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孔隙尺度下三维多孔介质扩散迂曲度的SPH计算

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岩土工程学报 2020年第5期42卷 961-967页

作者：饶登宇白冰北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

多孔介质的扩散迂曲度是污染物在多孔介质中扩散速率的重要量度,研究扩散迂曲度对于研究污染物在多孔介质中的运移规律具有重要意义。迂曲度作为反映孔隙结构的复杂程度的量化指标,其值的大小与孔隙结构关系密切;而在常规宏观试验中难... 详细信息

多孔介质的扩散迂曲度是污染物在多孔介质中扩散速率的重要量度,研究扩散迂曲度对于研究污染物在多孔介质中的运移规律具有重要意义。迂曲度作为反映孔隙结构的复杂程度的量化指标,其值的大小与孔隙结构关系密切;而在常规宏观试验中难以实现对孔隙结构和试验条件的精准控制,因此有必要发展数值仿真试验技术对扩散迂曲度与孔隙结构的关系进行机理性研究。基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对重构三维土柱进行仿真试验,再采用曲线拟合可获取介质的扩散迂曲度值并确定有效扩散系数。分别采用颗粒流法(PFC)和蒙特卡洛方法随机生成三维球型颗粒堆积土柱和不同倾角的三维片状型颗粒重构土柱用于仿真试验,并根据计算结果探讨了颗粒类型和片状颗粒片层倾角对多孔介质扩散迂曲度的影响。计算结果表明:对片层状多孔介质,片层与浓度梯度方向的夹角对介质的扩散迂曲度影响明显;扩散迂曲度随着片层偏角的增大而增大;当片层走向与浓度梯度方向一致时迂曲度甚至可能小于同孔隙率的球状颗粒堆积体的迂曲度值。

关键词：多孔介质孔隙尺度扩散迂曲度光滑粒子法有效扩散系数

孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合模拟研究

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孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合模拟研究

作者：巫辅宇江西理工大学

学位级别：硕士

离子型稀土浸出过程中,溶浸液通过矿体孔隙渗流,稀土离子被解吸并随之浸出。稀土离子的浸出与溶浸液渗流、离子交换及运移过程密切相关。本研究以龙南某离子型稀土矿山作为研究对象,基于矿柱核磁图像构建孔隙渗流通道二维几何结构。利用... 详细信息

离子型稀土浸出过程中,溶浸液通过矿体孔隙渗流,稀土离子被解吸并随之浸出。稀土离子的浸出与溶浸液渗流、离子交换及运移过程密切相关。本研究以龙南某离子型稀土矿山作为研究对象,基于矿柱核磁图像构建孔隙渗流通道二维几何结构。利用COMSOL Multiphysics软件建立孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合数值模型。研究不同注液强度和浓度的溶浸液渗流,稀土及铝离子的交换和运移过程。主要结论如下:(1)对取回矿样进行核磁共振扫描,将核磁共振图像进行矢量化处理得到孔隙二维几何模型。基于Navier-Stokes方程,考虑离子交换反应及稀物质传递耦合作用模拟计算孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移过程,并与室内试验数据对比,验证了NMRI模型的可靠性。NMRI模型与室内试验结果浸出稀土离子浓度曲线都具有五个阶段,浸出峰值浓度分别为:7.89 g/L、7.75 g/L。NMRI模型体现了离子型稀土矿孔隙分布的不均匀性,更能够反映浸矿过程中稀土离子的交换与运移过程。(2)对不同注液强度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。注液强度导致孔隙各处流场的变化,随着注液强度增大,孔隙各处流速整体增大,促进对流为主的离子运移。离子扩散浓度差提高,促使交换反应正向进行,同时抑制稀土离子的反吸附。虽然注液强度增大使稀土离子更早浸出矿体,缩短浸矿周期加快浸矿过程,但导致浸出稀土离子峰值浓度降低。试验结果表明:将注液强度控制在0.50 m L/min至1.00 m L/min之间更加符合工程经济性。(3)对不同浓度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。溶浸液浓度对孔隙内整体流场所产生的影响不显著。镁离子浓度提高,加快离子正向交换速率,并且浸出稀土离子浓度梯度越大,分子扩散作用越显著,离子运移速率略有提升,加快稀土、铝离子的浸出效率。高浓度溶浸液虽然有助于稀土离子的浸出,但当矿体内稀土离子基本浸出后,稀土与铝离子之间的交换竞争矛盾削弱,铝离子有更好的交换条件,增大杂质(铝离子)浸出总量,增加后续除杂过程的复杂性。试验结果表明:将溶浸液浓度控制在0.12 mol/L至0.24 mol/L之间更加符合工程经济性。

关键词：离子型稀土核磁共振孔隙尺度多场耦合离子交换与运移

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

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水科学进展 2020年第3期31卷 422-432页

作者：周鸿翔郑延丰吴劳生陈铖曾令藻中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 Department of Mining and Minerals Engineering Virginia TechBlacksburgVA 24061USA 浙江大学环境与资源学院浙江杭州310058 浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 Department of Environmental Sciences University of CaliforniaRiversideCA 92521USA

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情... 详细信息

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。

关键词：孔隙尺度格子Boltzmann法流体流动溶质运移

不同孔-缝-洞组合碳酸盐岩储层气水两相孔隙尺度流动模拟

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西南石油大学学报:自然科学版 2023年第5期45卷 88-96页

作者：张涛孙天礼陈伟华朱国汪旭东油气藏地质与开发全国重点实验室·西南石油大学四川成都610500 中国石化西南油气分公司四川阆中637400 中国石油西南油气田公司工程技术研究院四川成都610017

碳酸盐岩储层孔缝洞组合类型多样,从孔隙尺度刻画和认识气水两相在不同类型储层中的流动规律具有重要的科学意义。建立了适用于深层碳酸盐岩储层气水两相流动的多松弛颜色梯度格子玻尔兹曼模型(LBM),实现了气水两相在多孔介质中的可视... 详细信息

碳酸盐岩储层孔缝洞组合类型多样,从孔隙尺度刻画和认识气水两相在不同类型储层中的流动规律具有重要的科学意义。建立了适用于深层碳酸盐岩储层气水两相流动的多松弛颜色梯度格子玻尔兹曼模型(LBM),实现了气水两相在多孔介质中的可视化模拟,揭示了成藏过程(气驱水)和水侵过程(水驱气)不同孔缝洞组合流动通道中的气水两相动态流动行为。研究表明,碳酸盐岩气藏成藏过程中主要存在的残余水类型有盲端孔隙水、洞穴边部残余水、水膜水、“H型”残余水和网状残余水;水侵过程中,主要存在的封闭气类型有盲端孔隙封闭气、变径卡断气、绕流封闭气、“H型”封闭气和网状封闭气;由于洞穴体积较大,成藏和水侵过程中缝洞型储层残余水饱和度和封闭气饱和度均最大;裂缝型和缝洞型储层的气相渗流能力随含水饱和度变化波动明显,呈非线性变化规律。研究成果可为深层碳酸盐岩气藏微观渗流、水侵动态预测等提供理论支撑。

关键词：碳酸盐岩气藏格子玻尔兹曼法气水两相流孔缝洞组合孔隙尺度

三维多孔吸液芯毛细特性孔隙尺度格子Boltzmann模拟

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工程热物理学报 2022年第3期43卷 758-762页

作者：李健郑雯瀚洪芳军上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

通过改进后的QSGS方法构造了三维复杂多孔吸液芯结构,采用格子Boltzmann方法和GPU并行算法,数值模拟了孔隙尺度下多孔吸液芯毛细抽吸两相传输动态特性,并探讨了表面润湿性和孔隙率对两相界面分布和毛细性能的影响。研究结果表明,对于三... 详细信息

通过改进后的QSGS方法构造了三维复杂多孔吸液芯结构,采用格子Boltzmann方法和GPU并行算法,数值模拟了孔隙尺度下多孔吸液芯毛细抽吸两相传输动态特性,并探讨了表面润湿性和孔隙率对两相界面分布和毛细性能的影响。研究结果表明,对于三维复杂结构多孔吸液芯,毛细抽吸过程中两相界面不规则性、分布不均匀性程度较大,孔尺度效应显著。在一定范围内,随着多孔表面润湿性的增强,吸液芯孔隙率的降低,毛细作用相应增强,吸液芯内液体抽吸速率增加,最大吸液量逐步增大,毛细性能也随之提高。

关键词：多孔吸液芯两相流毛细抽吸格子Boltzmann 孔隙尺度

基于水平集方法的页岩孔隙尺度微观自发渗吸模拟研究

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油气地质与采收率 2024年第1期 63-71页

作者：韩啸宋兆杰李培宇邓森宋宜磊张云飞曹长霄杨志成吴嘉鹏中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院中海石油有限公司天津分公司中国石油集团测井有限公司国际公司

为阐明压裂液在页岩复杂孔隙空间自发渗吸的内在机制及主控因素，利用扫描电镜技术对目标页岩油区块的岩心孔隙结构进行精细表征，进一步构建该岩心孔隙尺度的微观数值模型。在此基础上，开展裂缝-基质系统自发渗吸研究，利用Navier-Sto... 详细信息

为阐明压裂液在页岩复杂孔隙空间自发渗吸的内在机制及主控因素，利用扫描电镜技术对目标页岩油区块的岩心孔隙结构进行精细表征，进一步构建该岩心孔隙尺度的微观数值模型。在此基础上，开展裂缝-基质系统自发渗吸研究，利用Navier-Stokes(N-S)方程与水平集方法相耦合追踪油水界面，从而明确油水两相流动特征，评价润湿性、油水黏度比和界面张力影响下的自发渗吸效率。研究结果表明：页岩中相互沟通的大、小孔隙，在毛细管力作用下形成了复杂的微观驱替单元。岩石润湿性为水湿时，水相优先从裂缝进入小孔隙，将大孔隙中油相驱出至裂缝，且基质孔隙内的原油动用范围较大，自发渗吸效率较高。随着岩石润湿性变为油湿，自发渗吸过程中小孔隙内原油无法动用，水相从大孔隙进入，将原油从其他大孔隙内驱出，自发渗吸效率较低，基质孔隙内的原油动用范围较小。自发渗吸初期的渗吸速率较快，随着渗吸时间延长逐渐变缓。页岩水湿性越强、油水黏度比越小、油水界面张力越大，则自发渗吸基质孔隙原油的动用范围越大，累积自发渗吸效率可超过15%。

关键词：页岩储层水平集方法孔隙尺度自发渗吸油水两相流渗吸效率

不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散的孔隙尺度模拟研究

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地学前缘 2023年

作者：侯玉松胡晓农吴吉春南京大学地球科学与工程学院济南大学水利与环境学院

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制，提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明：当胶结度增大时，溶质横向弥散程度有所增强，... 详细信息

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制，提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明：当胶结度增大时，溶质横向弥散程度有所增强，但与纵向弥散相比增强幅度较小，且在模拟的胶结度范围内横向弥散未展现显著的尺度效应。其次，研究发现多孔介质中横向弥散系数DT与纵向弥散系数DL间的差异程度不是固定不变的，而是随着溶质运移距离逐渐增大最终达到稳态的过程。并且DL/DT的渐进值及达到渐进值所需时间均受胶结度的影响。因此，将DT视为比DL小一个数量级的值与溶质实际弥散行为存在较大偏差。同时，通过对比不同介质中流体流速横向、纵向分量概率密度及溶质对流速率概率密度的差异，揭示了以上溶质横向弥散特征变化及其与纵向弥散特征变化不同的内在机制。

关键词：横向弥散多孔介质胶结度孔隙尺度数值模拟

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孔隙尺度SOFC阳极传质过程

太阳能学报 2013年第8期34卷 1471-1476页

作者：徐晗党政白博峰西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 西安交通大学建筑环境与设备工程系西安710049

通过处理SOFC阳极电镜扫描图片建立包含SOFC阳极真实结构信息的几何模型,采用孔隙尺度基于两流体理论的多组分LB方法在SOFC阳极几何模型的基础上模拟SOFC阳极内部的多组分气体传质过程,计算各组分的物质的量分数分布与电极的浓差极化,... 详细信息

通过处理SOFC阳极电镜扫描图片建立包含SOFC阳极真实结构信息的几何模型,采用孔隙尺度基于两流体理论的多组分LB方法在SOFC阳极几何模型的基础上模拟SOFC阳极内部的多组分气体传质过程,计算各组分的物质的量分数分布与电极的浓差极化,研究多孔阳极微结构的各向异性所导致的传质过程的非线性变化,分析微结构形貌与浓差极化之间的定量关系。相比于常规SOFC电极传质模型需通过孔隙率与迂曲度等参数对扩散系数进行经验修正,该模型可不依赖于任何经验参数模拟真实电极内部的传递过程,从而为电极微结构优化提供科学理论根据。

关键词：格子Boltzmann方法孔隙尺度 SOFC阳极传质

不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散的孔隙尺度模拟研究

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地学前缘 2024年第3期31卷 59-67页

作者：侯玉松胡晓农吴吉春济南大学水利与环境学院山东济南250022 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制、提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明:当胶结度增大时,溶质横向弥散程度有所增强,但... 详细信息

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制、提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明:当胶结度增大时,溶质横向弥散程度有所增强,但与纵向弥散相比增强幅度较小,且在模拟的胶结度范围内横向弥散未展现显著的尺度效应。研究还发现多孔介质中横向弥散系数D_(T)与纵向弥散系数D_(L)间的差异程度不是固定不变的,而是随着溶质运移距离逐渐增大最终达到稳态的过程,并且D_(L)/D_(T)的渐进值及达到渐进值所需时间均受胶结度的影响。因此,将D_(T)视为比D_(L)小一个数量级的值与溶质实际弥散行为存在较大偏差。同时,通过对比不同介质中流体流速横向、纵向分量概率密度及溶质对流速率概率密度的差异,揭示了以上溶质横向弥散特征变化及其与纵向弥散特征变化不同的内在机制。

关键词：横向弥散多孔介质胶结度孔隙尺度数值模拟