复杂裂隙网络无压渗流分析的变分不等式提法

通过对仅适用于湿区裂隙渗流的Darcy定理进行延拓处理,并将潜在溢出面归纳为Signorini型互补边界条件,建立了定义在裂隙网络全域上无压渗流问题的偏微分方程（PDE）提法.为了减小试探函数的选取难度和消除溢出点的奇异性,进一步发展了与PDE提法等价的变分不等式（VI）提法,并给出了离散型变分不等式提法的有限元数值求解格式、迭代算法与计算流程.由于使用了连续型的Heaviside函数代替阶跃型函数,避免了对位于过渡区域裂隙单元进行积分时形成的数值跳跃,从而显著提高了有限元数值求解过程中的稳定性.典型算例的计算结果验证了该方法的有效性和可靠性,并表明基于离散裂隙网络模型的无压渗流分析不但可以较好模拟裂隙岩体渗流的非均质性和优势水流方向,还可以准确预测坡体内部排水结构的渗流量,为裂隙岩体边坡防渗排水系统的优化布置提供科学依据.     

岩体粗糙单裂隙流体渗流机制的实验研究

岩体的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂,岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题．为了探究岩体粗糙裂隙的渗流机制和粗糙结构的影响,本文通过岩体单裂隙物理模型的水渗流实验,利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数和PMMA材料制作了不同分形维数粗糙单裂隙的物理模型,利用高速摄相机记录了粗糙裂隙水渗流的全过程,分析了水渗流性质随裂隙粗糙性的变化规律及粗糙结构对渗流机制的影响,阐述了粗糙结构中水渗流的流动阻力构成,建立了水流阻力与裂隙粗糙性关系的分形模型,提出了粗糙单裂隙分形等效渗透系数和计算公式,为理解和定量描述岩体粗糙单裂隙渗流性质及其与裂隙结构之间的关系提供了实验依据和参考．     

耦合基质-天然裂缝渗流机理的页岩气表观渗透率

页岩储层微纳米孔隙、天然裂缝发育,不同类型孔隙中气体赋存状态和传输机理各异.本文在对天然裂缝定量表征的基础上,兼顾页岩气渗流特征和实际工程应用需要,综合考虑页岩岩芯孔-缝发育特征,基于渗透率串-并联模型建立耦合基质微纳米孔隙气体滑脱效应、扩散效应和天然裂缝渗流特征的页岩气表观渗透率模型,利用四川盆地牛蹄塘组天然裂缝发育的页岩岩样对理论模型进行验证.研究结果表明,该渗透率模型即能高度拟合天然页岩岩芯渗透率实验测量结果,又准确描述了岩芯内部基质孔隙和天然裂缝共同渗流的特点,更加符合实际渗流情况.总之,本文建立的页岩天然裂缝定量表征方法和综合考虑微纳米孔隙、天然裂缝渗流特征的表观渗透率模型不仅为页岩气藏复杂裂缝网络建模提供了一种新的手段,而且进一步推动了复杂缝网页岩气藏数值模拟研究工程应用的实现.     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

孔隙和裂缝分形油藏的瞬态压力分析

研究了孔隙与裂缝分形油藏中流体的流动．通过引进流动路径长度的微分关系式和单位横截面面积得出分形渗透率、孔隙度和渗流速度三个基本公式．阐明了分形孔隙介质与分形裂缝介质中渗透率和孔隙度表达式的区别．建立起分形油藏中单相流体渗流的压力扩散方程,给出相关方程的解,绘制了用于瞬态压力分析的典型曲线．讨论了孔隙分形油藏和裂缝分形油藏试井解释的方法和步骤．对于多维各向异性分形介质,在直角坐标和圆柱坐标系中也给出了相应的渗流压力扩散方程．对分形油气藏勘探和开发具有重要意义．     

基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

一种表征煤储层压力与流体饱和度关系的数学模型

目前,针对生产过程中煤储层内部气、水两相渗流的研究尚薄弱,已建立的煤层气产能预测模型或产能分析方法中,一部分假设煤储层内部为单相渗流即单相水或单相气,一部分忽略流体饱和度和压力变化梯度,另一部分通过物质平衡方程建立平均地层压力与平均含水饱和度间关系,进而研究储层饱和度分布对气井产能的影响,但平均含水饱和度无法表征储层内部的饱和度分布.故现有模型均未考虑储层流体饱和度分布特征对气井产能的影响,导致现有产能模型预测值与实际煤层气井产出动态始终存在较大误差.鉴于此,根据气、水两相渗流微分方程,考虑应力敏感、基质收缩与气体解吸效应,建立了一种能够表征煤储层压力与流体饱和度间关系的数学模型.结合气、水两相相渗曲线与各生产时刻的储层压力分布曲线,提出迭代算法求解该模型,得到各生产时刻的流体饱和度分布规律.该模型的可靠性通过与商业数值模拟软件结果对比得到验证.该模型的提出填补了目前煤层气开发理论的空白,有助于准确计算气、水两相拟压力,为煤层气藏产能的准确预测奠定理论基础.     

孔隙网络模型模拟人工裂缝渗流研究

传统支撑剂导流能力试验需要耗费大量时间和成本,设备复杂并且对不同流体的适用性较差,基于支撑剂的排列分析和孔隙网络模型的基本原理,本文提出用孔隙网络模型模拟人工裂缝的思想,并建立了模型.以实测支撑剂渗透率作为指导,通过调整模型参数使模型预测结果与实测数据相符;并用所建立的模型对支撑剂的渗透率进行预测,达到较好的效果.针对压裂液和稠油等非牛顿流体,利用调整好的模型研究了非牛顿流体在人工裂缝中的流动特征.本文证明了孔隙网络模型模拟人工裂缝内渗流的可行性,相对于传统支撑剂导流能力试验,本方法经济高效,并且针对不同的流体有更广泛的适用性.     

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.     

顺煤层水力割缝抽采煤层瓦斯渗流规律数值模拟

为得到顺煤层水力割缝抽采瓦斯渗流规律以及预测水力割缝后瓦斯气体抽采量,结合渗流力学和弹塑性力学理论,建立了水力割缝抽采煤层瓦斯的固流耦合数学模型,同时给出了相应初始条件及边界条件。利用Madab计算得到顺煤层水力割缝后煤体应力场、瓦斯压力场以及瓦斯抽采量变化规律。数值模拟结果显示：水力割缝后,煤体有效体积应力得到释放;沿割缝方向储层卸压效果明显;煤层内裂隙、裂缝数量增加,长度和张开度增大;煤体渗透性能增强;煤层气抽采量较普通钻孔有较大幅度的提高。模拟结果显示了顺煤层水力割缝抽采煤层气的优势。此模拟方法对煤层气增产工业中确定水力割缝工艺参数以及预测瓦斯产量具有重要的指导意义。     

采用内嵌边界方法模拟流体中颗粒运动的并行算法

提出了一种采用内嵌边界方法模拟流体中颗粒运动的并行算法．当计算区域分区并行时,该算法能够很好的处理颗粒穿过亚区域边界时颗粒与流体之间的耦合问题．模拟计算了两维颗粒在密闭方形区域中自由沉降问题来验证该方法的有效性．     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.     

致密气藏裂缝岩心渗透率非稳态测试理论研究

准确评价致密气藏裂缝和基质系统渗透率对评价其可采储量和产能等方面具有重要意义.基于致密气藏裂缝岩心非稳态测试流动特征和物理模型,建立了裂缝岩心非稳态测试流动数学模型,采用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到了上游和下游腔室的无因次拟压力解和特征曲线,分析了不同参数对无因次拟压力特征曲线的影响.结果表明,裂缝岩心的非稳态渗流可划分为3个阶段:裂缝渗流阶段、基质渗流阶段和系统平衡阶段.在裂缝渗流阶段,裂缝渗透率越大,持续时间越短;裂缝孔隙度对该渗流阶段基本没有影响.在基质渗流阶段,基质渗透率越小,达到平衡所需时间越长;基质孔隙度越小,平衡系统压力越大.本文研究为评价致密气藏裂缝岩心属性提供一种评价方法.     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

复杂渠道工程三维渗流应力耦合分析与研究

渗流是导致渠道下沉、倾斜、断裂等诸多不良后果的重要因素,对渠道安全稳定运行危害较大．基于NURBS．TIN．BRep混合数据结构,构建南水北调中线工程某渠段的工程地质信息三维可视化模型,运用耦合VOF（volumeoffluid,流体体积函数）法的N—S（Navier．Stokes）方程,对研究区域进行渗流模拟,并采用流固耦合进行渠道稳定性计算,全面分析渠道在渗漏、下伏采空区等多种因素影响下的应力及位移状态．结果表明：渠道渗流对其稳定性影响较大,特别是对位移场的影响较为明显,渠道渗流将导致其自身产生相对较大的沉降,因此建议在实际施工过程中进行渠道的局部加固,并采取有效地渗流控制措施．     

双旁侧进气高超声速飞机概念设计与评估

要本文提出了一种旁侧进气翼身融合体布局一体化气动构型，并首次提出了一种基于双乘波体旋转对拼的前体设计方案．在全参数化构型设计的基础上，以数值模拟为评估手段，给定不同设计参数对前体进行了分析，结果表明在获得良好容积和升阻性能的同时，利用左右乘波面作为进气道的外压缩面，可保证进气道入口截面处具有较好的流场均匀性和来流捕获量．进而针对幂曲线、余弦曲线等4种典型的翼前缘形状，开展了整机数值分析．计算结果证明了飞行器的高升阻比优势，同时也发现由于机体／机翼的耦合作用，小攻角飞行状态下机翼前缘可以捕获机体压缩产生的部分高压，故在0°和4°攻角条件下，4种构型的升阻比呈现完全不同大小排列顺序．这一结果也为后续的优化设计提供了方向，即前缘形线的合理选择应可进一步提高飞行器的升阻比．     

低掠角入射粗糙面上低空目标双站散射的有限元数值模拟

提出了电磁波低掠角入射二维粗糙海面与低空目标的复合建模, 用有限元方法数值模拟了风驱海面与目标的双站电磁散射. 有限元方法中吸收边界采用共形匹配层技术, 消除了平面匹配层交接处在低掠角入射时产生的反射误差. 数值结果与前后向迭代法作了一致性验证. 讨论了双站、单站散射随目标高度、海面风速、入射与散射角变化的函数关系, 给出了粗糙面与上方目标复合建模双站散射机理性的数值描述.     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

分形粗糙面分维数的反演

用Monte Carlo方法,采用归一化的带限Mandelbrot-Weierstrass分形函数来模拟分形粗糙面,建立和发展了利用最小目标函数反演分形粗糙面分维数的方法.计算结果表明: 该方法不受分形特征尺度性变化因素的影响,对于反演具有分形特征的被探测物体的分维数,具有很高的精确性.