孔隙介质中界面反应对混合过程影响的格子Boltzmann研究

摘要

多孔介质中耦合界面不稳定性的反应流体混合过程广泛存在于温室气体强化采油、二氧化碳埋存、生化制药等工程应用及自然界中。同时，对此类问题的研究也是能源、环境及化工等领域的学术前沿。但由于多孔介质结构复杂，加之反应、混合及界面不稳定现象的存在，人们对该过程的微观传输细节知之甚少。因此对其进行机理研究具有重要的工程价值和科学意义。本文将基于格子Boltzmann方法在孔隙尺度上模拟多孔介质中反应流体间的界面不稳定现象，并分析界面反应对混合系统的影响。旨在加深人们对此类复杂传输过程的认识，并对相关工业过程提供预测方案。论文的主要工作包括：
　　1)提出了求解多孔介质中孔隙尺度上流动、扩散及反应的耦合格子Boltzmann模型，以满足工程中大贝克莱数、大粘性比、及反应与时间不相关的实际需求。并结合GPU计算技术实现算法加速，以提高计算效率。一系列测试算例均表明了该模型具有较高的数值稳定性和计算精度。
　　2)模拟了单孔内反应流体间的粘性驱替过程。首先，在非周期管道中研究了不同贝克莱数、反应速率及稳态浓度(即无化学反应发生的浓度值)条件下的运动规律。结果表明，贝克莱数的增加使反应作用减弱，但反应的作用模式不变。具体表现为：反应使流体界面变薄进而抑制混合，且反应速率越大，抑制作用越显著；而稳态浓度参数则主要改变指进的形态特征，对混合过程影响较小。之后，在周期管道中引入反应-扩散界面进行了数值模拟，此时反应的影响与非周期管道中的结论类似，且结合解析解验证了该结论。
　　3)对孔隙介质中耦合粘性指进的反应流体混合过程进行了数值研究。当界面为锐利突变界面时，发现不同孔隙率条件下系统的传输模式类似。同时反应可改变两流体的含量，并抑制流体间的混合，该作用随着反应速率的增加而愈加明显。此后，引入反应-扩散界面并结合解析解进行分析。计算结果同样表明不同参数条件下，各向同性及各向异性孔隙介质中流体的传输细节改变但反应的作用模式类似，并且在此界面条件下，反应和扩散可达到动态平衡。
　　4)进一步研究了孔隙介质中混溶反应流体间的重力不稳定现象。分别在单孔和多孔介质中对该问题进行模拟分析。结果表明，不同参数条件下系统的发展过程类似，且反应的作用与上述粘性指进条件下的结论基本保持一致。证明反应可改变两种界面不稳定现象的形成机制，并抑制混合过程。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究尺度和方法

1.3 流体界面不稳定性的研究现状

1.4 流体界面化学反应的研究现状

1.5 流体混合的研究现状

1.6 研究内容及章节安排

2 孔隙尺度上反应流体流动及扩散的格子Boltzmann模型

2.1 引言

2.2 耦合格子Boltzmann模型

2.3 数值检验

2.4 本章小结

3 单孔内反应流体粘性驱替过程中的混合现象

3.1 引言

3.2 混合标度参数

3.3 单孔中界面反应对混合的影响

3.4 周期单孔内耦合反应-扩散界面的粘性驱替过程

3.5 本章小结

4 多孔介质中反应流体粘性驱替过程中的混合现象

4.1 引言

4.2 多孔介质中反应对混合的影响

4.3 多孔介质中耦合反应-扩散界面时的混合过程

4.4 本章小结

5 孔隙介质中耦合重力不稳定性的反应流体混合机理

5.1 引言

5.2 单孔内耦合重力不稳定性的反应流体混合过程

5.3 多孔介质内耦合重力不稳定性的反应流体混合过程

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点和意义

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的学术会议