多孔介质内溶解与沉淀过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟了多孔介质内的溶解和沉淀现象, 并分析了雷诺数、施密特数、达姆科勒数对多孔介质孔隙结构及浓度分布的影响. 结果表明: 对于多孔介质内的溶解(沉淀)过程, 当雷诺数越大时, 孔隙率越大(小), 平均浓度值越小(大); 当达姆科勒数或施密特数较小时, 溶解和沉淀过程均受反应控制, 此时反应在多孔介质的固体表面较为均匀的发生; 当达姆科勒数或施密特数较大时, 溶解和沉淀过程均受扩散控制, 此时反应主要发生在上游及大孔隙区域.     

多孔介质中非等温互溶流体驱替过程的格子Boltzmann研究

利用格子Boltzmann方法,在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究,定量分析温度粘性膨胀系数（β_T）以及路易斯数（Le）对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明：随着β_T的增大,界面不稳定性增强,驱替效率降低.当β_T>0时,随着Le的增大,界面不稳定性减弱,驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓,指尖残余率减小,驱替效率增大.当β_T<0时,Le对于驱替效率的影响相反.     

基于格子Boltzmann大密度比模型的多孔介质内气泡动力学行为数值模拟

基于格子Boltzmann两相流大密度模型，研究气泡穿过多孔介质的动力学行为。研究发现：当孔隙率较大时，气泡只变形不破裂，能完整地通过多孔介质；而孔隙率较小时，气泡变形更加剧烈且发生破裂，穿过多孔介质所需的时间更长。另外，当障碍物表面接触角（θ）较小时，气泡均能完整地通过多孔介质，随着接触角的增大，气泡开始发生破裂，且θ越大，气泡破裂越严重，通过多孔介质的气泡剩余质量越小。数值结果还表明随着Eotvos数（Eo）增大，表面张力所占比重减小，气泡破裂越严重，穿过多孔介质的气泡剩余质量越小。最后，对比发现，多孔介质润湿性对气泡剩余质量影响最大，其次是孔隙率，而Eo数的影响最小。     

沉降分布孔隙率多孔介质模型及数值研究

研究沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热,根据"O"形圈理论和现场测定确定孔隙率系数,建立坐标方向孔隙率分布函数;考虑流体密度变化,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,能量方程采用界面连续条件,建立沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热求解模型.采用差分法对模型进行离散化,应用高斯-赛德尔方法迭代求解.数值分析表明:沉降分布孔隙率条件下多孔介质内流体流动速度在壁面附近较大,中心部位较小,壁面附近孔隙率的增大使得低流速区域减小,较高流速区域增大;当孔隙率小值时,温度按线性减小;当孔隙率大值时,温度在高低温壁面附近迅速减小,在中部减小较缓,热量按导热和对流共同传递;孔隙率增大能使平均怒谢尔数增大,对流换热作用增强.     

多孔介质平板通道与空通道的速度分布和温度分布的解析解

建立了平板通道内填充多孔介质和空通道两种情况传热模型,求解动量方程和能量方程的解析解,获得速度分布和温度分布,分析Da数、Bi数、有效导热系数比和孔隙率等参数对温度分布、局部非热平衡程度以及Nu数的影响。计算求解表明,通道内填充多孔介质后流体的速度分布和温度分布更均匀,速度边界层更薄;随着Bi数和有效导热系数比k的增大,θ_s-θ_f的值减小,局部非热平衡程度减弱,Bi越大,θ_s与θ_f越接近,即越接近局部热平衡状态。孔隙率对局部非热平衡程度和Nu数的影响不明显;Nu数随着有效导热系数比k和Da数的减小而增大,随着Bi数和孔隙率的增大而增大,当k1时,变化明显,k1时,变化不明显.     

基于相场方法的孔隙尺度油水两相流体流动模拟

基于真实岩心颗粒粒径分布，利用过程法构建疏松砂岩油藏的三维孔隙结构模型，利用相场方法建立两相流体流动数学模型并利用有限元方法进行求解，研究驱替速度、流体性质、润湿性对剩余油分布以及采出程度的影响.结果表明：驱替速度的增大和油水粘度比的减小会导致较大的毛管数，进而有利于采出程度的提高；就润湿性而言，水湿条件下毛管力是水驱油的动力，而在油湿条件下是阻力，因此水湿岩心采出程度更高.同时，从孔隙尺度对油水渗流机理及剩余油分布机理进行揭示，结果表明：由于多孔介质的复杂孔隙结构，流体在流经不同孔隙时呈现不同的流动特征，进而对油水两相流整体的压力分布、流速分布造成重要影响.     

多相非牛顿流体驱替过程的格子Boltzmann模拟

将非牛顿流体模型引入多相格子Boltzmann方法（LBM）,研究多相非牛顿流体的驱替过程.首先以牛顿流体驱替过程作对照,比较非牛顿流体的驱替特性.然后基于简单结构模型,分析不同界面张力下,非牛顿流体的驱替能力和驱替过程中被驱替相的形态变化规律,揭示界面张力的影响机理.结果表明：界面张力在驱替过程中起阻碍作用,其它参数相同情况下,界面张力越低,流体的驱替能力越强.最后,结合四参数随机生长（QSGS）结构生成方法,模拟不同压差、不同界面张力以及不同润湿性条件下多孔复杂结构内的非牛顿多相驱替过程,分析这些参数对过程的影响.     

多孔介质内泡沫渗流过程入口效应的数值研究

本文利用随机泡沫数目守恒模型对均质多孔介质内泡沫液渗流过程的入口效应进行了数值研究。随机泡沫数目守恒模型仅利用两个参数:泡沫生成速率Kg与最大泡沫个数n_∞,来描述多孔介质内非稳态驱替过程中泡沫的生成和发展。采用IMPES方法对二维介质内泡沫两相渗流过程的控制方程组进行求解,基于驱替过程中液相压力、液相饱和度及气泡密度分布等参数的分析,对泡沫驱替过程的入口效应进行了详细研究。结果发现,增大泡沫生成速率Kg,泡沫渗流过程的入口效应减小;而增大参数n_∞,虽可提高驱替压差,但对多孔介质入口段各参数的分布规律影响不大。     

多孔介质内颗粒流动特性及其对传热影响的模拟研究

研究采用CFD-DEM方法结合DEM耦合对流与导热的传热模型,对三维不规则孔隙结构多孔介质内细颗粒与孔隙流体的流动及传热特性进行数值模拟。结果显示,颗粒在流体的裹挟下由静止逐渐加速,多孔介质内部温度场、瞬时流体速度大小及方向随着细颗粒与流体的充分混合及颗粒间的弹性碰撞而发生变化。低孔隙率下颗粒易发生沉积,运动轨迹缩短。小孔隙率加速了由热颗粒引起的热传递过程,孔隙内温度上升较快。随着孔隙率增大,颗粒瞬时轴向和径向速度增大,且流动主要沿轴向进行,大孔隙率下颗粒间法向和切向接触力及颗粒拟温度较低,且对单颗粒运动轨迹有显著影响。     

组合式吸液芯内液汽相变过程的数值模拟

本文对高温热管吸液芯多孔介质内金属钠液的液汽相变过程进行了模拟研究,并采用流体体积分数模型和传质模型对此过程进行了数值分析.研究表明孔隙率和渗透率越大的组合式吸液芯多孔介质,热量在液态金属中的传递速率越快,进而可以增加高温热管的传热量,提高传热效率;但是孔隙率和渗透率越大,组合式吸液芯多孔介质加热壁面的温度分布越不均匀,产生沸腾传热极限的可能性亦越大.     

多孔介质中流体流动及扩散的耦合格子Boltzmann模型

多孔介质中高Péclet数和大黏性比下混溶流体的流动和扩散广泛存在于二氧化碳驱油、化工生产等工业过程中.用数值方法对该问题进行研究时,关键在于如何正确描述高Péclet数和大黏性比下多孔介质内流体的行为.为此,提出了一种基于多松弛模型和格子动理模型的耦合格子Boltzmann模型.通过Chapman-Enskog分析,证明该模型能有效求解不可压Navier-Stokes方程和对流扩散方程.数值结果表明,该模型不仅具有二阶精度和良好的稳健性,而且对于高Péclet数和大黏性比的问题具有良好的数值稳定性,为模拟此类问题提供了有效工具.     

Behavior of CO2/water flow in porous media for CO2 geological storage

A clear understanding of two-phase fluid flow properties in porous media is of importance to CO₂ geological storage. The study visually measured the immiscible and miscible displacement of water by CO₂ using MRI (magnetic resonance imaging), and investigated the factor influencing the displacement process in porous media which were filled with quartz glass beads. For immiscible displacement at slow flow rates, the MR signal intensity of images increased because of CO₂ dissolution; before the dissolution phenomenon became inconspicuous at flow rate of 0.8 mL min^− 1. For miscible displacement, the MR signal intensity decreased gradually independent of flow rates, because supercritical CO₂ and water became miscible in the beginning of CO₂ injection. CO₂ channeling or fingering phenomena were more obviously observed with lower permeable porous media. Capillary force decreases with increasing particle size, which would increase permeability and allow CO₂ and water to invade into small pore spaces more easily. The study also showed CO₂ flow patterns were dominated by dimensionless capillary number, changing from capillary finger to stable flow. The relative permeability curve was calculated using Brooks-Corey model, while the results showed the relative permeability of CO₂ slightly decreases with the increase of capillary number.     

无限流体中孔隙介质圆柱周向导波的传播特性

为研究无限大流体约束的孔隙圆柱中周向导波的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,建立了无限流体中孔隙介质圆柱的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立了周向导波频散方程,通过数值模拟计算得到无限流体中孔隙介质圆柱的频散曲线,探讨了圆柱半径和孔隙参数对导波传播特性的影响,并对导波的衰减特性进行了分析;通过数值计算,得到了周向导波的时域波形,讨论了孔隙参数对波形的影响.结果表明,孔隙介质圆柱半径的改变影响圆柱尺度,孔隙度的改变影响孔隙介质中体声波的波速,都对周向导波频散曲线产生一定的影响,所得到的频散曲线特征及衰减曲线与时域波形吻合.研究结果对开展无限流体中孔隙介质圆柱的超声无损评价提供了一定的理论参考.     

孔隙介质包裹的充液管道结构中导波传播特性

研究孔隙介质包裹的充液管道中纵向导波传播特性,分析孔隙介质参数对频散曲线的影响。建立了孔隙介质包裹充液管道的结构模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立对应的频散方程,数值模拟计算得到该模型的频散曲线和时域波形,并分析了孔隙介质参数以及管壁厚度对频散曲线的影响。结果表明孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变对时域波形的位移幅度影响较大。同时,导波存在衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。所得结论为埋地管道无损检测方面提供一定理论参考。      

Computer simulations of two-phase flow with surface tension in the percolation cluster

Percolation clusters with varying occupation probability were constructed. Viscous fingering (VF) in the percolation cluster, based on the assumption that throat radii are Rayleigh distributed, is investigated by means of a successive over-relaxation technique. The fractal dimension and the sweep efficiency of VF in the percolation cluster when surface tension is considered are larger than when surface tension is neglected. The fractal dimension of VF will increase as the percolation probability increases or the viscous ratio decreases. VF's fractal dimension of porous media in the limit viscous ratio → ∞ is found to be identical with the DLA. The topology and the geometry of the porous medium have a strong effect on the displacement processes and the structure of the VF.     

孔隙介质中快纵波的衰减特性和动力协调现象

依据Biot理论并采用前人的骨架模量孔隙度关系,计算了弹性波在孔隙介质中的衰减曲线,发现快纵波存在零衰减点.为解释这种现象,分析了孔隙流体相对于骨架运动的特点.结果表明,存在快纵波动力协调介质,快纵波在这种介质中传播时,流体和骨架之间无宏观相对位移,因此无论频率多高,流体粘滞系数多大,快纵波都不衰减.一个引申的结论是,在动力协调的渗透性孔隙介质中,即使存在双电层,快纵波也不产生流动电势.     

微流燃料电池空气阴极物质传输孔隙尺度模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微流燃料电池空气阴极多孔扩散层内多组分物质传输特性。随机重构了扩散层,获得渗透率及有效扩散系数。建立了耦合边界电化学反应的二维模型,研究了过电位、孔隙率对氧气、水蒸气浓度分布及局部反应速率的影响。结果表明,常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数;扩散层孔隙结构对物质传输有重要影响,孔隙率减小使得传质阻力增大,导致局部氧气浓度降低,局部反应速率降低,而水蒸气浓度增大,当孔隙率从0.83降至0.7,催化界面平均氧气浓度从8.472降至8.466 mol·m^-3。