基于分形理论的多孔介质渗透率的研究

多孔介质渗透率的准确确定是多孔介质传热传质研究的一个重要组成部分 ,而传统的 Taylor公式对于不均匀多孔介质的预测效果很不理想。为此 ,利用实际多孔介质剖面图 ,系统研究了颗粒粒径分布分形维数 b、多孔介质孔隙面积分布分形维数 d和孔隙谱维数 ds,在综合考虑了多孔介质孔隙比、颗粒粒径及孔隙连通性的基础上对 Taylor公式进行了改进和发展 ,所提出的新公式在实际预测中相当精确可靠 ,较好地克服了多孔介质复杂多变的几何结构的影响     

基于分形理论的非达西渗流参数研究

目前对于多孔介质孔隙结构与非达西渗流参数的关系研究较少。因此,本文基于分形理论和渗流试验,建立了多孔介质颗粒分形维数与非达西渗流参数的回归方程。研究结果表明,柴油在多孔介质中的渗流表现出了非线性特征,可用Forchheimer方程描述;多孔介质具有明显的分形特征,分形维数值的范围在2.444～2.713之间;分形维数值与砂粒含量呈极显著负相关,与粉粒、粘粒含量呈极显著正相关;分形维数值与非达西渗流参数满足相关性较好的一次函数关系,其中非达西渗透系数随分形维数值的增大而减小,非达西渗流因子随分形维数值的增大而增大。因此,分形维数可以作为刻画非达西渗流参数的有效手段,从而为非达西渗流研究提供一种较好的研究思路。     

多孔介质中固体体积分数与颗粒尺度对流体绝对渗透率的影响

多孔介质渗透率是影响流体流动的重要因素,对多孔介质渗透率的研究在油气开采、地下水文学等工程技术领域具有实际的应用价值。本文通过在立方体空间中随机填充球形固体颗粒生成不同固体体积分数和颗粒半径的三维多孔介质数值模型。利用格子玻尔兹曼法模拟流体在这些模型中的流动并计算得到不同固体体积分数和颗粒半径下多孔介质模型的渗透率,分析了多孔介质中固体颗粒半径和体积分数对渗透率的影响,并通过数据拟合得到了渗透率关于固体颗粒半径和体积分数的函数关系。通过与二维多孔介质中渗透率关于孔隙率和固体颗粒粒径的函数关系对比,发现在三维多孔介质中,渗透率与固体体积分数和粒径之间具有与二维情况下类似的幂律指数关系。     

基于分形理论的采空区遗煤孔隙率研究

自燃是煤矿的主要灾害,采空区自燃直接影响到回采工作面的生产,甚至能够造成严重的恶性事故。遗煤的存在是造成采空区自燃的根源,采空区内遗煤属于颗粒堆积型多孔介质范畴。由于遗煤颗粒形状相似但粒径大小差别巨大,具有分形特征。本文基于分形理论建立了采空区遗煤的粒径质量分布分形维数模型,并从实际的采空区内取煤样进行筛分对粒径分布特征进行了分析,通过分析计算得出六合煤矿和阜生煤矿的分形维数分别为2.2596和2.0554。分析影响煤自燃的孔隙主要是外部孔隙,对筛分出来的不同粒径的煤进行了外部孔隙率的测定,结合粒径分布的分形维数,对采空区遗煤的孔隙率进行了分析。通过研究粒径分布分形维数来分析采空区内的孔隙率分布,为采空区内孔隙率的研究提供了一个新思路。     

基于颗粒分形滑坡土体土水特征曲线评价及预测

滑带土与滑坡的发展、稳定性评价有着密切的关系,以福建永泰旗山滑坡为例,取代表性滑带土样和表层土样进行颗粒级配试验,基于分形理论研究了颗粒分形特征,结合压力板仪测定土样土水特征曲线,对滑带土和表层土进行了评价,并以颗粒分形维数预测了土水特征曲线,研究结果表明,滑带土细粒土含量较表层土含量高,滑坡土存在很好的分形特征,颗粒分形维数越大,细粒土含量越高,土体的持水性能也较好。以颗粒粒径分形维数代替土水特征分形维数,并结合Books-Corey模型来预测土水特征曲线,得到实测值与预测值呈现较好的一致性。     

固体颗粒在逾渗多孔介质中的吸附特性

采用数值计算的方法,通过求解描述低速流体流动的Stokes方程以及简化的颗粒运动方程,初步得到颗粒在逾渗多孔介质中的运动轨迹,并在此基础上,求得颗粒与多孔介质内表面的碰撞概率,进而研究颗粒的被吸附特性.数值结果表明均匀多孔介质和分形多孔介质对颗粒的吸附存在本质差异.颗粒流出概率(实际中常表示为出口悬浮液中的颗粒浓度)与多孔床深度间的指数关系仅对均匀多孔介质成立,而对分形多孔介质并不成立.     

粗糙裂缝型多孔介质渗透率的分形模型

多孔介质渗透率的研究在油气藏、地下水文学、燃料电池、纤维织物等诸多实际应用工程领域具有重要的应用价值.该文基于分形理论和达西定律,提出了牛顿流体在粗糙裂缝型多孔介质中渗透率的分形模型.研究结果表明粗糙裂缝型多孔介质的渗透率是正弦波动幅度因子、裂缝面积分形维数、孔隙率及最大裂缝宽度等多孔介质微结构参数的函数,每个参数都有明确的物理含义,能清楚揭示影响粗糙裂缝型多孔介质渗透率的物理机理.为了证实渗透率分形模型的有效性,将该模型与已有模型和数值模拟结果进行对比,整体结果吻合较好.     

基于分形级配理论的油井水泥体系设计及评价

针对目前油井水泥混合料配比设计困难、缺乏合理颗粒级配模型的现状,基于分形几何理论建立了颗粒群分形连续级配模型.利用激光粒度测试仪分析了级配原材料的粒径分布状况,并将分形级配模型与Andreasen方程进行对比,得到实现最紧密堆积的分形维数范围.结合塔里木现场要求取分形维数为2.561,优化设计出浆体密度为1.40 g/cm3的三元体低密度水泥浆体系,并对体系性能进行了室内评价.结果表明,该体系水泥石抗压强度(24 h)大于18.4 Mpa,养护压力对强度影响很小,水泥浆失水量和游离液含量较低,稠化和流变性能满足要求,体系稳定性好,验证了体系粒径分布的合理性和分形级配模型的可行性.     

多孔介质球向渗流的渗透率分形模型

基于分形理论与技术，该文研究了牛顿流体在多孔介质中球向渗流问题，提出了牛顿流体球向渗流渗透率模型，分析了多孔介质的微结构参数对球向渗透率的影响.研究结果表明，球向渗透率随孔隙面积分形维数和孔隙度的增加而增加，随迂曲度分形维数和径向距离r的增加而减小；本模型预期结果与Chang和Yortsos的模型相比较吻合较好，证实了球向渗透率分形模型的正确性.     

粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。     

上海冻融淤泥质软黏土孔隙结构特征分形研究

对上海第④土层淤泥质软黏土进行了冻融试验、压汞试验和渗透性试验,并结合分形理论,确定了冻融对土壤孔隙结构的影响.根据分形计算,将上海软黏土中的孔隙分为3类.结果表明,在冻融过程中,中孔和大孔的总分形维数和表面分形维数随渗透系数的增加而增大.最后,提出了由小孔隙和中、大孔隙组成的渗透系数与孔隙结构参数之间的关系,小孔隙的渗透系数比中、大孔隙低几个数量级.     

三峡库区典型消落带土壤粒径分布及分形特征

为揭示三峡库区典型消落带土壤的独特性,通过野外调查和实验室定量分析,研究了消落带典型区阶地土壤粒径分布和分形特征。结果表明：该典型消落带土壤分形维数在2.80左右;共有3种质地的土壤,分别是壤质黏土、粉砂质黏土、黏壤土,两种黏土的分形维数不存在显著差异,黏土和壤土的分形维数差异显著且分形维数以黏土的较大。土壤粒径随高程增加表现为由尖峰胖尾分布向尖峰分布变化,在降水和江水的双重作用下,较高高程处小颗粒土粒含量较低,而较低高程处小颗粒土粒含量较高。淹水年限为3 a和1 a的不同植被类型下消落带土壤分形维数不存在显著差异。     

我国膨胀土的分形结构的研究

通过对我国各地膨胀土的颗粒分析资料的研究，发现膨胀土的颗粒分布具有分形特征，其分维介于２．０￣３．０之间，不同成因的膨胀土颗粒分布的分维不同，为研究膨胀土的成就提供了一个新的定量的方法。文中首次运用一个新方法来确定膨胀土的孔隙表面的分维，在平均曲率半径介于２￣１００μｍ范围内，饱和膨胀土的新方法来确定膨胀土的分维，在平均曲率半径介于２￣１００μｍ范围内，饱和膨胀土的孔隙表面的分维为２．６７，而于膨     

Porosity models for determining the pore-size distribution of rocks and soils and their applications

Previous porosity models have been shown to be unable to accurately describe the pore-size distribution of rocks and soils. Three new porosity models are developed in this study. Pore-size distributions of soft clay and ecotypic revetment material were obtained using a scanning electron microscope (SEM) in two-dimensional space, and with the mercury intrusion method in three-dimensional space. The results show that the new porosity models are valid in predicting the accumulative porosity of rock and soil samples. Based on the new porosity models, a new microstructure soil consolidation model was developed and the error of the compression strain prediction was less than 0.007 under low pressure. Several models for soil water retention curve were founded, which in form comprise previous models developed by other researchers, and they may be more accurate than previous models because of the valid mean for determining the fractal dimension. In addition, we obtain an expression for the relationship between soil cohesion and the test specimen size, as well as between the bulk density of rocks and soils and the test specimen size.     

粗粒土类别的分形图解

基于分形理论,同时考虑粗粒土的随机性、非规则性,应用随机模糊方法研究了粗粒土的粒度分布分维,讨论了粒度分布分维与粗粒土的均一性、粗度和级配的相互关系。研究发现粗粒土是分形粒子,具有分形效应,细粒土是以分形分布的方式充填到粗粒土之间的,粗粒土组成的结构为分形结构,据此给出了5种粗粒土的典型分形图形并揭示了其特有的性质。结果表明,粒度分布分维是刻画粗粒土特征的有效参数,应用该参数可以控制集料颗粒粒径,达到优化级配、增大集料密度的目的。最后给出了应用粒度分布分维控制颗粒粒径的理想分形级配图形。     

盐岩储库腔底堆积物空隙体积试验与计算

受建库盐层本身地质特点影响,造腔结束后,底部一般会堆积大量不溶物。堆积物的存在既浪费了有效库容体积,又为整体建库施工带来了诸多不利因素。为科学评价该堆积物并进行有效处理或转变利用以增大库容体积,对其分布特征及堆积空隙体积进行了研究。通过室内溶腔实验获取了堆积不溶物样品,采用筛分法实验测定了其颗粒分布,并根据分形分布理论对其粒度分布特征进行了分析,进而基于可压缩堆积模型对堆积空隙体积进行了数值及模型研究。应用实例进行计算并与现场数据进行了对比评价验证,结果表明,在双对数坐标系下,腔底堆积物颗粒尺寸与累积数量呈线性相关,即其粒度分布可用分形分布函数进行表征,且分形维数作为分布特征参量能较好地描述颗粒均匀程度与集中性。     

上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制

上覆压力对湛江组结构性黏土触变性具有显著的影响。上覆压力大小不同,导致湛江组结构性黏土触变性强弱不同,使得湛江组结构性黏土地基强度恢复程度存在差异。研究上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制,有助于深入了解上覆压力造成地基强度恢复程度不同的本质原因。在不同上覆压力作用下对扰动后的湛江组结构性黏土在不同静置龄期进行直接剪切试验和扫描电镜试验,探究土体的触变强度比率随上覆压力变化规律以及土体的微观结构演变规律,从宏微观角度阐明上覆压力对湛江组结构性黏土触变性影响机制。结果表明：在相同上覆压力作用下,随着静置龄期增长,土体抗剪强度和触变强度比率增大,触变强度比率与静置龄期呈乘幂函数关系,土体的概率熵和颗粒分布分维数均下降,土颗粒往团聚化发展、排列定向性逐渐加强：静置龄期相同时,随着上覆压力的增大,土体抗剪强度增大,但随着静置龄期的增长,土体触变强度比率减小,触变强度比率与上覆压力呈一次函数关系,土体概率熵和颗粒分布分维数下降的幅度减小,土颗粒往团聚化发展和排列定向性增长的速率变慢。