微纳尺度单相液体流动机理研究

发布时间：2020-04-22 23:57

【摘要】：微纳尺度液体流动机理的研究是推动微机械电子系统发展和实现致密油高效开发的一个关键因素。由于特征尺寸小,传统的流体力学方法不再适用,液体流动必须从分子运动的观点加以描述。分子动力学模拟以微观粒子之间的势能模型为基础,不引入常规假设,在探索纳米尺度下的物理现象具有独到的优势。本文在理论分析的基础上,使用分子动力学方法模拟研究液体在纳米通道中的流动特性,探讨了“微尺度效应”的内在作用机理,同时辅以逾渗网络模拟技术确立了微纳米通道及复杂网络模型中单相液体的线性流动机理。论文开展的主要研究内容及取得的成果如下:(1)基于经典流体力学理论推导了不同边界条件下的流体力学方程,同时利用分子动力学方法模拟研究了纳米尺度单相液体的流动规律,验证了连续性流体力学理论在微纳尺度下的适用性。从本质上分析了边界黏附层和速度滑移现象出现的内在动力学机制,边界黏附层仅有分子尺度,但滑移长度却高达纳米级别,对微纳尺度液体流动的影响不可忽略。此外,速度滑移不仅出现在流体壁面,在界面区域流体内部也有不同程度的滑移。(2)微纳尺度下流体与壁面之间的相互作用诱发了液体结构和动力学性质发生变化,极大的比表面积进一步增强了这种变化,主要表现纳米流体的“非牛顿流体”现象。引入了有效粘度计算模型,完善了微纳尺度流体力学理论,同时通过有效滑移长度概念将边界黏附层和界面速度滑移结合起来,建立了统一的微纳尺度流体力学模型,并经过理论分析和数据比对验证了模型的有效性。(3)开展微纳尺度单相液体流动实验,明确了微米级石英圆管中单相去离子水的线性流动特征,基于本文建立的微纳尺度流体力学模型分析了直径1μm圆管中单相液体流动偏离理论预测值达-60.98%的原因。对比致密油储层岩样模拟地层水流动实验结果,结合边界黏附层理论探讨了部分致密岩样非线性流动的原因。(4)为明确复杂连通微纳米通道中单相液体的流动特性,利用核磁共振技术提取非线性流动岩样的孔喉结构参数并建立了与之对应的孔隙网络模型。基于逾渗理论结合微纳尺度流体力学模型研究不同孔径和润湿角的网络模型中单相液体流动规律,最终确定了水力学光滑的微纳米通道以及复杂连通的微纳米网络模型中单相液体的线性流动机理。通过上述研究,明确了连续性流体力学理论适用的临界尺寸,揭示了微纳尺度下流体与壁面之间的作用机理,建立了简单有效的微纳尺度流体力学模型,丰富了微纳尺度流体力学理论,为深入开展微纳尺度流体力学行为研究奠定了基础。
【图文】：

速度分布,边界层参数,实验数据拟合,流体

逦压力梯度／ＭＰａ．ｍ－１逡逑图１－１实验数据拟合结果及边界层参数变化逡逑如图１－１左图所示，由上述变化特征，当驱动力为零时，整个流体都是黏滞层，因逡逑此假设：逡逑５＝ｒ，ｅ＾逡逑式中，５为边界黏附层厚度；ｒＱ为微圆管半径，ｃ为边界黏附层参数。逡逑根据牛顿流体应力应变关系则有：逡逑Ｔ邋＝邋／ＵＳ逡逑式中，Ｔ为流体所受应力，，￡为流体的应变。逡逑对于圆形管道则应力应变关系可具体表示为：逡逑由假设，边界黏附层厚度为Ａ相当于有效流动半径减少ｄ＇，对上述方程从ｒ到逡逑进行积分则有：逡逑求解以上积分，得到考虑边界黏附层时，流体在圆管中的速度分布：逡逑—Ｖ邋和２１口逡逑Ｖ邋＝邋－邋逦逦逦逦邋＼ｐ逡逑４／／逦’逡逑代入边界层厚度为（５表达式，得到：逡逑３逡逑

技术路线图

图１－２技术路线图逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH-39

【参考文献】