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岩石力学与工程学报 2019年第S2期38卷 3783-3789页

作者：王盟浩熊友明刘理明彭庚张政西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室四川成都610500

地下流体在一定温度压力条件下,会呈现剪切稀释性。剪切稀释性影响流体黏度场,从而改变流体被驱替时的特征。使用植入幂律流变模型的格子Boltzmann两相流模型,编写计算程序,模拟牛顿流体在非均质多孔介质中驱替剪切稀释流的过程。使用... 详细信息

地下流体在一定温度压力条件下,会呈现剪切稀释性。剪切稀释性影响流体黏度场,从而改变流体被驱替时的特征。使用植入幂律流变模型的格子Boltzmann两相流模型,编写计算程序,模拟牛顿流体在非均质多孔介质中驱替剪切稀释流的过程。使用非牛顿泊肃叶流验证了数值模型,并从界面推进、驱替效率、速度场、黏度场等方面研究非均质多孔介质中被驱替液的剪切稀释性对驱替过程的影响。模拟结果显示:被驱替液剪切稀释性的增强造成驱替界面推进的加快和驱替效率的提升,使驱替液更能深入驱替非均质多孔介质中残余的被驱替液。该现象的机制为:被驱替液剪切稀释性的增强造成了指进路径上的黏度降低,而非指进区域的黏度升高;驱替过程由指进路径上高流动区域的黏度所主导,因此增强被驱替液剪切稀释性的效果类似于降低黏度,从而提升驱替效率。研究揭示了流体剪切稀释性对多孔介质中驱替过程的影响,对涉及地下非牛顿流体驱替过程的产业具有指导性。

关键词：土力学非均质多孔介质非混相驱替剪切稀释流格子Boltzmann方法

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非均质多孔介质中LNAPL污染过程的高密度电阻率成像法监测

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地球物理学进展 2014年第5期29卷 2401-2406页

作者：刘汉乐张闪桂林理工大学环境科学与工程学院桂林541004 桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心桂林541004

为了全面准确的监测轻非水相液体(LNAPL)在非均质多孔介质中的入渗过程,本文通过室内试验模拟了LNAPL污染物在三维非均质砂槽中的运移,并采用高密度电阻率成像法获得电阻率值随时间的变化过程图.试验结果表明,通过三维电阻率值随时间的... 详细信息

为了全面准确的监测轻非水相液体(LNAPL)在非均质多孔介质中的入渗过程,本文通过室内试验模拟了LNAPL污染物在三维非均质砂槽中的运移,并采用高密度电阻率成像法获得电阻率值随时间的变化过程图.试验结果表明,通过三维电阻率值随时间的变化过程图清晰地反映了LNAPL在非均质多孔介质中的运移过程.在水平方向上,LNAPL污染的中心区域近似为圆形,随着LNAPL的注入量不断增加,被污染区域的范围不断增大,中心区域的电阻率值也不断增大.在垂直方向上,起初的污染区域近似为半圆形,当LNAPL接近介质的突变面时,污染区域的形状从半圆形变为了半椭圆形,即LNAPL的横向运移速度大于纵向运移速度,这种现象说明了位于砂槽中间的细砂透镜体对LNAPL的纵向运移起了阻滞作用,同时使其横向运移速度增大.通过高密度电阻率成像法得到的非均质电阻率值变化图可知,采用高密度电阻率成像法对非均质多孔介质中轻非水相液体的运移进行三维的、动态的监测是可行和有效的.

关键词：轻非水相液体非均质多孔介质污染过程高密度电阻率成像法

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求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅰ.数值格式

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水利学报 2009年第2期39卷 38-45,51页

作者：贺新光任理湖南师范大学资源与环境科学学院湖南长沙410081 中国农业大学资源与环境学院北京100094

为了有效地模拟跨越多个尺度的非均质多孔介质中的非饱和水流问题,本文提出一种自适应多尺度有限元方法。该方法能在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有非均质系数的非饱和水流方程的粗尺度解。其基本思路是使用修改的皮卡迭代格式... 详细信息

为了有效地模拟跨越多个尺度的非均质多孔介质中的非饱和水流问题,本文提出一种自适应多尺度有限元方法。该方法能在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有非均质系数的非饱和水流方程的粗尺度解。其基本思路是使用修改的皮卡迭代格式来处理方程中的非线性性和构造一种自适应多尺度基函数来捕捉方程系数中的时空变异性。本文详细地描述了构造这一方法的原理并且给出了一种相应的算法。

关键词：非均质多孔介质非饱和水流理查德方程多尺度有限元方法自适应多尺度基函数

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非均质多孔介质中水流问题的多尺度数值模拟

非均质多孔介质中水流问题的多尺度数值模拟

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作者：贺新光中国农业大学

学位级别：博士

对大空间尺度和长时间跨度的地下水流动态进行预测在科学与工程的许多领域都是十分重要的。这些领域包括土壤科学、地下水文学、环境科学与工程等。然而，自然多孔介质的大多数地学特性在多重长度的尺度上呈现高度的空间变异性。例如：... 详细信息

对大空间尺度和长时间跨度的地下水流动态进行预测在科学与工程的许多领域都是十分重要的。这些领域包括土壤科学、地下水文学、环境科学与工程等。然而，自然多孔介质的大多数地学特性在多重长度的尺度上呈现高度的空间变异性。例如：在非饱和带土壤中或在同一含水层系统内水力传导度的变化达几个数量级是十分典型的。当一个标准的数值方法(例如：有限元或有限差分方法)被用来求解跨越多个尺度的非均质多孔介质中的水流问题时，为获得有意义的解而通常需要对介质的小尺度信息进行必要的分辨，从而导致合成的离散系统的自由度可能相当的大。结果，需要巨大的计算机内存和冗长的计算时间，从而使得采用标准的数值方法来模拟非均质多孔介质中的水流变得十分困难。为了有效地模拟具有多尺度特性的饱和、非饱和非均质多孔介质中的大尺度水流，本论文提出了三种多尺度方法，并通过一些具有一定实际背景的数值算例，对所构造的多尺度算法的有效性和精确性进行了检验。这些问题的主要特点是介质的水力参数在空间呈现高度的变异性。这些方法的共同目标是要在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有高度非均质系数的水流方程的大尺度解。这些方法的共同思想是在每一个粗单元里求解简化的局部椭圆问题，构造携带了小尺度水力特性的多尺度有限元基函数，然后通过这些多尺度基函数和一个全局公式而把介质的小尺度特性带到大尺度上。这样，解的大尺度结构就可以有效地被抓住。本文第一章简要地阐述了本学位论文的研究目的和意义，详细地回顾了有关多尺度非均质多孔介质中流动问题的尺度提升和多尺度方法方面的研究成果，重点综述了有关非均质介质中大尺度流动的多尺度模拟方面的研究文献，并在此基础上确定了本文的研究目标、主要研究内容和研究方法。一种为求解具有多尺度特性的非均质多孔介质中饱和水流问题的多尺度数值方法，有限体积多尺度有限元方法(Finitevolumemultiscalefiniteelementmethod，FVMSFEM)在第二章被提出。方法基于有限体积离散和多尺度基函数之间的一种有效耦合。它无需分辨所有的小尺度信息就能在粗尺度网格上有效地抓住解的大尺度结构，而且是局部守恒的。FVMSFEM的基本思想是利用多尺度基函数来估计穿过控制体界面的宏观通量，而这些宏观通量携带介质的局部小尺度特性到大尺度上。针对非均质多孔介质中的非稳定饱和水流问题，我们描述了构造这一方法的策略并给出了一种相应的算法。FVMSFEM包括两个主要的部分：(1)在粗尺度网格上关于宏观尺度变量的一个总的宏观格式;(2)从微观模型中估计缺失的宏观数据。通过对宏观格式中系数的估计而把介质特性的小尺度信息揉进了大尺度。这些系数仅仅被计算一次，而且将被用到后续的计算中。这样，在计算内存和计算时间方面，该方法都提供了巨大的节省。为了表明所提出的方法的有效性与精确性，对水力传导度在空间的变化服从对数正态分布的稳定和非稳定的饱和水流问题进行了数值试验。结果表明：对于具有不同相关结构和空间变异性的水力传导度场，FVMSFEM解与在细尺度网格上通过标准的数值方法获得的细尺度解之间具有很好的一致性。此外，对于非稳定水流问题的数值算例，用一台IBMPC机，可以在43个CPU秒钟内，获得在时刻t=6000分钟的FVMSFEM解(取时间步长△t=5min)。对于1200个时间步，粗网格模型(20×20)所需的CPU时间仅仅是细网格模型(360×360)的0.5％。在实际计算中，粗网格模型也许要使用更多的时间步数，这将进一步减少计算花费。为了求解非均质系数被定义在细尺度上的井驱动的饱和水流问题，第三章提出了一种修改的多尺度有限元方法(Modifiedmultiscalefiniteelementmethod，modifiedMSFEM)。方法的基本思想是使用服从于一般边界条件的局部井驱动的水流问题的细尺度解来确定井附近区域的多尺度基函数的边界条件。井附近区域的基函数通过使用这些边界条件而构造。结果，这样构造的基函数不仅适应于水力参数的局部特征而且也适应于井附近压力场的局部变化。基于标准的MSFEM的框架，我们详细地描述了修改的MSFEM的原理和数值步骤。在标准的MSFEM和修改的MSFEM之间的唯一区别在于确定井附近区域的多尺度基函数的边界条件。为了表明所提出方法的有效性与精确性，针对水力传导度在空间上服从对数正态分布的水流问题进行了数值试验，在所设计的数值算例中我们既考虑了井驱动的稳定流问题，也考虑了井驱动的非稳定流问题。数值结果表明：对于井驱动的地下水流，相对于参考的细尺度结果，修改的多尺度有限元方法比标准的多尺度有限元方法提供了更精确的粗尺度模拟。获得大尺度非均质多孔介质中非饱和水流的数值解是困难的，这不仅是因为用以刻画自然多孔介质的相关物理特性的参数在空间

关键词：非均质多孔介质水流问题有限元多尺度基函数数值模拟

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非均质多孔介质中DNAPL污染过程室内模拟研究

非均质多孔介质中DNAPL污染过程室内模拟研究

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作者：黄英俊桂林理工大学

学位级别：硕士

石油化工及其相关产业以及交通运输业在近些年来迅猛发展,而随之也产生了越来越严重的污染。微溶于水的石油类污染物,在研究中我们将其称之为非水相液体(英文名为Non-Aqueous Phase Liquids,简称NAPL)。重非水相液体(英文名为Dense Non-... 详细信息

石油化工及其相关产业以及交通运输业在近些年来迅猛发展,而随之也产生了越来越严重的污染。微溶于水的石油类污染物,在研究中我们将其称之为非水相液体(英文名为Non-Aqueous Phase Liquids,简称NAPL)。重非水相液体(英文名为Dense Non-Aqueous Phase Liquids,简称为DNAPL)指的是非水相液体中密度比水大的部分。在使用或者运输过程中,如果发生泄漏,将会对地下水和土壤产生污染,以至于危害到人类的生存环境。因此,对DNAPL的运移与分布特性、监测方法和治理方法等方面的研究已经成为了研究地下水环境领域的前沿课题。本文通过室内建立二维砂槽模拟实验,实验装置尺寸为长为80cm,宽为3cm,高为60cm,砂槽由上至下,采用粒径分别为0.16-0.315mm的细砂,0.315-0.45mm的中砂,0.45-0.9mm的粗砂,0.9-4mm的砾石,大于4mm的卵砾石。利用数码照相机拍摄DNAPL污染物在层状多孔介质中的入渗迁移的过程,研究多孔介质界面对DNAPL污染物迁移过程的影响。观察DNAPL在层状多孔介质中非饱和状态下的迁移特点和规律,以及在饱和状态下残留的DNAPL迁移的特征,绘制非饱和状态下的DNAPL迁移过程的锋面变化曲线,再结合图像分析法,探讨多孔介质界面对DNAPL迁移过程的影响。非饱和状态下DNAPL的入渗实验,污染物注入速度为2.08ml/min,共注入500ml。结果表明:DNAPL入渗过程中,主要受到重力作用,由于砂槽内由上至下,每层介质粒径逐渐减小,从而导致下层的介质中的孔隙大于上层介质的孔隙,因此DNAPL向下迁移速度越来越快,在多孔介质界面处DNAPL的迁移主要表现为横向扩散。饱和状态下残留的DNAPL污染物迁移实验,注水速度为0.83ml/s,注水时间为120min,共注入1.44*10～4 ml水,结果表明:注入水后,随着水位的上升,DNAPL污染物逐渐渗入层状多孔介质中,原本用苏丹红染色的DNAPL污染物颜色随之变淡,污染范围随之扩大,砂槽表面残留部分红色絮状物,粒径小的细砂介质中残留的红色絮状物比粒径大的中砂、粗砂等介质多。本文研究采用高密度电阻率法,通过在室内建立二维砂槽模型,对重非水相液体污染物在非均质多孔介质中的运移和分布进行入渗模拟实验,观察重非水相液体污染物的入渗和分布,同时使用高密度电阻仪采集入渗实验过程中砂槽各点的数据,将所采集的同一时刻的数据导入surfer软件,绘制出实验过程中各个时刻的电阻率分布图,再对各个时刻的电阻率分布图进行分析讨论,探讨重非水相液体污染物在非均质多孔介质中运移过程中电阻率的变化特点,从而得出污染物的运移和分布特征。实验在水位稳定的条件下进行,以2mL/min的速度注入500mL被苏丹红染红的重非水相液体污染物,污染物在层状非均质多孔介质中入渗实验的结果表明:重非水相液体污染物,在入渗过程中不仅受到重力作用还有受到毛细力作用的影响,同时出现低阻异常现象,电阻率值在2～200Ω·m之间,污染物入渗量越大,浓度越大时电阻率值越小。污染物在入渗过程中以垂向运移为主,并且会在垂向上形成运移通道,污染物由运移通道运移至砂槽底部并聚积在砂槽底部。通过砂槽空间上重非水相液体污染物入渗实验过程中的电阻率分布图可知,电阻率值变化的大小与重非水相液体污染物的运移过程及分布范围相关,而且所得的电阻率分布图能够清楚的显示出砂槽中各区域的污染物的变化,从而能够明确污染物污染的范围和污染的程度。

关键词：重非水相液体电阻率成像法图像法非均质多孔介质运移和分布特性

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非均质多孔介质的逾渗—渗流特征

非均质多孔介质的逾渗—渗流特征

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作者：王江芳太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,逾渗理论及其应用研究比较活跃,逾渗理论在各个领域的应用也取得了可观的成就,但在以往的研究及文献中,只是针对均质孔隙介质进行的逾渗理论方面的研究,几乎没有文献对非均质多孔介质的逾渗规律和渗流特征进行阐述或研究。以往... 详细信息

近年来,逾渗理论及其应用研究比较活跃,逾渗理论在各个领域的应用也取得了可观的成就,但在以往的研究及文献中,只是针对均质孔隙介质进行的逾渗理论方面的研究,几乎没有文献对非均质多孔介质的逾渗规律和渗流特征进行阐述或研究。以往文献中所研究的非均质材料是指材料的细观组成或微观组成颗粒在某种力学或结构参数上的差异,如渗透系数、强度等；而本文中提到的非均质多孔介质是指材料的孔隙在空间上分布的非均匀性。按材料组成可分为多孔隙颗粒和致密颗粒。由于致密颗粒的大小与数量服从分形规律,可以按照塞尔宾斯基地毯结构,构建非均质多孔介质模型,以煤为例,多孔隙颗粒表示煤粒,而致密颗粒为不同于煤质本身的其它杂质。本文提到的均质多孔介质是指材料的孔隙在空间分布上是均匀的。所以本文主要从非均质多孔介质角度进行研究,对了解真实煤岩体的逾渗规律和渗流特征,具有重大的现实意义。本文首先介绍了逾渗理论的研究发展概况,阐述了逾渗理论在渗流方面的应用,并进行了以下几方面的研究工作：利用μCT225KV FCB型高精度显微CT实验机分别对油页岩、细砂岩、中砂岩、阳泉无烟煤和煤样进行CT扫描实验,分析各种煤岩样的结构特征,本文从中选择了油页岩、中砂岩和煤样这三种具有不同结构特征的煤岩样作为研究对象,基于扫描所得的CT图片,利用课题组开发的CT图像分析程序,分别建立了各种煤岩样的CT图像三维重建数字模型。在二维、三维均质多孔介质逾渗模型的基础上,本文重点对非均质多孔介质的逾渗规律及孔隙连通团的结构分布特征进行了研究,得出的结论主要有：(1)均质多孔介质均在其逾渗阈值处孔隙团的大小与数量服从分形规律。地毯模型也在其逾渗阈值处孔隙团的大小与数量服从分形规律,但其逾渗阈值小于均质多孔介质的。而非均质多孔介质孔隙团分布服从分形规律时的孔隙率并不等于其逾渗阈值；由于二维情况孔隙团的分布受非均质随机性的影响较大,三维的孔隙团大小与团数量在双对数坐标中呈线性关系时的拟合相关系数均大于二维的。(2)比较均质多孔介质、塞尔宾斯基地毯模型和非均质多孔介质的孔隙团的分布曲线可以看出,不论是二维还是三维的情况,非均质多孔介质在孔隙团很小时曲线呈现出向上凸的趋势,说明非均质多孔介质中小团的数量较少。(3)分别比较油页岩、中砂岩及煤样的孔隙团大小与团数量的分布曲线,可以得出：1)二维情况下,油页岩和中砂岩的分布曲线在其服从幂律关系前后分别呈现出向上凸和向下凹的趋势,而煤样的分布曲线在其服从幂律关系前并没有向上凸的趋势。2)三维情况下,煤样和油页岩、中砂岩在不同孔隙率下孔隙团的分布曲线趋势是相同的,均呈现出不同的凹凸趋势且在团很小的情况下会向上凸,但其团大小与团数量间服从分形规律时的孔隙率明显小于油页岩和中砂岩的,大概在0.25%处,和其发生逾渗转变的逾渗阈值7.75%相差甚远。(4)二维、三维均质及非均质多孔介质的连通团数量都随孔隙率的增加先增多后减少,且二维和三维非均质多孔介质的连通团数量达到最大值时的孔隙率均小于相应均质多孔介质的。本文引入了渗流临界孔隙率的概念,分别研究了二维均质及非均质多孔介质的渗流特征,得出的结论为：(1)当二维均质多孔介质的孔隙率小于30%时,流体的渗流区域很小,即使压力较大,流体也基本不发生渗流；当孔隙率介于30%和40%之间时,流体的渗流区域缓慢增大；当孔隙率大于40%,流体的渗流面积迅速扩大。(2)在200mm×200mm网格中心选取了9个节点设定1m3/s的流量,并观察以时间步长为2000分钟计算10次后的渗流情况,统计分析其曲线与图形,得到二维均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为45%。建立边长为200mm的正方体,将其划分成2003个等大小的子网格,在立方体网格的中心节点设定1 m3/s的流量,观察以时间步长为4000分钟计算5次后的渗流情况研究并分析其曲线与图形,得到三维均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为18%。(3)二维均质多孔介质模型与均质实体模型(每个方向的渗透系数是一样的)的渗流情况是一样的,其渗流图形y方向与x方向的最大尺度的比值均在1附近上下波动；而非均质多孔介质渗流图形y方向与x方向的最大尺度的比值根据各煤岩样的结构特征呈现不同的变化趋势。(4)二维均质多孔介质的渗流区域与渗流时间的关系曲线服从对数关系；三维均质多孔介质的渗流区域与渗流时间的关系曲线服从幂律关系。而二维、三维的地毯模型和非均质多孔介质的渗流区域面积与渗流时间曲线均服从幂律关系。(5)分别构建243个单位大小的二维均质多孔介质、规则地毯及随机地毯模型,选取网格中心的9个节点注入1 m3/s的流量,并以时间步长为50分钟计算100次后的渗流情况,统计分析其曲线及参数,得出的结论为：1)均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为45%,而规则和随机地毯模型的

关键词：非均质多孔介质显微CT 逾渗渗流

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非均质多孔介质内微气泡熟化过程可视化测试及生长特性研究

非均质多孔介质内微气泡熟化过程可视化测试及生长特性研究

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作者：王广鑫中国计量大学

学位级别：硕士

多孔介质内气泡间由于毛细力的差别,会产生相互传质的Ostwald熟化现象。气泡在多孔介质内的Ostwald熟化效应广泛存在于能源、化工、生化及环境保护等领域中,最典型的就是CO2地质储存过程中的热力学不稳定问题。目前多孔介质内气泡熟化... 详细信息

多孔介质内气泡间由于毛细力的差别,会产生相互传质的Ostwald熟化现象。气泡在多孔介质内的Ostwald熟化效应广泛存在于能源、化工、生化及环境保护等领域中,最典型的就是CO2地质储存过程中的热力学不稳定问题。目前多孔介质内气泡熟化过程的研究主要考虑均质情况,多孔介质的非均匀性因素并未系统考虑。本文采用微流控芯片技术制备两孔、四孔及多孔形态的非均质多孔介质,对微气泡的熟化过程进行可视化测试,并与空腔形态的自由流体空间内气泡演变过程作对照,分析气体成分为空气及CO2时,多孔介质非均质因素对微气泡熟化过程的影响规律。最后,建立多孔介质微气泡熟化过程计算模型,对空腔、两孔、四孔介质内的气泡熟化过程进行了计算。本文拟从孔隙尺度分析微气泡熟化规律,得到的相关结论能为连续介质尺度的研究提供依据。主要结论如下:（1）在空腔形态中的微气泡熟化过程测试结果发现双气泡熟化系统会发生标准的Ostwald熟化现象;另外发现熟化系统中存在三个相邻不同尺寸的气泡时,出现中间尺度气泡呈传输媒介而保持尺寸不变现象。后续通过模拟计算对此现象进行了分析,发现若中间气泡曲率半径为两侧气泡的平均值时,该气泡前5 h曲率半径仅增长0.4%,而小气泡和大气泡曲率半径分别减小11.75%和增长2.83%。（2）双孔结构实验发现,相较空腔形态,多孔介质喉道的存在显著延长熟化时间,后续模拟也证实这一结论。在非均质四孔结构中,气泡熟化速度与喉道的横截面大小呈正相关;气泡的熟化过程受到孔隙及喉道的几何限制,导致初始曲率半径最大的气泡在熟化过程中出现先增大后减小的现象。（3）在多孔结构中分别进行了空气及CO2气泡熟化实验,结果显示小孔隙区域中两种气泡在0至24 h里,高孔隙占有率（气泡面积占孔隙面积的75%～100%）的气泡数量均获得增长,其中空气气泡增长了35.71%,CO2气泡增长100%。这表明小孔隙区域的微气泡除传质给大孔隙区域的气泡外,小孔隙区域气泡自身也在发生缓慢熟化。这对气泡在连续介质尺度的研究具有重要指导意义。目前主流研究在模拟连续介质尺度气泡熟化时,认为在每个表征体元内的熟化是瞬间平衡的,即只考虑表征体元间的熟化,不考虑自身的熟化过程。到多孔结构实验末期,两种气体小孔隙区域气泡逐渐消失,而大孔隙区域中高孔隙占有率的气泡数量在不断升高,而其他孔隙占有率气泡数量则在不断降低。这表明在非均质多孔介质中,随着熟化过程的进行,最终只有在大孔隙区域才会有气泡残留。这与均质多孔介质中气泡分布不同,后者的研究表明不同尺寸的气泡在均质多孔介质内随着熟化过程的进行各气泡尺寸会趋于均匀。（4）本文通过对拉普拉斯方程、亨利定律和菲克定律进行耦合得到气泡曲率半径随时间变化关系,建立了多孔介质微气泡熟化过程计算模型。以此对自由流体空间中双气泡熟化系统、非均质双孔隙及四孔隙结构熟化系统进行模拟,并与实验数据进行对比,发现曲率半径变化曲线吻合较好,两者平均误差为6.38%。此误差是由于计算模型为理想条件,忽略了微流控芯片内表面的粗糙度,认为气泡始终为标准圆柱形气泡,且假设气泡始终位于其所在孔隙的中心。（5）采用上述模型,通过改变喉道宽度、气泡位置、气泡气体成分及初始曲率半径对微气泡在空腔、两孔、四孔介质内的熟化过程进行计算,发现多孔介质环境的熟化时间是自由流体空间的16倍;熟化时间与两气泡初始曲率半径差距大小、两气泡间的喉道宽度成反相关;气泡气体的扩散系数、亨利系数相关的α值和熟化时间成正相关,在空腔芯片中,当初始曲率半径及气泡间距均相同的情况下,模拟CO2气泡熟化时间是空气的7倍。

关键词： Ostwald熟化非均质多孔介质微气泡微流控芯片熟化模型

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非均质多孔介质的逾渗一渗流特征

非均质多孔介质的逾渗一渗流特征

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作者：王江芳太原理工大学

学位级别：硕士

近年来，逾渗理论及其应用研究比较活跃，逾渗理论在各个领域的应用也取得了可观的成就，但在以往的研究及文献中，只是针对均质孔隙介质进行的逾渗理论方面的研究，几乎没有文献对非均质多孔介质的逾渗规律和渗流特征进行阐述或研究。... 详细信息

近年来，逾渗理论及其应用研究比较活跃，逾渗理论在各个领域的应用也取得了可观的成就，但在以往的研究及文献中，只是针对均质孔隙介质进行的逾渗理论方面的研究，几乎没有文献对非均质多孔介质的逾渗规律和渗流特征进行阐述或研究。　　以往文献中所研究的非均质材料是指材料的细观组成或微观组成颗粒在某种力学或结构参数上的差异，如渗透系数、强度等;而本文中提到的非均质多孔介质是指材料的孔隙在空间上分布的非均匀性。按材料组成可分为多孔隙颗粒和致密颗粒。由于致密颗粒的大小与数量服从分形规律，可以按照塞尔宾斯基地毯结构，构建非均质多孔介质模型，以煤为例，多孔隙颗粒表示煤粒，而致密颗粒为不同于煤质本身的其它杂质。本文提到的均质多孔介质是指材料的孔隙在空间分布上是均匀的。　　所以本文主要从非均质多孔介质角度进行研究，对了解真实煤岩体的逾渗规律和渗流特征，具有重大的现实意义。　　本文首先介绍了逾渗理论的研究发展概况，阐述了逾渗理论在渗流方面的应用，并进行了以下几方面的研究工作：　　利用μ CT225KV FCB型高精度显微CT实验机分别对油页岩、细砂岩、中砂岩、阳泉无烟煤和煤样进行CT扫描实验，分析各种煤岩样的结构特征，本文从中选择了油页岩、中砂岩和煤样这三种具有不同结构特征的煤岩样作为研究对象，基于扫描所得的CT图片，利用课题组开发的CT图像分析程序，分别建立了各种煤岩样的CT图像三维重建数字模型。在二维、三维均质多孔介质逾渗模型的基础上，本文重点对非均质多孔介质的逾渗规律及孔隙连通团的结构分布特征进行了研究，得出的结论主要有：(1)均质多孔介质均在其逾渗阔值处孔隙团的大小与数量服从分形规律。地毯模型也在其逾渗阈值处孔隙团的大小与数量服从分形规律，但其逾渗阂值小于均质多孔介质的。而非均质多孔介质孔隙团分布服从分形规律时的孔隙率并不等于其逾渗阈值;由于二维情况孔隙团的分布受非均质随机性的影响较大，三维的孔隙团大小与团数量在双对数坐标中呈线性关系时的拟合相关系数均大于二维的。(2)比较均质多孔介质、塞尔宾斯基地毯模型和非均质多孔介质的孔隙团的分布曲线可以看出，不论是二维还是三维的情况，非均质多孔介质在孔隙团很小时曲线呈现出向上凸的趋势，说明非均质多孔介质中小团的数量较少。(3)分别比较油页岩、中砂岩及煤样的孔隙团大小与团数量的分布曲线，可以得出：1)二维情况下，油页岩和中砂岩的分布曲线在其服从幂律关系前后分别呈现出向上凸和向下凹的趋势，而煤样的分布曲线在其服从幂律关系前并没有向上凸的趋势。2)三维情况下，煤样和油页岩、中砂岩在不同孔隙率下孔隙团的分布曲线趋势是相同的，均呈现出不同的凹凸趋势且在团很小的情况下会向上凸，但其团大小与团数量间服从分形规律时的孔隙率明显小于油页岩和中砂岩的，大概在0．25％处，和其发生逾渗转变的逾渗闽值7.75％相差甚远。(4)二维、三维均质及非均质多孔介质的连通团数量都随孔隙率的增加先增多后减少，且二维和三维非均质多孔介质的连通团数量达到最大值时的孔隙率均小于相应均质多孔介质的。　　本文引入了渗流临界孔隙率的概念，分别研究了二维均质及非均质多孔介质的渗流特征，得出的结论为：(1)当二维均质多孔介质的孔隙率小于30％时，流体的渗流区域很小，即使压力较大，流体也基本不发生渗流;当孔隙率介于3％和40％之间时，流体的渗流区域缓慢增大;当孔隙率大于一40％，流体的渗流面积迅速扩大。(2)在200mm×200mm网格中心选取了9个节点设定1m3／s的流量，并观察以时间步长为2000分钟计算10次后的渗流情况，统计分析其曲线与图形，得到二维均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为45％。建立边长为200mm的正方体，将其划分成2003个等大小的子网格，在立方体网格的中心节点设定1 m3／s的流量，观察以时间步长为4000分钟计算5次后的渗流情况研究并分析其曲线与图形，得到三维均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为18％。(3)二维均质多孔介质模型与均质实体模型(每个方向的渗透系数是一样的)的渗流情况是一样的，其渗流图形y方向与x方向的最大尺度的比值均在1附近上下波动;而非均质多孔介质渗流图形y方向与x方向的最大尺度的比值根据各煤岩样的结构特征呈现不同的变化趋势。(4)二维均质多孔介质的渗流区域与渗流时间的关系曲线服从对数关系;三维均质多孔介质的渗流区域与渗流时间的关系曲线服从幂律关系。而二维、三维的地毯模型和非均质多孔介质的渗流区域面积与渗流时间曲线均服从幂律关系。(5)分别构建243个单位大小的二维均质多孔介质、规则地毯及随机地毯模型，选取网格中心的9个节点注入1 m3／s的流量，并以时间步长为50分钟计算100次后的渗流情况，统计分析其曲线及参数，得出的结论为：1)均质多孔介质的渗流临界孔隙率约为45％，而规则和随机地毯模型的在40％

关键词：非均质多孔介质逾渗规律渗流特征显微CT扫描煤岩体结构

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非均质多孔介质中LNAPLs污染物运移特性研究

非均质多孔介质中LNAPLs污染物运移特性研究

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作者：张闪桂林理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着石油化工和交通运输业发展迅猛,由此产生的污染也越来越严重。多数的石油类污染物都是微溶于水或是不溶于水的,研究中常被称为非水相液体(英文名为Non-Aqueous Phase Liquids,简称NAPLs)。其中密度比水小的被称为轻非水相液... 详细信息

近年来,随着石油化工和交通运输业发展迅猛,由此产生的污染也越来越严重。多数的石油类污染物都是微溶于水或是不溶于水的,研究中常被称为非水相液体(英文名为Non-Aqueous Phase Liquids,简称NAPLs)。其中密度比水小的被称为轻非水相液体(英文名为Light Non-Aqueous Phase Liquids,简称为LNAPLs)。柴油和汽油是典型的轻非水相液体(LNAPLs)。它们一旦泄漏将导致地下水和土壤的污染,给人类的生存环境带来很大的危害。因此,对其运移与分布特性、监测方法和治理方法等方面的研究已经成为地下水环境领域的前沿课题。\n 通过室内建立二维物理模型,运用图像法研究了LNAPLs在含有不同粒径透镜体的多孔介质中运移的规律,并通过改变地下水位探讨地下水位波动对LNAPLs运移与分布特性的影响。试验结果表明,LNAPLs的运移特性不仅会受到多孔介质粒径大小、含水量和孔隙度等因素的影响,还会受到介质倾斜面和裂缝的影响。多孔介质的粒径越大, LNAPLs的运移速度越大。地下水位波动会使LNAPLs重新分布,水位下降时LNAPLs也下降,水位上升时总体上LNAPLs也随之上升,但有部分LNAPLs会残留在多孔介质中。地下水毛细区和介质粒径较小的砂组受LNAPLs污染较严重,残留现象较明显。\n 通过室内试验模拟了LNAPLs污染物在三维非均质砂槽中的运移,并采用高密度电阻率成像法得到了非均质电阻率值和电阻率相对值的变化图。试验结果表明,运用高密度电阻率法得到的三维电阻率值和电阻率相对值随时间的变化过程图可以清楚的反映了LNAPLs在非均质多孔介质中的运移过程。注油过程中,随着LNAPLs的注入量不断地增加,被LNAPLs污染的范围不断地增大,中心位置的电阻率值和电阻率相对值也会相应地增大,当LNAPLs接近介质的突变面时,污染区域的形状从半圆形变为了半椭圆形,即轻非水相液体的横向运移速度大于纵向运移速度,这种现象说明了中间的细砂透镜体对轻非水相液体的纵向运移起了阻滞作用,同时使其横向运移速度增大。在静置的过程中,随着静置时间的增加,电阻率值和电阻率相对值不断地减小。\n 通过试验结合数学模型获取到三维空间LNAPLs的饱和度和LNAPLs的相对渗透系数。在LNAPLs的注入过程中,被LNAPLs污染的面积不断地增大,中心位置LNAPLs的饱和度也相应地升高;在LNAPLs的静置过程中,LNAPLs的饱和度随着静置时间的增加却在不断地减小。在LNAPLs的注入过程中,随着LNAPLs的饱和度增加,LNAPLs的相对渗透系数不断地减小。

关键词：轻非水相液体污染物运移特性非均质多孔介质高密度电阻率法渗透系数

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非均质多孔介质中多相流动的多分形处理—与CT扫描实验的比较

引用

图书与石油科技信息 1991年第1期5卷 56-61页

作者： Lenor.,R 屈世显

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