孔隙介质中流体界面不稳定性与混合的相互作用机理研究

摘要

孔隙介质中互溶流体间的界面不稳定性和流体混合现象在二氧化碳埋存、石油采收、燃料电池和微流体机电中广泛存在，该类问题已成为能源、环境、化工和微电子领域中的共性基础科学问题。由于孔隙介质内流体之间的相互作用十分复杂，人们对此类现象内部规律和机理的认知还不够深入。本文针对孔隙介质中流体流动与扩散的特点，建立能准确描述孔隙介质中流体界面不稳定性与流体混合的模型，并从孔隙尺度对流体界面不稳定性和流体混合这两者的相互作用进行分析研究，加深对此类复杂流动内在机理的认识，对二氧化碳埋存和驱油等工程实际问题起到一定指导作用。论文的主要工作包括：
　　(1)提出了适用于孔隙介质中大P′eclet数和大粘性比下流体流动及扩散的耦合格子Boltzmann模型。该模型能有效求解不可压Navier-Stokes方程和对流扩散方程，具有二阶精度和良好的稳健性，且对于大P′eclet数和大粘性比的情况有着很好的数值稳定性，能正确地描述此时孔隙尺度下孔隙介质中流体的流动和扩散。
　　(2)对孔隙尺度下各向同性和各向异性多孔介质中粘性互溶驱替过程中的流体混合进行了标度分析和数值模拟。研究从孔隙尺度动力学出发，对表征流体混合的标量耗散率进行标度分析，发现在孔隙介质内粘性指进的发展过程中标量耗散率的演化是非单调的，且标量耗散率的标度与粘性指进和分子扩散的相互竞争紧密相关。当扩散占主导作用时，标量耗散率随时间增加而下降；而当粘性指进占主导作用时，标量耗散率随着时间的增加不降反升。在粘性指进和扩散的共同作用下，流体混合得以加速进行。该研究结果有助于理解在二氧化碳混相驱油中，粘性指进的发生可促进超临界二氧化碳与原油的混合，降低原油粘度，使原油更容易地被驱替出来，从而提高石油采收率。本文还通过格子Boltzmann模拟分析了各种因素对粘性指进和流体混合发展过程的影响。研究结果表明，在P′eclet数较小，流体初始界面面积、驱替流体初始所占比例、粘性比和渗透率较大，驱替流体注入方向与渗透率主方向较大的一方平行时流体混合较快。尽管不同情况下多孔介质内粘性指进与流体混合相互作用的具体进程有所差异，但标量耗散率演化的整体趋势一致，且该趋势与标度分析结果相吻合。
　　(3)研究了孔隙介质中Rayleigh-Taylor不稳定性(Rayleigh-Taylor Instability，RTI)和流体混合的相互作用。通过研究不同Schmidt(Sc)数下RTI的发展过程，发现孔隙介质中RTI的发展过程具有自相似性。此外，文中还研究了RTI发展过程中的标量耗散率，发现其演化趋势是非单调的，且可分为下降上升再下降三个阶段，RTI的发展引发了流体间的混乱，促进了流体的混合。研究结果还表明随着Sc数的下降流体混合越快。以上研究结果有助于理解在二氧化碳埋存过程中，RTI现象可使富含二氧化碳的卤水和下层卤水充分混合，从而大幅提高存储效率并减少二氧化碳泄漏的可能性。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究尺度

1.3 研究方法

1.4 研究现状

1.5 研究内容

2 孔隙介质中流体流动及扩散的耦合格子Boltzmann模型

2.1 引言

2.2 耦合格子Boltzmann模型

2.3 数值检验

2.4 小结

3 单孔内粘性互溶驱替过程中流体混合的研究

3.1 引言

3.2 单孔内互溶驱替与流体混合的相互作用

3.3 周期单孔内粘性指进与流体混合的相互作用

3.4 小结

4 各向同性多孔介质内粘性指进与流体混合相互作用的微观

4.1 引言

4.2 多孔介质生成方法

4.3 问题描述、模型验证和网格无关性验证

4.4 标度分析

4.5 数值结果和分析

4.6 小结

5 各向异性多孔介质内粘性指进与流体混合相互作用的微观

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 数值结果和分析

5.4 小结

6 孔隙介质内混溶Rayleigh-Taylor不稳定性及混合特性

6.1 引言

6.2 问题描述

6.3 单孔中RTI的数值结果和分析

6.4 多孔介质中RTI的数值结果和分析

6.5 小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参加的学术会议

附录3 攻读学位期间参与的科研项目