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.     

空间均化分层土壤入渗模型

以通用Green-Ampt模型为基础,用概率密度函数和垂向分层分别描述了土壤饱和导水率在水平和垂直方向上的空间变异性,通过面积均化建立了宏观尺度上的空间均化分层土壤入渗模型（SAI模型）.针对典型土壤入渗过程的数值实验表明了SAI模型具有较高的精度,能够充分反映饱和导水率空间变异性对入渗的影响.分析表明在暴雨期土壤的平均入渗率随水平方向的变异性增强而减小,目前采用的垂向平均方法将低估入渗量.SAI模型本身包含了土壤的非均匀性,是一个宏观尺度的模型,在保持模型物理机理和参数物理意义的同时,有效避免了由于入渗模型非线性和土壤非均匀性引起的模型适用尺度和应用尺度不匹配问题,在空间均化水文模型中的初步应用表明,SAI模型可以用于宏观尺度水文或气象模型中暴雨期或者灌溉条件下的入渗模拟.     

多孔介质非均质性对水油非混相驱替的影响及机理分析

深入理解水油两相在多孔介质内的非混相驱替过程对于水驱油藏开发具有至关重要的意义.为摸清水油两相流动模式,本研究基于Navier-Stokes (N-S)方程模拟水油两相在微观多孔介质中的非混相驱替过程,采用相场方法实时描述两相界面变化.并对比了均质多孔介质模型与非均质多孔介质模型内的水驱油过程,研究了多孔介质非均质性对于水油非混相驱替模式、驱替效率及出口端见水时间的影响.两相流体的非混相驱替模式通常可分为三种类型:毛管指进、稳定驱替、黏性指进.其流动模式通常取决于两个无量纲数,毛管数和黏度比.本研究结果表明,多孔介质非均质性会增强水油两相驱替过程界面的不稳定性,使得非均质模型内的非混相驱替更易向黏性指进发展,降低黏性指进产生的临界毛管数;非均质模型的无水采收率较均质模型低,多孔介质无水采收率并不随毛管数的增大而增大,当驱替模式由毛管指进向黏性指进转变时,无水采收率随毛管数的增大而减小;相同毛管数条件下,非均质模型出口端的见水时间比均质模型早,黏性指进的形成会减小均质与非均质模型见水时间差异.该研究初步揭示了多孔介质非均质性对于水油非混相驱的影响,为深入理解油气储层中水油两相流动规律提供...     

伪均质固液两相流水击压力的计算方程及验证

根据伪均质固液两相流的特征 ,推求了连续方程及运动方程 ,建立了伪均质固液两相流水击模型 ,并根据实验资料对伪均质流水击模型进行了验证 .由于该模型推导中考虑了伪均质固液两相流黏度、阻力及波速的特点 ,与单相流模型相比具有较高的精度     

流域热力学系统水文模型：本构关系

Reggiani等提出的代表性单元流域方法是应用热力学理论构建尺度协调水文模型的最初尝试,Tian等扩展了Reggiani等的代表性单元流域定义,在此基础上构建的流域热力学系统水文模型能够物理地模拟流域上发生的各种主要水文过程,方便了新子区和相物质的增加,增强了模型的可扩展性。针对Tian等建立的基本方程,初步建立了其中质量交换项和动量交换项的本构关系及几何关系,形成了闭合的常微分方程组,使模型可应用于流域水文模拟的实践。     

伪均质固液两相流水陆压力的计算方程及验证

根据伪均质固定液两相流的特征，推求了连续方程及运动方程，建立了伪均质固液两相流水陆模型，并根据实验资料对伪均质流水击模型进行了验证，由于该模型推导中考虑了伪均质固液两相流黏度、阻力及波速的特点，与单相流模型相比具有较高的精度。     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

含高浓度固体粒状物料管流中水击规律

分别研究了伪均质流和非均质流这两类浆体水击的规律 ,推导了浆体水击压力波波速、最大水击附加压强计算公式 ,并根据实验对公式作了初步验证 .     

超晶格纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格纳米线的几何形变与热传导性能. 模拟结果显示, 由于界面晶格不匹配, 在超晶格纳米线内部发生了明显的几何形变. 对于周期长度固定的超晶格纳米线, 界面热阻在总热阻中的比例及导热系数不随周期数改变而改变. 随着周期长度的增大, 超晶格纳米线的几何形变量逐渐减小, 导致平均界面热阻逐渐增大, 表明界面热阻不仅取决于界面层的材料特性, 同时也与超晶格结构的几何形变量相关, 在声阻不匹配模型中应考虑纳米尺度下材料晶格结构的变化. 仿真结果还证实了尺度效应对低维结构热传导性能的影响, 即随着超晶格纳米线横截面面积的增大, 导热系数将增大.     

分布式生态水文模型EcoHAT系统开发及应用

水循环模拟系统（Hydro Informatic Modeling System,简称HIMS）的开发已为水循环模拟提供了综合的模拟工具.本文为扩展HIMS系统的应用,紧密集成RS/GIS技术,自主开发了生态水文模拟系统（Ecohydrological Assessment Tool,简称EcoHAT）,对生态水文过程进行模拟.该系统以基本的生态水文过程为基础,集成了参数管理、RS参数反演、模型定制工具、GIS分析等工具,实现了区域尺度的分布式生态水文模拟,为水资源可持续利用提供了新的思路.通过EcoHAT在我国黄河流域典型地区、贵州酸沉降地区及北京官厅水库库岸带等地区的应用,表明EcoHAT系统能有效模拟和分析区域生态水文过程,为流域水资源综合管理提供技术支撑.     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟

本文针对悬移质泥沙输移,采用两相浑水模型进行描述,基于SELFE水动力学模型,尝试通过三维数值格式对两相浑水模型进行探索性模拟.建立了两相浑水模式的离散方程,完善了相应的边界条件,采用多组水槽资料率定并验证了模型的可靠性.并以宁蒙黄河2012年洪水为例,采用离散后的模型对宁蒙黄河青铜峡至石嘴山200 km河段进行了数值模拟.并以该河段洪水的洪峰传播特性、不同河段的环流特性、河段泥沙输移及河床冲淤等为重点关注了改进后的模型.结果表明:计算水位、地形、含沙量等数据与实测资料有较好的吻合,环流特性与理论分析一致.综合表明改善后的模型能很好的应用于悬移质泥沙的模拟.     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

页岩纳米孔吸附气表面扩散机理和数学模型

页岩富含纳米孔,且吸附气占总气量可高达85%,因此页岩气表面扩散对气体传输具有重要的作用.页岩气藏压力高,页岩表面能量非均质性强,吸附气非等温解吸附等,均加剧了吸附气表面扩散模拟的复杂性.基于低压条件下推导的Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了页岩吸附气表面扩散模型.同时,该模型还考虑了页岩表面能量非均质性、等量吸附热和非等温解吸附对表面扩散的影响.研究表明:1)表面扩散系数随压力的增大而增大,随温度的升高而增大,随表面活化能的减小而增大,随气体分子量的减小而增大;2)黏性流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,主要受孔隙尺度和压力的控制;3)表面扩散在微孔(半径2 nm)中,对气体传输贡献大,可高达92.95%;在宏孔(半径50 nm)中,贡献低于4.39%,可忽略;在介孔(2半径50 nm)中,表面扩散的贡献介于微孔和宏孔之间.     

E非均质形核润湿角数学模型研究

分析了非均质形核润湿角, 根据均质形核和非均质形核的动力学条件, 推导了非均质形核的润湿角模型. 利用润湿角模型计算了铁液非均质形核过程中不同形核剂的润湿角, 计算结果表明大部分形核剂的润湿角都小于40°, 而f(q)的值远远小于1. 在一般的形核剂中, TiN, TiC和Re₂O₃的润湿角较小, 而MnO的润湿角较大. 本模型计算出的润湿角与其他研究结果一致.     

污染物通过有缺陷膜复合衬垫的一维运移解析解

为了研究污染物通过有缺陷膜复合衬垫的运移特性及为复合衬垫的性能评价提供一个简便方法,建立了污染物通过复合衬垫中的一维渗漏扩散模型.在假设污染物通过土工膜为稳态运移的基础上,结合拉氏变换得到了模型的解析解.和数值方法的比较验证了该解析解的合理性和正确性.分析结果表明,对于重金属离子,土工膜的施工质量和渗滤液水头对复合衬垫的防污性能具有很大的影响,水头从0.3m增大到10m时,击穿时间从50a减少到19a;对于挥发性有机污染物,高水头及土工膜施工质量较差情形下,污染物通过土工膜缺陷的渗漏量亦不容忽视.仅考虑重金属离子通过土工膜缺陷的渗漏会导致不保守的结果.即使在低水头作用下,GCL复合衬垫对挥发性有机污染物的防污性能亦较差.该解相对简单,能用于复合衬垫的初步设计、拟合试验数据及验证较复杂数值模型等.     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

一类动态多尺度系统的最优滤波

研究一类动态多尺度系统的最优滤波, 这类系统由具有不同分辨率的多个传感器独立观测, 而系统具有已知的动态系统模型约束. 假设传感器的信号采集带宽成倍递减, 相应的采样频率也成倍递减. 用Haar小波变换来拟合状态在各尺度空间的投影关系, 给出该类多尺度系统的离散模型, 并证明了其可以直接应用Kalman滤波的条件. 基于线性时不变系统, 研究了系统的可控可测性以及滤波的稳定性, 并给出了一个判定定理, 证明系统只要在最细尺度上可控可测, 则Kalman滤波是稳定的. 最后以匀速直线运动过程为例, 验证了所提建模与估计方法的有效性.     

圆柱形粗糙表面的弹塑性分形接触模型

基于分形理论建立了圆柱形粗糙表面力学模型,采用W-M函数模拟了与分形维数D,形貌尺度参数G有关的圆柱形粗糙表面的等效轮廓.推导了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,得到了圆柱形粗糙表面均分份数与微凸体尺度的变化关系.对传统的微凸体面积密度分布函数进行改进,获得各频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到整个圆柱形粗糙表面的无量纲接触载荷与无量纲真实接触面积之间的关系.研究结果表明:粗糙表面中微凸体的临界接触面积是尺度相关的,微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形.圆柱形粗糙表面的力学性能与微凸体的分布范围相关.当前6个频率指数的微凸体小于等于临界弹性频率指数,粗糙表面表现出近似的弹性性质,当前6个频率指数的微凸体处于临界弹性频率指数和临界塑性频率指数之间,粗糙表面表现出先弹性后弹塑性的性质.当前6个频率指数的微凸体大于临界塑性频率指数,粗糙表面呈现非弹性变形性质.     

由硅酸盐水泥的观测数据反向萃取水化早期动力学方程

早期水化反应对于硅酸盐水泥浆体微观结构的形成和强度的发展有着重要影响.然而由于水泥水化过程中发生了多相多尺寸并且相互关联的复杂的化学和物理变化,因此使得人工推导水化动力学方程的研究存在很高的难度.利用基因表达式编程与粒子群算法相结合的进化计算方法从观测到的硅酸盐水泥水化程度时间序列数据中自动地萃取出了水化早期的动力学方程,并通过GPU进行并行加速来减少运算时间.研究显示,根据该动力学方程得到的模拟曲线可以很好的吻合水化早期观测到的实验数据,而且即使化学组成、颗粒尺寸和养护条件发生改变,该方程仍然具有良好的泛化能力.