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.     

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。     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

角管脉动热管的结构和尺度效应研究

根据角管毛细管中液体的分布以及汽液同向流动的特点,计算分析了正三角形和等腰直角三角形两种截面脉动热管中几种因素对热管传热性能的影响.计算结果表明,在充液率为 30% 时,两种角管脉动热管的热阻均在 0.1℃/W 以下;在相同加热功率和充液率时,等腰直角三角形截面脉动热管的传热性能优于正三角形截面的;截面形状相同时,水力直径较大的热管热阻值低于水力直径较小的热管;热管热阻值随接触角增大而减小.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

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。     

直通道内两相流动的格子玻尔兹曼方法模拟

本文改进了多弛豫时间多组分伪势格子玻尔兹曼方法,使其可以适用于极大黏度比的情况.研究了二维直通道内的两相流动,分析了饱和度、黏度比、润湿性和毛细管数对相对渗透率和相渗曲线的影响.结果表明,大黏度相的相对渗透率随着黏度比的增大而增大,维持高流动能力的饱和度范围也随之扩大,小黏度相与之相反;黏性耦合效应对两相相对渗透率的影响存在极限,即不会导致小黏度相的相对渗透率低于最小值,也不会使大黏度相的相对渗透率高于最大值;非润湿条件会使大黏度相的流动能力增强,相对渗透率增加,并强化相渗曲线的非单调性;润湿条件会减弱大黏度相的流动能力,相对渗透率降低;毛细管数的增加会导致更明显的接触角滞后效应,使两相相对渗透率降低.     

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。     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

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.     

典型荷载条件下淤泥孔径分布特征核磁共振试验研究

模拟了淤泥地基加固工况对应的几种典型荷载效应,并利用核磁共振测试寻求典型荷载水平和速率下,淤泥孔隙及其孔径分布的变化规律,以探讨淤泥地基典型加固条件下微细观结构的三维响应.结果表明:在一定压力作用下,淤泥中最大孔隙数将会减少,应力水平越高,减少量越大,而当冲击荷载达到更高的某一水平时,淤泥中最大孔隙和最小孔隙所占比例均会减小,孔隙更趋于均匀;约束样品的侧限刚度将会增加淤泥土的总受力水平,进而更易减小大孔隙所占比例;当荷载水平680 kPa时,加载速率是决定相对最大孔隙占总孔隙数比例的关键因素,速率较小会使得该比例增大,速率较大则使得该比例减小,其界限值在0.8 MPa/s与1.6 MPa/s之间;一定的冲击荷载和速率水平下,随着作用次数即总能量的提高,淤泥中的相对大孔隙和最大孔隙部分会明显减少,而当间隔时间较短的作用次数再提高时,上述效应会降低;对于有效减少较大孔隙而言,淤泥受冲击的次数存在某个合适的量值.上述规律有助于从内部本质上寻求和掌握各种静动力排水固结法处理淤泥类软基的微观机理,为其科学设计及施工优化提供了进一步的依据.     

推进剂液体获取装置中多孔筛网的阻力特性研究

荷兰斜纹筛网是推进剂液体获取装置(LAD)中气液分离的核心部件,通过分析通道式表面张力液体获取装置内低温流体流过多孔筛网的过程,构建了三种不同目数筛网的数值计算模型。采用改变液体获取装置进出口压差的方式,研究了筛网在不同进口速度、不同低温流体情况下的阻力特性。结果表明,越靠近LAD出口管道处流体速度越大,压降越大,当进口速度u=0.022 m/s时,DTW 200×1 400筛网下方的流体压力较上方减小了23.4%～31.1%;编织密度越高的筛网,流动阻力越大,产生的压降越大;相同进口速度下,液氧的压降最大,液态甲烷次之,液氢最小,当进口速度u0.2 m/s时三种流体的压降数值差异较小,随着进口速度逐渐增大,三种流体的压降差距呈非线性增大;通过阻力系数和孔隙雷诺数的计算结果得出了适用于荷兰斜纹筛网的阻力系数关系式f=8.79/Re_p+0.39。     

不同边界条件下的渗吸驱动因素

建立不同边界条件下的渗吸数学模型, 分别研究在单一边界(OEO边界条件)和混合边界条件(TEO-OW边界条件)下重力和毛管压力对渗吸作用的驱动。结果表明: OEO边界条件下, 只存在逆向渗吸, 并且当开启端面在下端时, 重力抑制渗吸进行; 当开启端面在上端时, 重力促进渗吸进行; TEO-OW边界条件下, 同时存在逆向渗吸和同向渗吸, 对于逆向渗吸, 重力是阻力, 对于同向渗吸, 重力是动力, 当Bond数倒数较小时, 重力在渗吸作用中占主导地位, 当Bond数倒数较大时, 毛管力占主导地位。对比OEO开启端面在上端时和TEO-OW边界条件下重力和毛管力对渗吸作用的大小。结果显示, 在相同Bond数倒数下, OEO边界条件下重力作用的渗吸排油比例要高于TEO-OW边界条件下重力作用的渗吸排油比例。对比不同Bond数倒数下OEO和TEO-OW渗吸速度发现, 当Bond数倒数较小时, 重力起主导作用, OEO边界渗吸速度更快; 当Bond数倒数较大时, 毛管力起主导作用, TEO-OW边界条件渗吸速度更快。