二氧化碳-水-岩作用机理及微观模拟方法研究进展

系统综述CO_(2)-水-岩复杂作用机理、多孔介质反应输运(溶解、沉淀及沉淀运移)微观模拟、CO_(2)-水-岩系统微观模拟3个方面的研究进展,指出目前研究存在的主要问题并提出了关于未来研究方向的建议。CO_(2)注入储集层后,不仅存在常规渗流体系的流动和传质作用,还会产生溶解、沉淀及沉淀运移等特殊物理化学现象,其耦合作用导致多孔介质的孔渗参数变化规律复杂。孔隙尺度的微观渗流模拟,可以得到孔喉三维空间内的详细信息,且能显性观察到多孔介质流-固界面随反应的变化。目前研究主要在复杂作用机理解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征(晶体成核和矿物脱落)、沉淀-流体相互作用模拟方法、多物理化学过程耦合渗流机制等方面存在局限。未来研究中,需要创新实验方法对“溶解—沉淀—沉淀运移”解耦合,提高矿物地球化学反应相关参数实验测试的准确度,在不同沉淀机理可靠表征的基础上,建立沉淀-流体相互作用模拟方法,并有机耦合各个物理化学过程,最终实现对CO_(2)-水-岩系统中“溶解—沉淀—沉淀运移”的耦合渗流模拟。

基于微观连续介质模型的反应溶质运移数值模拟方法

地下环境中流固间的反应溶质运移过程控制着地质介质演化规律,并受岩石固有非均质性的影响,衍生出非线性行为与多尺度效应。为了面向更为复杂化的应用需求,解析微观特征与表观行为间的响应-反馈机制成为了重要的科学与工程命题。本研究系统地介绍了微观连续介质概念与模型框架,以及该模型方法的实现方式,并归纳了其在不同研究体系中的应用实例,最后重点分析了该方法在实验-数值联合研究中的发展前景与预期挑战。数值模拟方法已被广泛应用于反应溶质运移过程的定量研究之中,但单一孔隙或达西尺度数值模型难以应对机理研究与实例应用间的时空尺度跨度。近年来多尺度数值模拟方法体系不断发展,其中将Darcy-Brinkman-Stokes方程作为多流态数学统一表达,以微观连续介质模型作为多尺度信息关联方式的数值模拟框架,在流固界面追踪、高效数值求解等方面展现出一定的方法优势与应用潜力。

多孔介质微观结构对柴油机颗粒捕集器性能影响的模拟探究

为了优化柴油机颗粒捕集器的捕集、压降性能,本文基于孔径概率密度函数和孔隙率分布函数建立了二维柴油机颗粒捕集器孔道微观结构模型,考虑了拦截机理和扩散机理用以计算颗粒在过滤器中的沉积分布情况和捕集效率。计算结果表明:多孔介质微观结构和入口速度对颗粒捕集效率的影响与粒径有关,100 nm粒径颗粒随流速增大初始捕集效率降低最为明显,1000 nm粒径颗粒在不同均匀性的过滤壁下的捕集效率差超过了30%;孔径分布函数方差越大,颗粒就会更多地分布在过滤壁前端,捕集效率也越高,但较大的孔径方差会导致捕集器的初始压降增大和捕集过程结束时的性能出现恶化。

扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱微观渗流特征模拟

利用数值模拟方法建立CO_(2)非混相驱数值模型,使用水平集法模拟扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱和近混相驱的微观渗流规律,并对CO_(2)在孔隙中的微观渗流特征及扩散吸附特征进行研究,选取注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等参数研究近混相驱微观渗流特征的影响因素。研究结果表明:①相场法CO_(2)驱数值模拟采出程度为51.29%,水平集法CO_(2)驱数值模拟采出程度为53.60%,因此水平集法更适用于CO_(2)非混相驱的渗流过程模拟。②非混相驱条件下,CO_(2)优先向大孔隙扩散,采收率为87.7%,出口气体体积分数为71.60%,CO_(2)最大表面吸附浓度为3.16×10-4mol/m^(2);近混相驱条件下,CO_(2)更易向小孔隙扩散,采收率为91.1%,出口含气率为97.01%,CO_(2)最大表面吸附浓度为5.81×10-4mol/m^(2)。③近混相驱微观渗流特征受注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等因素影响。注入速度增大,出口含气率和采收率均提高;扩散系数和吸附反应速率常数增大,会使采收率提高,出口含气率下降。

咸水层CO_(2)残余埋存机理的微观数值模拟研究

基于矿场岩心铸体电镜扫描图生成的二值化图片建立二维气液两相渗流模型,利用相场法研究微观条件下CO_(2)的赋存状态与埋存机理,并分析了储层润湿性、气液两相界面张力及地层水回流速度等因素对CO_(2)残余埋存效果的影响。结果表明:当地层水回流后,CO_(2)被大量封存下来,此时CO_(2)赋存状态主要以柱状、孤滴状和盲端状为主;地层水回流时的速度对于残余气饱和度影响较大,而储层润湿性与气液两相界面张力对于残余气饱和度影响较小。此研究对于从微观角度认识CO_(2)残余埋存机理具有指导意义。

基于分子模拟的微观结构特征对无烟煤吸附CH_(4)、CO_(2)影响规律对比研究

为探究煤的孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度、气体温度、气体压力对CH_(4)和CO_(2)竞争吸附的影响,以晋城矿区3号煤为研究对象,对不同温度、压力、孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度下煤吸附CH_(4)、CO_(2)二元混合气体的过程进行研究。基于工业分析、X射线衍射试验对煤的微观结构进行测试与分析,采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法对煤吸附混合气体的过程进行分子模拟。结果表明:气体压力增加有利于吸附,压力为5 MPa时,CO_(2)的吸附量已接近饱和;温度增加会导致煤对CO_(2)的最大吸附量和吸附热降低;孔径增大会使煤对CH_(4)的吸附量增大,孔径从1 nm增加到2 nm,CH4的吸附量增加最快;随着芳香片层堆砌度的增加,煤吸附的气体分子数变化不明显,但单位质量煤对CO_(2)的吸附量呈迅速下降趋势,对CH4的吸附量略有降低;随着芳香片层延展度的增加,煤吸附的CH_(4)分子数缓慢增加,吸附的CO_(2)分子数快速增加,单位质量的煤对2种气体的吸附量变化不明显;从吸附量和吸附热2个角度来看,CO_(2)在竞争吸附过程中均处于优势地位,因此向煤层注入CO_(2)可有效驱替CH_(4)。研究结果加强了分子层面对CH_(4)、CO_(2)二元混合气体吸附的认识,可为注CO_(2)强化煤层气开采奠定理论基础。

基于大数据微观模拟的企业所得税优惠政策评估

本文基于全国企业汇算清缴大数据及现行企业所得税税制结构和课征办法,建立能够精准追踪企业所得税具体政策措施对企业属性及行为反应微观归宿的微观模拟模型,并且应用模型对我国企业所得税优惠政策的执行效果进行研究。研究结果表明,企业所得税优惠政策可以显著改善企业经济状况,为优化我国经济结构和稳定社会发展提供了助力,对促进我国企业发展、拉动经济增长、稳定社会就业起到了积极的作用,实际作用效果与政策目标基本吻合。未来需要通过持续深化企业所得税改革、适度引导企业的税收政策行为反应等途径,进一步强化企业所得税改革对经济高质量发展的促进作用。

《微观经济学》模拟实验教学数字化改革的实施路径

随着微观经济学传统教学方法弊端的不断显现,模拟实验教学法应运而生,但受实施成本、学生接受度以及现行教学管理制度等多重因素的联合制约,当前我国《微观经济学》模拟实验教学的开展并不顺畅,如何借助大数据、云计算、VR、AR、5G等现代数字技术手段深化《微观经济学》课程模拟实验教学改革正迫在眉睫。为此,从数字化视角出发,对《微观经济学》课程的模拟实验教学改革问题进行了系统探讨。首先,教学改革研究团队结合成员过往教学经历,对其模拟实验教学面临的困境进行归纳总结。然后,从整体性视角出发,对其模拟实验教学数字化改革的潜在功效进行系统提炼。最后,结合数字技术发展实际,对其模拟实验教学数字化改革的实现路径进行科学规划。研究结果显示:《微观经济学》模拟实验教学数字化改革将赋能实验场景营造,降低场景营造成本。提高实验情景的逼真度,改善模拟实验教学体验。增进模拟实验教学的标准化程度和可监督水平,减少课程模拟实验教学的推进阻力,促进其模拟实验教学的高质量发展。与此相对,基于虚拟仿真技术的模拟实验网络教学平台作为一种先进的教学工具与教学模式,是数字技术与《微观经济学》课程模拟实验教学过程深度融合的新产物。为了搭建完善的模拟实验网络教学平台,开课单位应遵循“开发准备-平台开发-平台使用-平台维护”的开发思路进行有序建设。

储层微观参数对剩余油分布影响的微观模拟研究

建立了油水两相流三维网络模拟模型。在水湿、油湿、中性3种储层条件下,通过微观模拟分别讨论了孔隙半径、孔喉比、形状因子、配位数等储层微观参数对剩余油分布规律的影响。研究结果表明:对于油湿和中性储层,孔隙半径、配位数愈小,形状因子愈大,孔隙中存在剩余油概率愈大;对于水湿性储层,孔隙半径增大,形状因子减小,产生剩余油的概率反而增加。具有合适配位数的孔隙,驱油效率较高,较大或较小配位数情况下孔隙中都容易产生剩余油。无论是水湿、油湿还是中性储层,随着孔喉比的增大,总体上孔隙中存在剩余油的概率加大。

TA15钛合金高温变形微观组织演变分析与数值模拟

在Gleeble-1500型热模拟实验机上研究TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金在温度860-1100℃、应变速率0．001～10／s、变形程度15％-75％条件下的微观组织演变规律。结果表明，该合金在温度860-980℃范围内成形时，随着温度的升高，初生口相减少，动态再结晶逐渐受到抑制；随着应变速率的降低，初生α晶粒略有增大。该合金在1040-1100℃范围内成形时，软化机制主要为动态回复，塑性成形后的组织由扁条状口晶粒构成，晶界处有少量呈锯齿状的再结晶晶粒。基于定量金相测量，建立了TA15钛合金860-980℃高温变形时初生α相体积分数、晶粒尺寸以及再结晶分数模型。将模型与有限元结合，对热压缩成形过程组织演化进行了数值模拟。模型平均误差小于13％，可以满足预测需要。

低压铸造ZL114A铝合金微观组织模拟

在大最实验数据统计分析的基础上,建立了低压铸造ZL114A铝合金形核模型,得到了相关热力学、动力学参数.采用了一种改进的Celluar Automaton方法耦合有限差分法对合金的宏观凝固及微观组织演化过程进行了数值模拟.考虑了固/液界面的溶质再分布、微观固相分数、曲率以及各向异性因素.利用阶梯铸件研究了不同冷却速度下晶粒度、二次枝晶臂间距以及共晶组织含量的变化规律,并将模拟值与实验值进行了对比验证.

镍基合金叶片凝固过程微观组织模拟及工艺优化研究

本文以真空熔模铸造Ｋ４１７镍基高温合金涡轮叶片为研究对象，用宏观传热、传质与微观形核、生长相统一的数学模型，描述了微观组织形成的动态过程。模型考虑了非均质形核的机理及影响因素，用ＣｅｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ法对有效核心的分布作了统计描述，用枝晶尖端生长动力学模型研究了晶粒的生长及〈１００〉择优晶向对生长的影响，确立了由柱状晶到等轴晶转变的判据，并成功地对晶粒生长过程进行了计算机屏幕动态彩色显示。根据计算结果找出了影响叶片微观组织的主要工艺因素是浇注温度、型壳温度、填砂粒度和孕育剂粒度。根据最佳工艺参数组合，制定了优化工艺，用于实际生产后，基本消除了粗大晶粒、缩孔、缩松等缺陷，使叶片铸造合格率比原工艺提高了２２．８３％。

Ni-Al-V合金有序畴界面结构的微观相场模拟

利用微观相场动力学模型模拟了Ni-Al-V合金沉淀有序相之间界面的微结构及其演化过程。研究结果表明,L12相之间形成3种类型的畴界结构,界面宽度较小,其中一种界面处Al原子占位几率基本达平衡值。D022相根据投影后[10]和[01]两个不同取向的结合,形成8种类型的畴界结构,相同取向的畴界较宽,不同取向的畴界处V原子占位几率较高。两种不同有序相形成4种类型畴界,由于后析出相在先析出相的界面形核长大,界面处相应原子占位几率达平衡值,两相界面处连续过渡。D022有序相[01]方向形成的界面随沉淀过程进行,由无序变为有序窄界面,之后界面处又发生分解成为无序相。

基于一种改进CA模型的微观组织模拟

基于热传输、溶质传输等基本传输过程及晶粒生长物理过程,建立了单相合金凝固过程微观组织及枝晶形貌演化的三维数学模型,并提出了新的生长模型和单元捕获规则,新规则在三维立方有限差分单元的基础上保证了晶粒在各个随机的优先生长方向生长时的枝晶连续性,并较好的在三维立方网格中体现出了晶粒形貌．此外,模型中考虑了成分过冷、曲率过冷和晶粒随机各向异性生长等重要因素．数值模拟结果表明．所建立的数学模型能够合理描述晶粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理．多晶核定向生长模拟结果表明,多晶核定向竞争生长达到稳定状态时,枝晶间的一次枝晶臂间距与初始形核数目无关．所建立的模型和晶粒捕获规则适用于进一步定向凝固微观组织演化的研究．

变压器绝缘纸热老化降解微观机理的分子模拟研究

基于原子水平的分子模型模拟分子的结构与行为,将有助于更深刻地分析变压器绝缘纸热降解的各种复杂现象的微观机理。为此,利用分子动力学(MD)方法与密度泛函理论(DFT)建立了绝缘纸纤维素的降解模型。采用COMPASS力场对绝缘纸纤维素分子在热场作用下的微观降解过程进行了分子动力学模拟研究。并结合原子力显微镜(AFM)观测分析了实验的绝缘纸热降解特性。模拟结果表明纤维素分子主链的β-1-4糖苷键连接处最易发生断裂,直接导致其聚合度降低,热对纤维素的降解很大程度上影响了绝缘纸的聚合度水平。分子模拟结果与实验实测结果比较相符。

储集层微观参数对油水相对渗透率影响的微观模拟研究

为描述储集层微观参数对油水相对渗透率的影响,建立油水两相流的三维准静态孔隙网络模型,运用逾渗理论描述微观渗流机制,模拟初次油驱和二次水驱过程,并对相对渗透率进行了预测,计算结果与实验结果变化趋势基本一致,验证了孔隙网络模型模拟的有效性。利用孔隙网络模型研究水湿情况下孔喉比、配位数、形状因子对相对渗透率的影响。结果表明:孔喉比增大,残余油饱和度增大,水相达到同样的渗流能力所对应的含水饱和度相对增加;配位数增大,两相共流区变大,残余油饱和度减小,配位数对非润湿相油的相对渗透率影响较大;形状因子增加,残余油饱和度减小,两相共流区变大。

孔隙介质渗流微观数值模拟

论述了孔隙介质渗流宏微观研究之间的联系,以及微观渗流研究的重要意义。综述了国内外有关渗流微观结构模拟方面的研究问题和当前主要研究方法,分析了各种微观物理模型及相应的各种数学模型的研究特点和研究手段。比较了孔隙结构研究的随机模拟方法和全局升尺度法,指出了两种方法的优缺点,最后对孔隙介质微观渗流研究的发展趋势进行了展望。

聚合物驱后微观剩余油分布的网络模型模拟

利用网络模型研究了储层特性(孔隙半径、连通性、均质性和润湿性)对聚合物驱后剩余油含量及微观分布形态的影响。在模型中考虑了聚合物的非线性粘性、吸附和捕集等特性。将微观剩余油分为孤立状、条带状和网络状3种不同的分布形态。模拟结果表明,随着孔隙半径的增大,孤立状剩余油增多,网络状剩余油减少。随着连通性的增强,孤立状剩余油增多,其他两种形式剩余油变化趋势复杂多样。储层均质性对孤立状和网络状剩余油的影响均比较明显。在3种影响因素下,网络状剩余油所占比例明显大于孤立状和条带状。随着储层润湿性的增强,剩余油饱和度降低的速度减慢。

基于Level set方法的微观水驱油模拟分析

通过引入Level set方法,构建两相界面运移数学表征方法,结合Navier-Stokes方程建立两相微观渗流数学模型,借助有限元方法进行求解,并利用微观玻璃刻蚀模型驱替实验验证数值模拟结果。结果表明,基于该渗流数学模型的数值模拟结果与实验结果的吻合度很高。利用Navier-Stokes方程并结合Level set方法实现了两相流体驱替的微观数值模拟,从而为研究微观两相渗流特征及驱油机理提供了一种新方法。在不等径并联喉道单元模型基础上,进行了不同驱替条件下的数值模拟计算,分析了发生孔隙尺度两相窜流的临界喉道直径比的变化特征,结果表明驱替压差及油水两相黏度比越大,越容易发生微观窜流,更易导致在较小喉道中形成微观残余油。本文研究结果为微观水驱油机理的进一步研究奠定了基础。

砂岩孔隙介质内天然气运移的微观物理模拟实验研究

采用真实的砂岩微观模型,通过与实际地质状况较为相似条件下的气驱水运移实验模拟天然气在砂岩孔隙内的二次运移,直接观察了天然气在砂岩孔隙、喉道内运移的过程和特征,在此基础上,分析和探讨了真实砂岩孔隙介质中天然气的微观运移机理。研究发现,天然气运移路径的形态通常迂回曲折,表现复杂的分支状特征,而且气体只沿毛细管阻力最小的运移路径向前运移;受真实砂岩孔隙结构的非均质性和运移动力变化的影响,天然气运移的速率不均一,呈现出跳跃式的运移方式;在孔喉比相差较大的亲水介质中,气体的卡断现象较为普遍,卡断增加了气体运移的阻力,对天然气运移十分不利;外界突发性的振动能够增加天然气运移的有效性。