孔隙介質(zhì)中流體界面不穩(wěn)定性與混合的相互作用機理研究.pdf

1、孔隙介質(zhì)中互溶流體間的界面不穩(wěn)定性和流體混合現(xiàn)象在二氧化碳埋存、石油采收、燃料電池和微流體機電中廣泛存在，該類問題已成為能源、環(huán)境、化工和微電子領(lǐng)域中的共性基礎(chǔ)科學(xué)問題。由于孔隙介質(zhì)內(nèi)流體之間的相互作用十分復(fù)雜，人們對此類現(xiàn)象內(nèi)部規(guī)律和機理的認知還不夠深入。本文針對孔隙介質(zhì)中流體流動與擴散的特點，建立能準確描述孔隙介質(zhì)中流體界面不穩(wěn)定性與流體混合的模型，并從孔隙尺度對流體界面不穩(wěn)定性和流體混合這兩者的相互作用進行分析研究，加深對此類復(fù)雜

2、流動內(nèi)在機理的認識，對二氧化碳埋存和驅(qū)油等工程實際問題起到一定指導(dǎo)作用。論文的主要工作包括：
　　(1)提出了適用于孔隙介質(zhì)中大P′eclet數(shù)和大粘性比下流體流動及擴散的耦合格子Boltzmann模型。該模型能有效求解不可壓Navier-Stokes方程和對流擴散方程，具有二階精度和良好的穩(wěn)健性，且對于大P′eclet數(shù)和大粘性比的情況有著很好的數(shù)值穩(wěn)定性，能正確地描述此時孔隙尺度下孔隙介質(zhì)中流體的流動和擴散。
　　(2)

3、對孔隙尺度下各向同性和各向異性多孔介質(zhì)中粘性互溶驅(qū)替過程中的流體混合進行了標度分析和數(shù)值模擬。研究從孔隙尺度動力學(xué)出發(fā)，對表征流體混合的標量耗散率進行標度分析，發(fā)現(xiàn)在孔隙介質(zhì)內(nèi)粘性指進的發(fā)展過程中標量耗散率的演化是非單調(diào)的，且標量耗散率的標度與粘性指進和分子擴散的相互競爭緊密相關(guān)。當擴散占主導(dǎo)作用時，標量耗散率隨時間增加而下降；而當粘性指進占主導(dǎo)作用時，標量耗散率隨著時間的增加不降反升。在粘性指進和擴散的共同作用下，流體混合得以加速進行

4、。該研究結(jié)果有助于理解在二氧化碳混相驅(qū)油中，粘性指進的發(fā)生可促進超臨界二氧化碳與原油的混合，降低原油粘度，使原油更容易地被驅(qū)替出來，從而提高石油采收率。本文還通過格子Boltzmann模擬分析了各種因素對粘性指進和流體混合發(fā)展過程的影響。研究結(jié)果表明，在P′eclet數(shù)較小，流體初始界面面積、驅(qū)替流體初始所占比例、粘性比和滲透率較大，驅(qū)替流體注入方向與滲透率主方向較大的一方平行時流體混合較快。盡管不同情況下多孔介質(zhì)內(nèi)粘性指進與流體混合相

5、互作用的具體進程有所差異，但標量耗散率演化的整體趨勢一致，且該趨勢與標度分析結(jié)果相吻合。
　　(3)研究了孔隙介質(zhì)中Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor Instability，RTI)和流體混合的相互作用。通過研究不同Schmidt(Sc)數(shù)下RTI的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)孔隙介質(zhì)中RTI的發(fā)展過程具有自相似性。此外，文中還研究了RTI發(fā)展過程中的標量耗散率，發(fā)現(xiàn)其演化趨勢是非單調(diào)的，且可分為下降上升再