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基于N-S方程的多孔介质微观渗流数值模拟

叶礼友  
【摘要】: 将N-S方程作为多孔介质孔隙内流体运动的控制方程,将流体力学理论引入到微观渗流研究中,通过数值模拟的方法研究了多孔介质宏观渗透率与微观结构的关系,通过处理砂岩CT扫描图片建立了更趋于真实的砂岩孔隙结构模型,模拟了其孔隙尺度渗流。主要研究结果如下: 通过对由等径方形和圆形颗粒组成的不同孔隙度的多孔介质微观渗流的多方案数值模拟发现:等径的圆形颗粒或方形颗粒构成的孔隙介质宏观渗透率与颗粒形态关系不大,粒径和孔隙度是其主要决定因素,已有的Ergun公式在孔隙度大于0.7时误差较大,本文提出了其修正公式。 对不同孔隙度的双重介质微观渗流进行数值模拟,研究结果表明,Kuwahara和Nakayama提出的双重介质渗透率计算公式在双重介质孔隙度不大于0.6时,能准确地计算出其渗透率,但在孔隙度大于0.6时,该公式与实验值偏差较大,本文提出了其修正公式。通过对不同孔隙度的复合介质微观渗流数值模拟和理论分析,提出了复合介质等效渗透率计算公式,该公式能很好地与数值实验数据相吻合。 对不同喉道开度和孔隙体直径的多孔介质的微观渗流进行数值模拟,结果表明,在孔隙介质中喉道是影响渗透率的主要因素,是流体运动的主要通道,孔隙体主要起流体的储集作用。 通过对泡沫陶瓷微观渗流数值模拟发现,配位数对泡沫陶瓷的渗透性能有较大的影响。陶瓷缺陷在垂直流动方向上对压力场的影响范围是陶瓷颗粒尺寸的一倍,在沿着流动方向上影响范围是陶瓷颗粒尺寸的两倍。 通过处理介质的CT扫描图像建立了更趋于真实的多孔介质孔隙结构模型,应用流体力学理论模拟其内的流动,研究了微观结构对渗流影响的机理。 以上研究成果为多孔材料的设计和渗流计算提供了理论依据,同时为研究微观结构对渗流的影响机理提供了方法,具有重要的应用价值和理论意义。


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