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。     

基于显微CT图像的岩芯孔隙分形特征

采用国内自主开发的高分辨率显微CT设备,对岩芯样本进行图像采集,运用数字图像分析方法获得图像中的岩芯孔隙目标,并以此为基础重建三维模型。然后基于分形理论,分别从二维图像和重建的三维模型角度计算孔隙的分形维数。最后,再采用基于多孔介质的分形模型对岩芯孔隙分形特征进行验证,得出岩芯的二维分形维数和三维分形维数之间的差值均值为1.000 3,最大偏差为0.004,很好地满足多孔介质分形模型中关于二维和三维分形维数的关系。     

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。     

气体动理学格式模拟多孔介质流动的可行性

将气体动理学格式（GKS）拓展到模拟多孔介质内的低速渗流,并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明：GKS具有二阶空间精度,能够较精确地计算多孔介质的渗透率;相比于单松弛格子玻尔兹曼方法,GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件,从而正确反映渗透率与黏性无关的特性;对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动,模拟结果与实验吻合较好,能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则,为研究多孔介质流动提供新的工具.     

基于岩石重构图像的核磁共振响应模拟

能够反映孔隙介质内部真实复杂结构的CT图像经常被用于模拟研究中并能取得较好的结果. 但是,在很多情况下缺少三维CT图像或者其分辨率受限,此时,更易于获取的二维薄片图像被用于构建三维的孔隙结构图像. 假定孔隙介质各向同性,基于二维图像,使用多点统计方法可以构建岩石的三维孔隙结构. 基于数字图像,采用随机游走方法模拟得到核磁共振响应,然后由模拟得到的回波串反演得到T₂分布. 研究表明,岩石重构图像中的模拟结果与CT图像中的模拟结果有较好的一致性. 基于数字图像的核磁共振响应模拟为分析不同孔隙结构的核磁共振响应提供了便利,同时,模拟结果也为验证孔隙结构的重构效果提供了依据.     

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.     

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。     

基于多尺度量纲统一原则的油藏孔隙分形输运特性研究

油藏孔隙分布具有分形特征,如何将分形描述方法应用到油藏多孔介质内流体的输运特性研究过程中,目前的研究方法存在一定局限,主要是没有考虑量纲统一原则和尺度效应等。本文基于量纲统一原则,利用分形描述方法,对油藏多孔介质内输运过程渗透率和渗流流量进行了推导,得到了输运特性参数的单位尺度转换系数,据此可以实现基于微观分形特征描述来分析宏观输运过程。本文建立的分形输运描述方程能够实现不同尺度层级间的转换,得到的宏观特性参数结果更接近实测值。基于本文所建模型,利用某油藏数据进行了分析验证,得到了输运流量及渗透率变化规律与实际油藏的分布规律吻合。     

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。     

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。     

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。     

各向异性渗流条件下弹性波的传播特征

研究了弹性波在非均匀裂纹孔隙介质中的传播特性,建立了各向异性喷射流模型.当弹性波通过裂纹孔隙介质时,由于波的扰动及裂纹和孔隙几何结构的不一致,导致在裂纹内部及裂纹与周边孔隙之间同时存在着流体压力梯度.此时的弹性波波动响应中包含着裂纹内连通性特征和背景孔隙渗透率信息.流体的动态流动过程使得介质的等效弹性参数为复数(非完全弹性),并且具有频率依赖性.当弹性波为低频和高频极限时,介质为完全弹性;当处于中间频段时,波有衰减和频率依赖.裂纹孔隙介质的各向异性连通性(渗透率)对应着各向异性特征频率(当渗流长度等于非均匀尺度时的弹性波频率),波的传播受到裂纹内连通性的影响.在一定频段内,随着裂纹厚度的增加,将出现第二峰值,峰值大小同时受到裂纹厚度和半径的影响.     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

远心同-离轴混合数字全息高分辨率重建方法

现存的同-离轴混合数字全息技术可同时解决同轴全息共轭像消除困难和离轴全息分辨率受限的问题,但需预测衍射距离,不仅复杂耗时,且精度有限;而远心成像技术可获得非衍射图像,无需预测衍射距离,并具有可消除球面像差和散焦像差等特性.因此,本文将远心成像技术引入同-离轴混合数字全息技术中,提出一种远心同-离轴混合数字全息高分辨率重建方法.该方法利用远心同-离轴混合数字全息系统,分别采集聚焦的离轴全息图和同轴全息图;进而将离轴全息图获得的低分辨率相位信息与同轴全息图获得的振幅信息相复合,作为迭代恢复过程的物光复振幅初始值,并分别在空域和频域进行约束迭代,实现高分辨率重建.实验结果表明,该方法无需衍射距离等先验信息,便可很好地消除共轭像和系统畸变的干扰,并可充分利用图像传感器的空间带宽积,实现物体的高分辨率重建.     

气管支气管树内气流和颗粒运动的大涡模拟

为更精确地描述真实人体呼吸道内的空气流动,明晰颗粒的运动沉积规律,本文从直接医学CT扫描得到的原始数据出发,利用图像辨识技术,重构了一个男性真人气管支气管树前三级的三维几何模型.采用大涡模拟的方法计算了非规则几何曲面结构内的气体流动现象,并在拉格朗日框架下跟踪颗粒的运动规律.数值计算得到了气流场的三维分布,以及颗粒的运动轨迹情况,结果表明现有基于Weibel的对称模型与真实人体的几何结构有较大的差异,而几何结构对流动影响较大;受非对称复杂结构影响,在不同截面的二次气流速度的分布规律不同;分叉后颗粒进入左右支气管的数量有明显的不同.     

硬化伪影的新型表现形式及其校正

X射线硬化是导致工业CT重建图像质量下降的物理原因之一。硬化伪影通常表现为两种形式,即杯状伪影和带状伪影。描述并证实了硬化伪影的一种新型表现形式,这种伪影与真实结构相关,且分布规则,容易造成伪影与真实结构的混淆。采用线性化校正方法对该伪影进行抑制,提高了重建图像质量,改善了通过CT重建图像进行几何测量的精度。     

多尺度波致流非饱和孔隙介质波传播理论研究

弹性波在非饱和孔隙介质中传播时,孔隙流体会发生宏观Biot流、微观喷射流以及由于孔隙流体不同(气、液双相)导致的介(中)观流.将非饱和孔隙介质等效为含液相孔隙流体的背景介质中嵌入含气相孔隙流体的包裹体,在非饱和双重孔隙介质模型基础上,引入微观喷射流,建立了包含宏观、微观和介观三种尺度波至流的非饱和孔隙介质波传播方程.数值分析表明该模型可以更好地预测更宽频带内的波速频散和衰减.     

致密多孔介质中气体渗流的格子Boltzmann模拟

为了能用格子Boltzmann方法来正确地刻画致密多孔介质中微尺度流动问题,对单通道模型进行推广,并将其应用于孔隙群里气体渗流的数值模拟.通过对部分具有代表性的多孔介质中的实际流动问题进行模拟,研究渗透率与平均压力和Knudsen数之间的相互关系.基于理论分析及相关文献中的试验结果,验证模拟结果,为用格子Boltzmann方法深入研究气体渗流问题奠定基础.     

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。     

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。