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.     

多孔介质中热对流的分叉机理研究

本文利用解析分析方法研究了数值模拟发现的多孔介质层中出现的对流分叉机理，指出控制方程中的Ｒａｙｌｅｉｇｈ数，是决定流动的特征参数。当Ｒａｙｌｅｉｇｈ数小于临界数值时，多孔介质内流动处于静止传热状态，并且这种状态是稳定的。如果Ｒａｙｌｅｉｇｈ数大于临界数值，非线性方程出现分叉解，文中指出，存在多个使平凡解失稳而分叉的临界Ｒａｙｌｅｉｇｈ数，当Ｒａｙｌｅｉｇｈ数由小到大经历这些临界数值时，其由平凡解发展起来的分叉解的流态，依次由单回流区转变为双回流区及三回流区。理论分析给出了分叉解和分叉解的振幅方程，阐明了分叉的机理，其结论和数值结果定性一致．     

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.      

裂缝角度对含气多孔介质热流耦合特性影响研究

为研究含裂缝多孔介质内部流体的流动和传热特性,通过热-流耦合传热实验测试对5种裂缝倾角(0°,15°,30°,150°,165°)多孔介质进行了研究。结果表明:裂缝角度γ=0°的多孔介质达到稳态需要时间最长,约为720min,传热速率最慢,适用于削弱传热应用;裂缝角度旋转方向对多孔介质内高低温流体的混合能力影响较大,裂缝逆时针旋转时,其传热速率大于裂缝顺时针旋转时传热速率,适用于强化传热应用。     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

NUMERICAL INVESTIGATION ON FLOW STABILITY OF RAYLEIGH-B?NARD CONVECTION OF COLD WATER IN A RECTANGULAR CAVITY COOLED AND HEATED SYMMETRICALLY RELATIVE TO THE TEMPERATURE OF DENSITY MAXIMUM

为了解具有密度极值流体瑞利-贝纳德对流特有现象和规律,利用有限容积法对长方体腔内关于密度极值温度对称加热-冷却时冷水瑞利-贝纳德对流的分岔特性进行了三维数值模拟,得到了不同条件下的对流结构型态及其分岔序列,分析了密度极值特性、瑞利数、热边界条件以及宽深比对瑞利-贝纳德对流的影响. 结果表明:具有密度极值冷水瑞利-贝纳德对流系统较常规流体更加稳定,且流动型态及其分岔序列更加复杂;相同瑞利数下多种流型可以稳定共存,各流型在相互转变中存在滞后现象;随着宽深比的增加,流动更易失稳,对流传热能力增强;系统在导热侧壁时比绝热侧壁更加稳定,对流传热能力有所减弱;基于计算结果,采用线性回归方法,得到了热壁传热关联式.     

油藏多孔介质热质传递“三箱”分析模型研究

油藏多孔介质孔隙组成及结构变化多样,一些特性参数很难全部获得,精确描述和分析困难;另外,多孔介质内渗流过程水力条件和作用机理复杂,存在热流固耦合作用,目前的一些分析方法和研究模型具有一定的局限性.提出了油藏多孔介质的表征单元体（representative elementary volume,REV）描述表征方法;基于表征单元体建立了多孔介质的黑箱模型、灰箱模型和白箱模型,据此提出了多孔介质的“黑箱→灰箱→白箱”分析过程.基于黑箱模型和灰箱模型推导了REV导热系数计算公式、给出了REV热质传递过程的热平衡方程.结合中国油藏热采情况,对多孔介质导热系数变化规律和蒸汽驱热质传递特性进行了分析,得到了一些有意义的结果.该工作为多孔介质热质传递过程分析提供了新思路和新方法.      

线性高温壁面多孔介质传热研究

以多孔介质为研究对象,采用整场求解法分析了多孔介质温度场和流场随Ra数的变化.研究结果表明:随着Ra增加,由开始流线均匀分布为一个顺时针大窝,逐渐变化为一个顺时针大窝,一个逆时针小窝;流线出现分叉现象;流线分布在两个窝中间和外侧,即流场在小窝中间剧烈流动而在大窝中央基本上保持静止状态;当Ra很小时,热的传输主要依靠传导作用,随着Ra数逐渐增大,对流作用成为热传输的主要动力;当Ra数小于105时,高温壁面Nu数基本在-110～-17间变化,最大值发生在底部,最大值为17,最小值发生在上部,最小值为-110.