孔隙介質(zhì)中流體界面不穩(wěn)定性與混合的相互作用機(jī)理研究.pdf

1、孔隙介質(zhì)中互溶流體間的界面不穩(wěn)定性和流體混合現(xiàn)象在二氧化碳埋存、石油采收、燃料電池和微流體機(jī)電中廣泛存在，該類(lèi)問(wèn)題已成為能源、環(huán)境、化工和微電子領(lǐng)域中的共性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。由于孔隙介質(zhì)內(nèi)流體之間的相互作用十分復(fù)雜，人們對(duì)此類(lèi)現(xiàn)象內(nèi)部規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)知還不夠深入。本文針對(duì)孔隙介質(zhì)中流體流動(dòng)與擴(kuò)散的特點(diǎn)，建立能準(zhǔn)確描述孔隙介質(zhì)中流體界面不穩(wěn)定性與流體混合的模型，并從孔隙尺度對(duì)流體界面不穩(wěn)定性和流體混合這兩者的相互作用進(jìn)行分析研究，加深對(duì)此類(lèi)復(fù)雜

2、流動(dòng)內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)二氧化碳埋存和驅(qū)油等工程實(shí)際問(wèn)題起到一定指導(dǎo)作用。論文的主要工作包括：
　　(1)提出了適用于孔隙介質(zhì)中大P′eclet數(shù)和大粘性比下流體流動(dòng)及擴(kuò)散的耦合格子Boltzmann模型。該模型能有效求解不可壓Navier-Stokes方程和對(duì)流擴(kuò)散方程，具有二階精度和良好的穩(wěn)健性，且對(duì)于大P′eclet數(shù)和大粘性比的情況有著很好的數(shù)值穩(wěn)定性，能正確地描述此時(shí)孔隙尺度下孔隙介質(zhì)中流體的流動(dòng)和擴(kuò)散。
　　(2)

3、對(duì)孔隙尺度下各向同性和各向異性多孔介質(zhì)中粘性互溶驅(qū)替過(guò)程中的流體混合進(jìn)行了標(biāo)度分析和數(shù)值模擬。研究從孔隙尺度動(dòng)力學(xué)出發(fā)，對(duì)表征流體混合的標(biāo)量耗散率進(jìn)行標(biāo)度分析，發(fā)現(xiàn)在孔隙介質(zhì)內(nèi)粘性指進(jìn)的發(fā)展過(guò)程中標(biāo)量耗散率的演化是非單調(diào)的，且標(biāo)量耗散率的標(biāo)度與粘性指進(jìn)和分子擴(kuò)散的相互競(jìng)爭(zhēng)緊密相關(guān)。當(dāng)擴(kuò)散占主導(dǎo)作用時(shí)，標(biāo)量耗散率隨時(shí)間增加而下降；而當(dāng)粘性指進(jìn)占主導(dǎo)作用時(shí)，標(biāo)量耗散率隨著時(shí)間的增加不降反升。在粘性指進(jìn)和擴(kuò)散的共同作用下，流體混合得以加速進(jìn)行

4、。該研究結(jié)果有助于理解在二氧化碳混相驅(qū)油中，粘性指進(jìn)的發(fā)生可促進(jìn)超臨界二氧化碳與原油的混合，降低原油粘度，使原油更容易地被驅(qū)替出來(lái)，從而提高石油采收率。本文還通過(guò)格子Boltzmann模擬分析了各種因素對(duì)粘性指進(jìn)和流體混合發(fā)展過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明，在P′eclet數(shù)較小，流體初始界面面積、驅(qū)替流體初始所占比例、粘性比和滲透率較大，驅(qū)替流體注入方向與滲透率主方向較大的一方平行時(shí)流體混合較快。盡管不同情況下多孔介質(zhì)內(nèi)粘性指進(jìn)與流體混合相

5、互作用的具體進(jìn)程有所差異，但標(biāo)量耗散率演化的整體趨勢(shì)一致，且該趨勢(shì)與標(biāo)度分析結(jié)果相吻合。
　　(3)研究了孔隙介質(zhì)中Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor Instability，RTI)和流體混合的相互作用。通過(guò)研究不同Schmidt(Sc)數(shù)下RTI的發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)孔隙介質(zhì)中RTI的發(fā)展過(guò)程具有自相似性。此外，文中還研究了RTI發(fā)展過(guò)程中的標(biāo)量耗散率，發(fā)現(xiàn)其演化趨勢(shì)是非單調(diào)的，且可分為下降上升再