多孔介质微观输运特性研究

多孔介质微观输运特性研究

多孔介质(如天然岩石和人造材料)的微观孔隙结构非常复杂、具有极强的微观非均质性特征,从实验室测量得到的输运特性(如电导率、渗透率和热导率)受到各种结构因素的加权影响。岩石的宏观传输特性从根本上取决于其微观结构的特征,造成流体或电流在其内部流动异常复杂,单一的孔隙模型不能很好的模拟不同类型沉积岩石的输运特性,造成预测模型的精度不高。如何对多孔介质输运性质进行参数表征以及不同尺度/岩性/饱和状态的实验数据拟合及系数关联,提取具有普适性的特征因子,是定量预测与评价岩石特性的重要内容。本文首先总结了现有多孔介质微结构输运特性的理论和表征方法,为进一步研究流体输运特性、电传导特性和热传导特性奠定基础。

逾渗理论、有效介质理论和分形理论是常用的表征多孔介质输运性质的理论方法。基于这些多孔介质分析理论,可将多孔介质结构衍生为有效介质模型、孔隙网络模型、迂曲度模型、分形模型和逾渗网络模型,这些模型几乎涵盖了整个多孔介质输运特性表征模型。本文分析了这些理论/模型的适用性,发现逾渗理论可以较好地适用于微观结构下低孔低渗多孔介质的输运特性表征,有效介质理论适用于宏观介质下各结构对输运特性影响的加权平均,而分形理论适用于从微观尺度到宏观尺度间的介观尺度下输运特性研究。然后讨论了基于分形毛细管束模型的渗透率模型和经典Kozeny-Carman渗透率方程的分形改进模型,推导了一种自发渗吸过程中KC常数的解析模型。

该模型在整个渗吸过程中都考虑到重力的影响,可以表示为孔隙度、分形维数、迂曲度、最大水力孔隙直径、流体密度、表面张力和接触角的函数。通过乳状液渗吸实验数据获取了分形维数和迂曲度,并验证了模型的有效性。在对多孔介质渗透率模型研究基础上,分析了孔隙微观结构和固体颗粒的相互作用导致的电流流动行为的高度不确定性,将电导率模型简化为一个与分形维数相关的函数模型,建立了电流在孔隙空间中流动特征的解析模型。该模型可解释Archie公式中经验常数的物理含义并与逾渗理论相关联。

纳米颗粒在流体中相互聚集,形成与多孔结构相似的结构。考虑到纳米流体中热传导的几种传热形式,对于纳米流体中纳米颗粒尺寸的分形分布以及纳米颗粒与液体之间的布朗运动(其中假设纳米颗粒是离散的)产生的热对流,解析这些

过程对热传导的影响比重,从中提取具有参照意义的热传导模型方程。本文推导了一种计算不同凝聚大小分布的纳米流体热导率解析模型,该模型考虑到有效介质理论中的形状因子参数,该因子是纳米颗粒的分形维数和纳米流体中浓度的函数。基于模型计算的有效热导率与实验结果相吻合。

本文研究发现,KC常数、电导率和热导率都可以表示为分形维数的函数,基于逾渗理论可分析具有较小连通性下电流流动迂曲度特征,有效介质理论可将不同因素影响下的纳米颗粒热传导特性相结合,并结合分形理论建立解析模型。