多孔介质中流体的若干流动特性研究

论文摘要

多孔介质广泛存在于自然界、工程材料、生物体和地下结构中,由于其微结构的复杂性,所以流体在多孔介质中的流动问题越来越受到人们的广泛关注。本文首先对多孔介质和分形的基本概念做了简要介绍,然后综述了分形几何理论基础。第二部分采用几何分析法研究了二维和三维情况下的球形颗粒、立方体颗粒和板状颗粒多孔介质中流体流线的迂曲度,首先给出多孔介质的理想几何模型,通过分别考虑固体颗粒重叠时、不重叠时以及粒子的不同排列等情形时的流体流线,然后对这些理想代表性流线的迂曲度取几何平均和加权平均,最后推导出流体流过多孔介质的迂曲度解析表达式。本模型与实验数据和数值模拟结果均吻合很好,且迂曲度仅仅是孔隙率的函数,没有经验常数,因而有助于人们理解多孔介质中弯曲流线迂曲度的物理机理。第三部分研究了幂律流体和宾汉姆流体在多孔介质中的流动。考虑到实际毛细管的弯曲性和毛细管管径的分形分布,给出了单毛细管中幂律流体的流量、水力传导系数和视粘度的分形表达式;给出了多孔介质中幂律流体的流量、流速、视粘度和有效渗透率的分形表达式;给出了多孔介质中宾汉姆流体的流量、流速和启动压力梯度的分形表达式且详细分析了启动压力梯度的影响因素。本模型将非牛顿流体与多孔介质的微结构参数有机联系起来,使我们更能深刻理解非牛顿流体在多孔介质中流动的内在机理。第四部分研究了分形多孔介质中牛顿流体的平面径向和平行流动,考虑到实际毛细管的弯曲性和毛细管管径的分形分布,给出了径向和平行流动时的孔隙数目、孔隙率、流量、流速和渗透率的分形表达式;得到了分形多孔介质中微可压缩流体的压力分布方程;得到了无量纲的渗透率、压力和流速的解析表达式。分形多孔介质中径向和平行流动的压力分布方程在形式上与传统方法所得一致。本文最后指出了采用分形理论和方法有可能解决的多孔介质其它输运性质参数的课题和方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 综述
• 1.1 多孔介质及分形概述
• 1.2 分形几何理论基础
• 1.3 本文工作简介
• 2 多孔介质中的流线迂曲度分析
• 2.1 迂曲度简介
• 2.2 迂曲度的几种求解方法
• 2.3 二维多孔介质中的迂曲度
• 2.4 三维多孔介质中的迂曲度
• 3 多孔介质中非牛顿流体的渗流分形模型
• 3.1 渗流和非牛顿流体概述
• 3.2 幂律（POWER-LAW）流体的渗流分形模型
• 3.3 宾汉姆（BINGHAM）流体的渗流分形模型
• 4 各向同性多孔介质中流体流动的分形研究
• 4.1 基本方程
• 4.2 平面径向流动的分形模型
• 4.3 平面平行流动的分形模型
• 4.4 分析和讨论
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文