發(fā)布時間：2020-04-22 23:57

【摘要】：微納尺度液體流動機理的研究是推動微機械電子系統(tǒng)發(fā)展和實現(xiàn)致密油高效開發(fā)的一個關(guān)鍵因素。由于特征尺寸小,傳統(tǒng)的流體力學方法不再適用,液體流動必須從分子運動的觀點加以描述。分子動力學模擬以微觀粒子之間的勢能模型為基礎,不引入常規(guī)假設,在探索納米尺度下的物理現(xiàn)象具有獨到的優(yōu)勢。本文在理論分析的基礎上,使用分子動力學方法模擬研究液體在納米通道中的流動特性,探討了“微尺度效應”的內(nèi)在作用機理,同時輔以逾滲網(wǎng)絡模擬技術(shù)確立了微納米通道及復雜網(wǎng)絡模型中單相液體的線性流動機理。論文開展的主要研究內(nèi)容及取得的成果如下:(1)基于經(jīng)典流體力學理論推導了不同邊界條件下的流體力學方程,同時利用分子動力學方法模擬研究了納米尺度單相液體的流動規(guī)律,驗證了連續(xù)性流體力學理論在微納尺度下的適用性。從本質(zhì)上分析了邊界黏附層和速度滑移現(xiàn)象出現(xiàn)的內(nèi)在動力學機制,邊界黏附層僅有分子尺度,但滑移長度卻高達納米級別,對微納尺度液體流動的影響不可忽略。此外,速度滑移不僅出現(xiàn)在流體壁面,在界面區(qū)域流體內(nèi)部也有不同程度的滑移。(2)微納尺度下流體與壁面之間的相互作用誘發(fā)了液體結(jié)構(gòu)和動力學性質(zhì)發(fā)生變化,極大的比表面積進一步增強了這種變化,主要表現(xiàn)納米流體的“非牛頓流體”現(xiàn)象。引入了有效粘度計算模型,完善了微納尺度流體力學理論,同時通過有效滑移長度概念將邊界黏附層和界面速度滑移結(jié)合起來,建立了統(tǒng)一的微納尺度流體力學模型,并經(jīng)過理論分析和數(shù)據(jù)比對驗證了模型的有效性。(3)開展微納尺度單相液體流動實驗,明確了微米級石英圓管中單相去離子水的線性流動特征,基于本文建立的微納尺度流體力學模型分析了直徑1μm圓管中單相液體流動偏離理論預測值達-60.98%的原因。對比致密油儲層巖樣模擬地層水流動實驗結(jié)果,結(jié)合邊界黏附層理論探討了部分致密巖樣非線性流動的原因。(4)為明確復雜連通微納米通道中單相液體的流動特性,利用核磁共振技術(shù)提取非線性流動巖樣的孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立了與之對應的孔隙網(wǎng)絡模型。基于逾滲理論結(jié)合微納尺度流體力學模型研究不同孔徑和潤濕角的網(wǎng)絡模型中單相液體流動規(guī)律,最終確定了水力學光滑的微納米通道以及復雜連通的微納米網(wǎng)絡模型中單相液體的線性流動機理。通過上述研究,明確了連續(xù)性流體力學理論適用的臨界尺寸,揭示了微納尺度下流體與壁面之間的作用機理,建立了簡單有效的微納尺度流體力學模型,豐富了微納尺度流體力學理論,為深入開展微納尺度流體力學行為研究奠定了基礎。
【圖文】：

邐壓力梯度／ＭＰａ．ｍ－１逡逑圖１－１實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果及邊界層參數(shù)變化逡逑如圖１－１左圖所示，由上述變化特征，當驅(qū)動力為零時，整個流體都是黏滯層，因逡逑此假設：逡逑５＝ｒ，ｅ＾逡逑式中，５為邊界黏附層厚度；ｒＱ為微圓管半徑，ｃ為邊界黏附層參數(shù)。逡逑根據(jù)牛頓流體應力應變關(guān)系則有：逡逑Ｔ邋＝邋／ＵＳ逡逑式中，Ｔ為流體所受應力，，￡為流體的應變。逡逑對于圓形管道則應力應變關(guān)系可具體表示為：逡逑由假設，邊界黏附層厚度為Ａ相當于有效流動半徑減少ｄ＇，對上述方程從ｒ到逡逑進行積分則有：逡逑求解以上積分，得到考慮邊界黏附層時，流體在圓管中的速度分布：逡逑—Ｖ邋和２１口逡逑Ｖ邋＝邋－邋邐邐邐邐邋＼ｐ逡逑４／／邐’逡逑代入邊界層厚度為（５表達式，得到：逡逑３逡逑

圖１－２技術(shù)路線圖逡逑
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH-39

【參考文獻】

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本文編號：2637120