随机多孔介质的蒙特卡罗重构与渗流特性模拟

根据多孔介质微观结构的分形尺度标度特征,采用蒙特卡罗方法分别重构随机多孔介质的微观颗粒和孔隙结构,并基于分形毛管束模型研究多尺度多孔介质的气体渗流特性,建立多孔介质微观结构和宏观渗流特性的定量关系。结果表明：分形蒙特卡罗重构的多孔介质微细结构接近真实介质结构,气体渗流特性的计算结果与格子玻尔兹曼模拟数据较为吻合; 多孔介质气体渗透率随着克努森数的增加而增大,孔隙分形维数对于气体渗流的微尺度效应具有显著影响,而迂曲度分形维数对于表观渗透率和固有渗透率的比值影响可以忽略。提出的分形蒙特卡罗方法具有收敛速度快且计算误差与维数无关的优点,有利于深入理解多尺度多孔介质的渗流机理。     

三维纳米多孔介质内速度分布规律研究

为揭示气体纳米尺度输运特性,本文采用四参数随机重构方法构造了三维不规则纳米多孔介质,借助格子玻尔兹曼方法从孔尺度数值模拟气体在重构纳米多孔结构内的滑移流动过程,分析了气体表观渗透率、滑移程度,以及纳米孔内气体速度概率密度分布规律。研究结果表明：纳米多孔介质表观渗透率随等效粒径增大而增大;主流方向气体速度概率密度分布曲线呈指数函数递减规律,递减趋势依赖于等效粒径大小;考虑滑移效应后纳米多孔材料内速度概率密度的分布范围变窄,速度分布的均匀性增强。     

多孔介质中卡森流体的分形分析

研究了非牛顿流体中的卡森流体在多孔介质中的流动特性.基于服从分形分布的弯曲毛细管束模型,运用分形几何理论推导出了该流体在多孔介质中流动的流量、流速、启动压力梯度和有效渗透率的分形解析解.模型中的每一个参数都有明确的物理意义,它将卡森流体在多孔介质中的流动特性与多孔介质的微结构参数有机联系起来.文中给出了卡森流体的流速、启动压力梯度和有效渗透率随着各影响因素的变化趋势,并进行了讨论.所得分形模型可以更深刻地理解卡森流体在多孔介质中流动的内在物理机理. 关键词： 多孔介质 卡森流体 分形     

基于分形几何的非饱和多孔介质热流映射关系

基于分形几何建立了非饱和多孔介质热传导和气液两相渗流的孔隙尺度模型,研究并提出了传热与渗流的映射关系。结果表明非饱和多孔介质的热流特性取决于介质孔隙率、孔隙尺度限、孔隙分形维数、迂曲度分形维数和液相饱和度。孔隙结构固定时,液相相对渗透率与有效热导率均随着液相饱和度的增加而提高,气相相对渗透率则随着饱和度的增加而降低,因此液相和气相相对渗透率与有效热导率分别呈正相关和负相关;液相饱和度不变且孔隙结构发生变化时,液相和气相相对渗透率与有效热导率分别呈负相关和正相关。非饱和多孔介质的相对渗透率与有效热导率满足二次函数关系,热流映射关系对于理解其传热传质机理和预测输运特性具有重要的意义。     

多孔介质中的分形与输运

介绍了多孔介质里隙空间和孔隙界面的分形结构，描述了多孔介质中的输运特性及其实验与计算机模拟方法，最后介绍了自相似多介质中输运特性的一种递推计算方法。     

多孔介质通道的分形随机行走描述

多孔介质中的输运过程,如导热、渗流过程,关注的是热量从高温壁面穿过介质到达低温壁面、流体从多孔介质的边界沿孔隙流到另外一端的过程。此类现象可归结为载流子在多孔介质通道(基质或孔隙)中沿外部势差方向的运动过程。多孔介质通道具有分形特征,可以采用分形维数来描述其通道的通透性。本文基于现象的相似性特征,提出并发展了粒子在多孔介质中的方向随机行走模型,用粒子在基质中的方向随机行走过程来模拟真实的热流传输过程;根据分形统计规律得到粒子方向随机行走分形谱维数,并用其描述基质结构的连通性和方向性。研究结果表明,在孔隙率相同情况下,粒子在基质中的方向随机行走分形谱维数与有效导热系数大小有相同的变化趋势。     

随机四参数法生成多孔介质及渗流模拟

本文基于多孔介质内流动的广泛应用背景,模拟了多孔介质渗流。采用随机四参数生长法生成了多孔介质模型,并对模型中的微小固相进行了过滤处理。将随机四参数生长法生成的多孔介质结合格子玻尔兹曼方法D2Q9模型模拟了压力驱动的多孔介质中的渗流。通过将模拟结果与著名的CK理论公式的计算结果进行比较,发现在孔隙率高时误差较小(φ=0.9时,误差约为6%)。研究表明在高孔隙率时采用文中的方法得到的多孔介质渗透率及孔隙尺度的流动结果较为准确。     

基于“三箱”方法的油藏多孔介质热流耦合计算模型

在稠油开采过程中,随着热流体的注入和油气的采出,油藏多孔介质内部的渗流场、温度场和应力场等重新分布,同时油藏多孔介质的物性参数发生变化,稠油热采是一个典型的热流固多场耦合作用过程。由于油藏多孔介质内部结构变化多样,精确描述和分析困难,目前多场耦合相关机理模型研究针对特定条件,具有一定的局限性。本文针对油藏多孔介质,提出了热流耦合计算的"三箱"分析模型,即不涉及REV(表征单元体,representative volumetric element,简称REV)内部构成的"黑箱"分析法、对REV内部进行适当简化的"灰箱"分析法,以及对REV内部进行详细分析的"白箱"分析法。利用所建模型,基于油藏多孔介质的一些典型数据,进行了耦合计算和分析,得到了一些有意义的结果。     

分形介质的传热与传质分析(综述)

本文论述了分形介质的分形理论和数学基础,并简要综述了用分形理论和方法研究分形介质的传热与传质特性(如多孔介质的渗透率、热导率以及池核态沸腾换热)方面目前所取得的研究进展,最后扼要展望了用分形理论和方法进一步研究分形介质的传热与传质的可能的若干课题和方向。     

数字重建孔隙结构内流体流动特性的计算研究

数字岩芯技术可重建储层介质的复杂孔隙结构,是从微观尺度上研究多孔介质内渗流过程及渗流机理的重要手段。本文基于真实岩芯的CT扫描图像,通过降噪、阈值分割、二值化处理获得岩芯CT图像的三维数字矩阵,并根据矩阵信息对真实岩芯孔隙结构进行重建,并输出为后续处理软件易读取的通用文件格式。利用Fluent软件对重建岩芯结构中的单相流动现象进行了数值模拟,对流体在复杂通道结构内的流动特性进行了详细分析,并对岩芯试样的宏观渗流率特性进行了预测。计算结果表明,本文采用的方法可高效重建孔隙结构,并对真实岩芯的宏观渗透率特性做出合理预测。     

基于分形理论的NDVI连续空间尺度转换模型研究

尺度效应是遥感领域的一个非常重要的科学问题。定量遥感尺度转换研究可用于解决如定量遥感反演产品真实性检验等诸多颇具挑战性的问题。传统升尺度转换研究方法无法得到连续空间尺度上反演量的变化特性;且面临不同传感器间几何、光谱等特性参数校正问题的干扰,尺度转换研究精度受到影响。为此,基于分形理论利用单一传感器影像解决这些问题。基于Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM+)数据,以NDVI(利用其地表辐亮度计算模型)为研究对象,建立了一个可参考的反演量连续空间尺度转换模型研究流程。结果表明:(1)NDVI升尺度转换中存在尺度效应,且此效应可由尺度转换分形模型定量描述;(2)此分形模型适用于NDVI产品的真实性检验中。这表明分形作为一种有效的方法,可用于定量遥感尺度转换研究中。     

基于几何重建的气液两相流孔隙尺度模拟

本文基于二维micro CT扫描图像进行数值重构得到三维多孔介质几何模型,采用Shan-Chen多相格子Boltzmann方法(LBM)建立适用不规则几何边界区域内气液两相流动数值模型,在此基础上对复杂多孔介质内的两相流动过程进行孔隙尺度模拟。结果表明,气-液两相流动受限于多孔介质的复杂孔隙结构,气液表面张力、壁面润湿特性以及进出口压差对两相流动特性将产生明显影响。     

气孔分布特性对含水多孔介质气体扩散的影响

本文基于多孔介质的气孔分布特性,计算了多孔介质在含水状态下的扩散性能,并且比较了采用两种方式计算相对渗透率时的相对扩散性能。其结果表明,基于气孔分布的计算结果低于与气孔分布无关的计算结果。另外,疏水性含水多孔介质的扩散性能低于亲水性含水多孔介质的扩散性能,基于气孔分布计算含水多孔介质的气体扩散性能时,Wyllie公式并不适用。     

基于不可逆热力学原理的油藏多孔介质耦合作用模型

油藏多孔介质渗流过程存在多场耦合作用,目前的一些研究方法和分析模型具有一定局限性。本文将不可逆热力学原理应用于油藏复杂渗流过程,在局域平衡和连续性假设基础上,提出了基于表征单元体(Representative Elementary Volume,简称REV)的元胞描述方法;推导出了多孔介质渗流过程考虑导热和扩散作用的耦合方程;基于所建模型,分析了稠油热采过程的熵产变化特性。稠油热采过程除包括热传导和扩散耦合作用外,还包括黏滞流动和化学反应等不可逆过程,可根据本文模型扩展。     

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。     

基于分形理论的多孔介质导热系数研究

本文根据分形理论,对多孔介质几何结构进行了描述,计算出了不同孔隙率多孔介质简化模型的剖面面积分布分形维数d,并利用分形维数结合土壤导热模型推出了土壤的有效导热系数表达式,计算结果表明,该方法是符合客观实际的．     

分形多孔介质中流体流动的LBM模拟

基于分形理论构造了规则Sierpinski地毯结构来模拟多孔介质孔隙结构,采用Lattice Boltzmann Method(LBM)分别对不同孔隙率与进出口压差下的分形多孔介质中的流体流动进行了数值模拟.结果表明,分形多孔介质的某些流场结构也具有分形特征;体积流量和流场进出口压差呈线性关系,符合Darcy定律;流体穿过分形多孔介质的体积流量与孔隙率成指数函数关系.     

新型ECT传感器在燃烧检测中的应用研究

电容层析成像(ECT)是一项基于电容敏感原理的过程成像技术,是极具应用前景的多相流检测技术之一.本文提出了一种新型ECT传感器,该型传感器具有采集信号强、噪音小、结构稳定、有利于高温环境参数检测等优点.本文将该型传感器应用于多孔介质内火焰分布的检测,分析比较了不同燃气/空气流量、不同孔密度分布对燃烧特性的影响,验证了多孔介质内燃烧的优越性,同时证明了该型传感器应用于高温环境的参数检测是完全可行的.     

确定多孔介质流动参数的格子Boltzmann方法

本文采用D2Q9不可压缩Lattice-Boltzmann模型模拟了多孔介质中的流场,该模型从介观层次上描述了多孔介质孔隙中的流动特性,验证了Darcy定律,给出了一种计算渗透率的简便方法,本文还运用图像处理方法来构造多孔介质,该方法构造的二维多孔介质能较好地体现实际多孔介质的几何特征。     

三维颗粒有序列阵多孔介质湍流方程改进研究

本文首先对三维颗粒有序列阵孔隙单元内的湍流特性进行数值研究,并在此基础上采用体积平均方法对多孔介质宏观湍流方程进行改进。结果表明:三维颗粒有序列阵内的湍流特性与二维棒束模型存在较大差异,在相同雷诺数及孔隙率下,颗粒有序列阵多孔介质内由颗粒骨架导致的宏观湍动能及耗散率附加净产生项明显偏低;传统基于二维棒束模型得到的多孔介质宏观湍流模型(N-K模型)高估了湍流方程中k_∞/|V_D|~2和ε~∞H/|V_D|~3项的值,本文对此进行了修正和改进。