规则多边形孔隙毛细管压力理论模型

真实油气储层中的孔隙形状极为复杂,Yang-Laplace方程无法模拟多边形孔隙的毛细管行为。为了研究润湿性及孔隙几何形状对规则多边形孔隙毛细管行为的影响,基于MS-P理论及多边形孔隙两相驱替法则,在均匀润湿状态下推导出等边三角形、正方形、五角星形孔隙的排驱与自吸毛细管压力理论模型,在相同条件下,对不同润湿性及形状因子孔隙的毛细管行为进行分析。结果表明:相同润湿性的排驱与自吸渗流特征在孔隙角隅处相同,而在中央存在明显差异;随着接触角的增加,油相排驱阻力与水相自吸动力减小,油相自吸动力与水相强制自吸阻力增大;在特定润湿状态下,非润湿相在突破压力下完全饱和孔隙;均匀水湿体系的Snap-off程度随着接触角的增加而减小,而均匀油湿体系相反;形状因子对油相排驱过程的突破压力无明显影响;随着形状因子的增加,水相与油相自吸动力、水相强制自吸阻力减小,且非润湿相进入孔隙角隅时的非润湿相饱和度增大;五角星形孔隙的Snap-off现象最为明显。     

基于LB方法的非均质砂质砾岩渗吸规律数值模拟

采用随机四参数法对非均质砂质砾岩孔隙结构进行重构, 基于改进的SC-LBM(Shan-Chen格子玻尔兹曼)模型研究润湿流体在多孔介质中的渗吸行为。结果表明: 初始阶段的界面动力学与孔隙骨架的排列有很大关系, 会形成以基质为主的渗吸界面; 流体流经孔喉部分时, 流动断面瞬间缩小, 导致压力梯度和流动阻力迅速增加, 孔吼压力的存在导致流动断面瞬间缩小, 提高了流动阻力, 说明孔隙半径变化对渗吸速率影响较大; 后期阶段, 润湿流体会形成优势渗吸通道, 降低了波及面积, 大幅度降低了渗吸驱油速率。研究结果有助于理解流体在非均质孔隙中的自发渗吸规律, 对发挥裂缝性致密油藏渗吸驱油作用具有重要意义。     

PEMFC气体扩散层内PTFE含量及分布对气液两相流影响的LBM研究

基于数值重建的碳纸气体扩散层(GDL)三维微结构,采用格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)GDL内的气液两相流,详细研究了聚四氟乙烯(PTFE)含量及分布对GDL内两相输运的影响。计算结果发现:PTFE非均匀分布(靠近气流通道侧含量更多)时GDL内更容易积水;PTFE含量较多时GDL内积累的液态水含量较少。基于计算结果推导了气液两相相对渗透率,分析发现:PTFE含量及分布对气相相对渗透率影响较小;液相饱和度小于0.8时,PTFE含量较低时液相相对渗透率较高,而当液相饱和度大于0.8时,PTFE含量较高时液相相对渗透率较高;与PTFE非均匀分布时相比,PTFE均匀分布时液相相对渗透率较高。     

三维倾斜平板液氧降膜润湿数值模拟研究

建立三维倾斜平板降膜模型,利用VOF两相流模型计算了液氧降膜的润湿情况,研究了工质物性、倾斜角、液膜入口高度对润湿面积的影响。结果表明:Weber数(We)相同时,液氧和水的润湿比均随Kapitza数(Ka)增大而减小;相同Ka下,液氧和水的润湿比均随We增大而增大,而液氧润湿比一直小于水润湿比,两者的差值也随We增大而增大。拟合得到液氧在液膜入口高度0.4 mm、接触角70°时的界面润湿比经验关联式,拟合值和模拟值相对误差≤±20%;在We=0.76时,液氧的润湿比随倾斜角增大而减小,但降低速率随Ka增大而减小;在倾斜角为90°时,易出现液膜脱离壁面的现象;当We固定时,液氧的润湿比随液膜入口高度增大而增大。     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

单一微孔隙中油水相对渗透率特性研究

孔隙渗流是多孔介质渗流的微观基础。本文对孔隙中的两相流应用分相模型,结合达西渗流定律,提出了适用于油水两相的相对渗透率模型,得到相对渗透率与孔隙度无关、相对渗透率只是微孔隙中相态分布的几何尺度以及流体饱和度的函数等结论。设计了微流动实验装置,以去离子水和白油的乳化液为两相流体,在不同含油率下研究了微孔隙中油水两相的渗流特性,并与相应条件下的模型计算结果进行对比。结果表明,对于低渗透尺度等级的微孔隙,实验与计算结果吻合较好,对于高渗透尺度等级的微孔隙,实验与计算结果存在偏差。在某些条件下,油与水的相对渗透率之和存在大于1的情形。     

混合润湿对多孔介质内驱替压差和采收率的影响

特低渗透油藏具有注水井压力高,注水效果差,采收率低等特点,调控油藏润湿性是该类油藏降压增注一种有效手段,本文基于格子Boltzmann方法,研究驱替过程中混合润湿性对驱替压差和采收率的影响规律.结果表明,在均匀润湿条件下,接触角越小,驱替压差越低;毛管数越大,被驱替相与驱替相黏度比越小,采收率越高;在混合润湿条件下,接触角越小,驱替压差降低,但是降低接触角不一定提高采收率,平均接触角和混合润湿结构对提高采收率均具有重要影响。     

大粒径颗粒与加旋气流传热及流动特性的实验研究

本文主要研究了加入大颗粒后非限定性旋流的流动及传热特性,实验结果显示,加旋情况下的气固两相流比不加旋时传热量有明显增加.增大雷诺数有利于增强这一效果,但加入固相及增大载荷比会使换热系数降低.此外本文还得到了阻力系数与雷诺数、载荷比等参数的实验关联式.     

基于数值反演的相对渗透率数据处理方法研究

本文针对一维非稳态岩心驱替过程,利用多孔介质多相流动数值反演算法,提出了对一维非稳态驱替实验进行数据处理的方法。利用该方法,可以在毛细数适中的情况下同时求得毛细压力曲线与相对渗透率曲线,简化了驱替实验的复杂程度;比较了反演方法与JBN方法的准确性与适用性,结果表明在对半经验公式的形式推测合理的前提下,反演方法具有更大的适用范围和更好的准确性。该数据处理方法扩展了非稳态相对渗透率测试的适用范围,避免了JBN方法带来的大毛细数限制。     

水平空腔多孔介质自然对流各向异性和非达西效应研究

本文应用Ｄａｒｃｙ模型的改进型式－Ｂｒｉｎｋｍａｎ模型数值研究了填充各向异性多孔介质的水平空腔内部自然对流的非达西效应。结果表明：（１）较大的渗透率比导致空腔内的流动强度下降，传热速率降低；（２）较大的导热率比导致空腔内的等温线扭曲加剧，近壁流动速度加大，传热速率增加；（３）非达西效应在低渗透率比时尤为显著，忽略非达西效应的理论分析将会导致较大的误差。     

工质对微通道沸腾液膜瞬态变化的影响

本文采用去离子水和无水乙醇两种工质,利用微通道流动沸腾同步测量实验系统,研究了液膜厚度的瞬态变化规律,实验发现流动沸腾形成的初始液膜厚度在毛细数Ca很宽的范围内都遵循Taylor流动原理;液膜形成后,在蒸发和蒸汽流动携带的耦合作用下,厚度迅速减薄直至蒸干;由于水的汽液黏度比小,速度梯度小,剪切作用带来的液膜厚度减少量小,且水的汽化潜热大,吸收相同热量时蒸发量小,导致水的液膜厚度变化斜率较小,通过理论分析提出了沸腾液膜厚度变化的计算模型,计算结果与实验结果的误差小于20%。     

基于非结构化网格的多相流场求解与表面张力优化

本文推导了基于非结构化网格的投影法,将其与基于非结构化网格的PLIC方法进行耦合,实现了多相流动相界面的精确构造。从CSF模型出发,对相界面表面张力在非结构化网格上进行了优化,实现了表面张力的精确计算。对静态液滴算例进行了模拟,分别验证了方法的静态和动态准确性。最后模拟和分析了方腔顶盖反向驱动剪切流场中的液滴变形和破裂过程,发现两相流体的黏度比与液滴破裂的临界毛细数呈分段线性关系;液滴半径与临界毛细数之间呈线性关系。     

楔形体上复合液滴润湿铺展行为的格子Boltzmann方法研究

固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象,针对楔形体上的复合液滴,采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究.通过理论分析和数值模拟,发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大,液滴也越容易分裂.处于理论分裂临界状态附近的液滴,在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂.基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图,比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂.另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.     

剪切流场中双重乳液稳态形变

建立了不可压缩双重乳液界面行为的理论模型,并可视化实验验证了所建立模型的正确性.基于所建立的理论模型,数值模拟研究了剪切流场中双重乳液的形变机理,探讨了内外液滴半径比及各相工质黏度对其形变特性的影响规律.研究结果表明:在剪切流场中,双重乳液的稳态形变程度随着毛细数的增大而加剧,且内液滴抗形变能力比外液滴更强;随着内外液滴半径比的增大,双重乳液内外液滴间相互作用增强,导致内液滴形变程度增大,同时内液滴抗形变效应逐渐凸显,造成外液滴形变程度减小;双重乳液自身黏性是液滴形变的一种阻力,随着内、外液滴黏度的升高,双重乳液整体形变程度均减小,并且乳液外液滴相黏度变化对双重乳液稳态形变程度的影响更为明显.     

两相流中非平衡相变与平衡相变比定压热容差异的研究

本文以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的比定压热容计算式,并对实际的空气-水蒸气-水两相流动的换热过程进行了数值模拟.计算结果揭示了比定压热容的变化明显受到水颗粒相变过程的影响,颗粒的半径越小,比定压热容变化越大.同时,平衡相变过程比定压热容计算的流体温度要高于非平衡相变过程,两者的差异随着颗粒蒸发过程的进行而逐渐增大,且靠近轴线的差异要比靠近壁面处的差异大,颗粒半径越小,两者的差异越小.     

含随机裂纹网络孔隙材料渗透率的逾渗模型研究

采用逾渗理论对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究. 开裂孔隙材料渗透率的影响因素包括裂纹网络的几何特征、孔隙材料本体渗透率以及裂纹开度, 本文使用连续区逾渗理论模型建立了渗透率的标度律. 对于裂纹网络的几何特征, 本文基于连续区逾渗理论并考虑裂纹网络的分形特征提出了有限区域内二维随机裂纹网络的连通度定义; 对随机裂纹网络的几何分析表明, 随机裂纹局部团簇效应会降低裂纹网络的整体连通性, 随机裂纹网络的标度指数并非经典逾渗理论给出的固定值, 而是随着网络的分形维数的减小而增大. 本文在网络连通度和主裂纹团的曲折度的基础上, 提出了开裂孔隙材料渗透率标度律的解析表达, K=K₀(K_m,b)(ρ-ρ_c)^μ, 分别考虑了裂纹网络的几何逾渗特征 (ρ-ρ_c)^μ、孔隙材料渗透率K_m 以及裂纹开度比b; 对有限区域含有随机裂纹网络的孔隙材料渗透过程的有限元模拟表明, K₀ 在裂纹逾渗阈值附近与b呈指数关系, 但当裂纹的局部渗透率与K_m比值高于10⁶ 后, 开度比b对渗透率不再有影响.     

波纹通道中流动非稳态特性的数值研究

本文对两种不同间距的波纹通道中的流动进行了非定常的数值模拟,给出了间距和雷诺数对反映涡脱落频率的无量纲斯特劳哈尔数的影响情况,比较了二维和三维数值模拟的差别。增大雷诺数或者减小间距将会使斯特劳哈尔数增大,而斯特劳哈尔数随雷诺数增大而增加的趋势会趋于平缓。雷诺数相同的情况下,三维模拟会得到振幅更大且形式更复杂的速度随时间振荡的曲线,而且波纹通道间距越大,速度振荡曲线的振幅也越大且形式越复杂。     

黏弹性流体泡状流混合层流动的PIV实验研究

本文对注入气泡的黏弹性流体气液两相泡状流混合层流动进行实验研究,含气率为0.5%。与纯水气液两相流相似,气泡的注入也会削弱黏弹性流体中的涡结构,影响大涡的卷起。雷诺应力与涡量的分布规律类似,其峰值集中在混合层中心区域。注入气泡使混合层中心区域内的雷诺应力增大,峰值区域范围减小,添加聚合物的混合层中的雷诺应力峰值增大得更多。对涡量而言,注入气泡使峰值产生非常明显的减小,黏弹性流体的涡量所受的影响比纯水的要小。     

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法，对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明：在较疏水的润湿梯度斜面上，两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为；液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加；随着斜面顶端润湿性的增大，液滴跳跃高度最大值减小；存在一个最佳液滴尺寸，使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大，液滴跳跃高度最大值越小。     

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明：接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_max= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。