论和多孔介质理论,在流相和固相微观不可压、固相骨架服从粘弹性积分型本构关系和小变形的假定下,建立了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层一维动力响应的数学模型,利用Laplace变换,求得了原初边值问题在变换空间中的解析解,并利用Laplace逆变换的Crump数值反演方法,得到原动力响应问题的数值解。数值研究了饱和标准线性粘弹性多孔介质层的动力响应,分析了固相位移、渗流速度、孔隙压力及固相有效应力等的响应特征。结果表明,与不可压流体饱和弹性多孔介质相同,不可压流体饱和粘弹性多孔介质中亦只存在一个纵波,并且固相骨架的粘性对动力行为有显著的影响。     

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

孔隙渗流对环面复层含油轴承润滑性能的影响

含油轴承基体中油液的渗流特性对轴承油膜润滑性能影响显著. 以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,利用达西定律建立复层含油轴承基体中流体渗流的控制方程,在极坐标下建立环面复层含油轴承系统渗流润滑模型,研究复层环面副系统中油膜压力分布规律,分析轴承结构参数及孔隙渗流行为对油膜润滑性能的影响. 结果表明:复层含油轴承的流体动压力主要发生在环形摩擦面间,从摩擦界面到轴承底面,流体压力逐渐由外缘向圆心部位传导,流体动压力作用面积逐渐增大,压力峰值逐渐降低;随着倾角增大,摩擦界面间的油膜动压效应增强,油膜润滑性能变好;随着表层渗透率或厚度减小,摩擦界面间的油膜的渗流效应减弱,油膜润滑性能提高;与普通单层含油轴承相比,含致密表层的复层含油轴承能降低整体孔隙率,防止过多轴承间隙油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能. 研究工作为明晰环面复层含油轴承渗流行为及润滑机理提供一定理论依据.      

孔隙深度对多孔储液介质摩擦学性能的影响研究

多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质,具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响;考虑气-液界面的弯月面力作用,研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果,采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质,进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应,孔隙深度较低会使得润滑升力不足,孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环,削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后,在孔隙中形成气-液二相受压承载,其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳,但孔隙深度越小,对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势,与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度,能优化多孔储液介质的润滑性能.      

双电层电粘度对润滑性能的影响研究

根据双电层理论,建立了关于流体润滑中的双电层引起的电粘度效应的数学模型,并通过组合滑块水润滑试验考察了双电层的电粘度效应对流体润滑性能的影响.结果表明:双电层所引起的电粘度效应对流体润滑下的摩擦系数具有明显影响;当在速度较低时,摩擦系数明显增大;随着速度的增加,摩擦系数增大幅度减小;试验结果同所建立的数学模型相符.     

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

非平整、多孔介质海底上波浪传播的复合方程

为了反映近岸区域实际存在的多孔介质海底效应，并且考虑到波浪在刚性海底上传播模型的 最新研究进展，运用Green第二恒等式建立了波浪在非平整、多孔介质海底上传播的复合方 程. 假设水深和多孔介质海底层厚度均由两种分量组成：慢变分量，其水平变化的长度尺度大于 表面波的波长；快变分量，其水平变化的长度尺度与表面波的波长等阶，但其振幅小于表面 波的振幅. 另外，多孔介质层下部边界的快变分量比水深的快变分量小1个量级. 针对水体层和多孔介质层，选择Green第二恒等式方法给出了波浪传播和渗透的复合方程， 它在交接面上满足压力和垂直渗透速度的连续性条件,可充分考虑波数变化的一般连续性， 并包含了某些著名的扩展型缓坡方程.     

可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.     

具有弹性层的两圆管间夹入弹性薄膜时的回转接触

应用弹性接触理论及Fourier变换,考虑接触域的粘着及微小滑状态,对具有弹性层的两圆筒间夹入弹性薄膜的非对称回转接触问题进行了0研究,讨论了接触宽度,弹性层厚度及摩擦系数等对弹性薄膜传送速度和圆筒公称圆周速度之比的影响。     

黏度、极性及配副因素在DLC薄膜固液复合设计中的影响

本文中系统研究了类金刚石(Diamond-like carbon,简称DLC)固体润滑薄膜与一系列不同黏度的烷烃、醇类液体润滑介质的复合润滑性能,并深入探讨了介质黏度、极性及摩擦配副在固液复合设计中的影响规律.我们发现所用DLC薄膜在所考察润滑介质中均表现出较好的稳定性及亲和性,而摩擦行为则呈现较大的差异:在非极性烷烃化合物润滑环境下,DLC/DLC和钢/钢摩擦副的摩擦系数随介质黏度的增加改变不大,钢/DLC摩擦副的摩擦系数则随着介质黏度的升高而逐渐降低;在极性的醇类介质中,钢/钢摩擦副的摩擦系数随着介质黏度的增大先下降后急剧上升,而钢/DLC和DLC/DLC摩擦副的摩擦系数随介质黏度的升高而降低.总之,介质黏度、极性和摩擦配副对体系润滑行为有很大影响,在进行固液复合润滑体系设计时,需综合考虑三者的相互作用关系.     

MOVEMENT AND SPLASHING OF A DROPLET IMPACTING ON A WET WALL

壁面液体层的存在对液滴撞击壁面的运动具有重要的影响。采用气液两相流动相界面追踪的水平集和流体体积复合方法和壁面润湿模型，实现了液滴撞击湿润壁面运动的数值求解；在此基础上，开展了液滴撞击湿润壁面运动的研究。研究结果表明：液滴以不同速度撞击湿润壁面时，会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等几种不同的运动形态，液滴撞击湿润壁面后的压力分布是不同运动形态形成的主要原因；飞溅运动是一定条件下皇冠几何体运动的一种特殊形态，液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细破碎理论；撞击速度对分离液滴的运动方向影响较小，而对壁面液体层厚度的影响则较大；撞击速度和壁面液体层厚度对分离液滴形态、飞溅分离位置、飞溅速度以及飞溅发生时刻等都具有一定的影响。     

膨胀性非牛顿流体多孔介质流动的模拟分析

在表征体元尺度采用格子Boltzmann方法分析膨胀性非牛顿流体在多孔介质中的流动,基于二阶矩模型在演化方程中引入表征介质阻力的作用力项,求解描述渗流模型的广义Navier-Stokes方程．采用局部法计算形变速率张量,通过循环迭代得到非牛顿粘度和松弛时间．对多孔介质的Poiseuille流动进行分析,通过比较发现结果与孔隙尺度的解析解十分吻合,并且收敛较快,表明方法合理有效．分析了渗透率和幂律指数对速度和压力降的影响,研究结果表明,膨胀性流体的多孔介质流动不符合达西规律,压力降的增加幅度小于渗透率的减小幅度．当无量纲渗透率Da小于10-5时,流道中的速度呈现均匀分布,并且速度分布随着幂律指数的减小趋于平滑．压力降随着幂律指数的增加而增加,Da越大幂律指数对压力降的影响越明显．     

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.