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微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究

李洋  
【摘要】: 本文从固-液界面及其分子间作用力的角度入手,研究微管中流体与固体壁面之间的流体边界层对微流动的影响,探索微尺度下的流动特征,在此基础上阐明低渗透油藏低速非线性渗流机理,并揭示低渗透渗流中启动压力现象的本质。 微尺度下的低速流动具有非线性特征。实验研究了去离子水在半径2.5μm-10μm微管中的流动,发现低速低压下的流动出现非线性特征且非线性程度随着管径的降低而增加;分析得出微尺度非线性流动的流速是二次的边界层影响项、一次的流体粘滞力项以及启动压力因素项的叠加。微尺度流动的实验流量大多比理论值小,且有随着微管半径的降低而增大的趋势;同一管径,流速和压力梯度越小,二者之间的偏差越大。流动呈现非线性特征的原因在于固液界面作用力形成了边界流体,而有效流体边界层的厚度随着压力梯度的增加而降低致使流通半径随压力梯度变化;实验给出了描述有效边界层厚度的方程,证实了有效边界层厚度与管径和压力梯度有关。 雷诺数为非线性流动的判据。微流动实验获得的最小雷诺数Re达到10-5数量级,流动阻力系数与理论值的偏离程度有随着雷诺数Re和管径的降低而大幅度增大的趋势。通过研究阻力系数与雷诺数的关系发现,雷诺数可作为非线性流动的判据,非线性流动上限的临界Re数为1.0×10-3,当雷诺数小于该临界值时,流动开始出现非线性特征。 微流动实验得到了非线性流动方程各项系数与微管半径的函数关系,并通过回归拟合的方法给出启动压力梯度与管径的关系,该函数的解析解与实验数值解非常相近。通过微管半径与启动压力梯度的关系,能够预测某一管径尺寸下微流动的启动压力梯度。 另外,从减小固-液界面作用力和作用范围的角度出发,研究影响非线性流动的因素并寻求降低微尺度流动阻力的方法。实验发现:去离子水流量随着温度的升高而增大;相同管径,流动介质的粘度越大,流动的非线性程度越高,且启动压力梯度随粘度的增大呈指数型增加;壁面润湿性的改变也会影响微尺度流动特征。对微流动来讲,升高体系温度,改变壁面性质,降低流体粘度,加入表面活性物质等方法都可能在一定程度上减薄流体边界层厚度,从而降低流动阻力。


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