孔隙结构和角膜-液桥流对毛管压力曲线的影响规律研究

作     者：王冠雄 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡冉

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：孔隙介质 毛管压力曲线 微流体实验 孔隙网络数值模拟 孔隙结构 角膜-液桥流 

摘      要：无论是降雨入渗过程,还是堤坝渗流以及深部咸水层CO地质封存过程中,均存在孔隙介质的非饱和/水-气或水-CO多相渗流问题。毛管压力曲线(也称土水特征曲线)是模拟孔隙介质非饱和渗流或水-气多相渗流过程的关键本构关系,是预测多相渗流相对渗透率和介质抗剪强度的基础。孔隙结构和流动状态是影响毛管压力曲线的重要因素。本文以孔隙介质为研究对象,通过研发微流体可视化实验技术、发展孔隙网络数值模拟方法,系统研究孔隙结构与流动条件对毛管压力曲线的影响机制。主要研究成果如下:(1)研发了基于微流体的孔隙介质毛管压力曲线测定实验平台,发展了孔隙介质微流体试样制备技术研发了集微流体芯片制备、数据自动采集、压力精确控制和图像后处理为一体的孔隙介质多相渗流排水过程可视化实验平台,发展了基于紫外光刻蚀的任意孔隙结构微流体的快速(每小时8～10个芯片)制备方法,实现了准静态排水条件下多相流体界面演化的10微米级观测,进而实现了孔隙结构(孔隙率、粒径变异度)和流动状态(角膜-液桥流)等复杂条件下毛管压力曲线的高精度(0.01～6 kPa)、可重复测定。(2)发展了孔隙介质多相流孔隙网络数值模拟方法,通过微流体可视化实验结果验证了该方法的正确性与可靠性基于流体-流体界面失稳模式理论,建立了低饱和度条件下孔隙介质角膜-液桥流动状态发生的临界条件,进而将临界条件嵌入传统的孔隙网络模拟方法,发展了考虑角膜-液桥现象的孔隙介质排水过程孔网模拟方法,实现了低饱和度条件下饱和度、压力和流体分布的准确模拟。通过对比实验与数值模拟在不同孔隙结构和接触角条件下的流体分布和毛管压力曲线,验证了数值模拟方法的正确性与可靠性。(3)研究了孔隙结构对毛管压力曲线的影响,确定了毛管压力曲线与孔隙率、粒径变异度之间的相关关系通过微流体可视化实验和大规模孔隙网络数值模拟,研究了排水条件下不同孔隙率、不同粒径变异度对经典毛管压力曲线模型(van Genuchten模型)参数的影响,确定了模型参数与孔隙率/粒径变异度的回归关系。在此基础上,开展了基于Leverett J函数的毛管压力曲线缩放(scaling)研究,确定了一簇标准化的毛管压力曲线方程,进而提供了不同孔隙率与不同粒径变异度条件下毛管压力曲线的简易预测方法。(4)发现了孔隙介质排水过程中的角膜-液桥流现象,揭示了角膜-液桥流对毛管压力曲线的影响机制基于上述流体-流体界面的显微观测结果,发现了低饱和度条件下孔隙介质内存在角膜-液桥流现象,结合上述考虑角膜-液桥流的孔隙网络数值模拟方法,研究了不同孔隙率、粒径变异度、孔隙介质尺寸条件下角膜-液桥流对毛管压力曲线的影响。结果表明,角膜-液桥流的发生使得毛管压力曲线向低饱和度方向偏移,最终将显著降低了残余饱和度,残余饱和度的减小值与孔隙结构和介质尺寸密切相关,减小值最大达到0.19。