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2021 - 01 - 07
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2020 - 12 - 16
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2020 - 12 - 09
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2020 - 11 - 25
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2020 - 10 - 21
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多孔介质渗流现象
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多孔介质渗流现象

介绍

渗流的概念


渗流是指流体在多孔介质内的流动。渗流现象广泛存在于人造材料和自然界中。如地下水的开发、石油的开发、天然气收集、煤炭的开采等都需要对渗流进行分析研究。

多孔介质渗流现象

渗流力学主要研究流体在多孔介质内的运动规律,是流体力学的一个分支。

但同时又与多孔介质理论、表面物理、物理化学、固体力学和生物学等学科交叉渗透,是一门综合的学科。当前的研究主要集中在单相渗流理论、多相渗流理论、双重介质渗流理论、渗流基本定律和多孔介质理论。


渗流理论的应用面也很广。

如在生物医疗领域、海水入侵,水利水电工程、农林工程、冻土工程等都需要对渗流进行分析。


研究渗流区域内水头或地下水位的分布,渗流对建筑物基底的作用力,区域内渗流量,渗流速度以及渗流对多孔结构的影响等。


按其应用范围,大致可以划分为地下渗流、工程渗流、生物渗流3个方面。


CFD仿真在多孔介质中的运用

ANSYS Fluent 中Porous Zone可以分析液体在多孔介质中的流动趋势。


本次以简单模型,模拟液体在多孔介质内的流动情况。

多孔介质渗流现象

▲上图阴影区域对应下面视频中的多孔介质区域


渗透与渗流

输入

实际生活中往往观察到的是液体向固体缝隙内部渗透的现象,为了分析这一现象,我们引入了渗流概念。

渗透

地下水在岩石孔隙或多孔介质中的运动,液体在弯曲孔隙中流动,速度各不相同。为了研究地下水的整体运动特征,引入渗流的概念。


渗流

具有实际水流的运动特点(流量、水头、压力、渗透阻力),并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流;是用以代替真实地下水流的一种假想水流


其特点是 >>

(1)假想水流的性质与真实地下水流相同;

(2)充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间;

(3)运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等;

(4)通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同。


渗流场

渗流场是指假想水流所占据的空间区域,包括空隙和岩石颗粒所占的全部空间。

多孔介质渗流现象

普通管道中的水流

多孔介质渗流现象

孔隙介质实际流线

多孔介质渗流现象

假想的流动


多孔介质


输入


渗流受多孔介质特性影响。天然和人造的多孔介质普遍具有下列特征:空隙尺寸微小;比表面积数值很大。

多孔介质的特征使渗流具有下述特点

表面分子力作用显著,毛细管作用突出;

◆ 流动阻力较大,流动速度一般较慢,惯性力往往可忽略不计。


多孔介质的性质

A

孔隙性  有效孔隙和死端孔隙

◆ 孔隙度:是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比

◆ 有效孔隙:是多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。

◆ 有效孔隙度:是多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比。

◆ 死端孔隙:是多孔介质中一端与其他孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。


B

连通性  封闭和畅通、有效和无效


C

压缩性  固体颗粒和孔隙的压缩系数推导


D

多相性  固液气三相可共存


影响渗流的各种力

输入


油、气、水能够在多孔介质中渗流主要受以下几种力的作用:

1.流体的重力

重力可能是动力也可能是阻力


2.多孔介质的压缩性及流体的弹性力


油气存在于地下岩层内,未开采时岩石和流体都处于均衡受压的平衡状态。随着油气的不断开采,油气层内的压力逐渐降低,上覆岩层和油层内压力差逐渐增大,会导致岩石变形,造成岩石孔隙度减小即内部孔隙体积减小,多孔介质内流体逐渐向压力低的方向流动。渗流方向也发生改变。


3.毛管力

多孔介质可以看成是固体内部存在许多个毛细管,这些毛细管散乱分布,互相连通。发生渗流时一种流体驱替另一种流体,在两种流体交界面上产生压力跳跃,这个压力就称为毛管压力。


4.流体的粘性及粘滞力

流体在流动时,不同流速的流体间受分子间内聚力的影响会产生相互作用力,使速度低的加速,速度高的受到限制,流体的这种属性称为粘性。


流体的粘性与流体的种类温度以及压力相关。


在渗流中,粘滞力为阻力,且动力消耗主要用于渗流时克服流体粘滞阻力。


渗流的驱动类型

输入


渗流的驱动类型主要有:重力水压驱动、弹性驱动、气压驱动、溶解驱动以及重力驱动。

 重力水压驱动:利用水深压力或人工注水产生水压来驱动。


◆ 弹性驱动:由于一侧压力下降引起的岩石及液体的弹性膨胀。


◆ 气压驱动:利用不溶于液体的气体,增加气体压力来驱动。


◆ 溶解气驱:当压力低于饱和压力时,不断分离的溶解气驱动油层的方式。


◆ 重力驱动:受重力作用引起的流动。


渗流过程一般受多种驱动方式作用,一种起主要作用,其他起辅助作用。随着渗流过程的变化,驱动方式也会发展变化。


浸润性对渗流的影响

输入

浸润

指液体与固体接触时,液体会逐渐渗入或附着在固体表面的现象,该种液体相对于此固体为浸润液体。


不浸润

液固接触时,液体不会沿固体表面附着也不会渗透到固体内部的现象,该液体相对于此固体为不浸润液体。


浸润和不浸润主要受分子作用力影响。

◆ 如果附着层内分子间的距离大于液体内部分子间的距离,分子间的作用表现为引力,附着层有收缩的趋势,就像液体表面张力的作用一样,这样液体和固体之间表现为不浸润


◆ 如果附着层内分子间的距离小于液体内部分子间的距离,分子间的作用力表现为斥力,附着层有扩展的趋势,液体与固体之间表现为浸润

多孔介质渗流现象


影响浸润性的因素

在一定条件下,浸润性与温度、压力等因素有关


流体的性质等因素也可能影响固体表面的浸润性。例如,含有表面活性物质的流体与固体表面接触后,可能改变后者的浸润性。


有些固体表面的浸润性呈现复杂的状态例如,由于曾经与不同的液体接触,在同一块储油岩石上可能出现亲油表面和亲水表面同时存在的现象。


浸润性对技术生产的影响

不同的液体固体浸润性不同,流体在多孔介质中运动的规律也不同,进而也会影响工业农业的生产过程


例如,不同地质地矿下储油岩石的浸润性不同,则渗流力学计算方法、油田开发原则和生产控制措施都不同。


渗透率

输入


渗透率是在渗流力学中用来衡量流动特性的物理量。


多孔介质内部存在许多允许流体流过的细小空间的性质称为渗透性,用来衡量渗透性强弱的物理量称为渗透率。


举个例子

在能源开采方面,地层渗透率愈大,生产能力及采收率也愈大。有研究表明:岩石的浸润程度对于基质吸渗速度有显著影响。一般亲水性越强,渗透率越高,吸渗排油越快,采油速度也越快。


渗透率值计算

渗透率值由达西定律计算可得,计量单位为毫达西,符号为mD。渗透率的SI单位制为平方微米。两者的换算系数为1mD=0.0009869平方微米。工程上常用达西和千分达西,即千分之一达西。一般砂岩油层的渗透率为200~1000千分达西。


总结

输入

由于多孔介质的结构复杂,对流体流动特性影响较大,分析渗流速度及渗流时间在结构建筑、工业开采中非常重要。如今可以用CFD仿真技术详细分析多孔区域内部的流体流动,为工业发展提供科学的依据。

想要了解多孔介质仿真的更多操作

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2021 - 01 - 13
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1435字,阅读时间预计5分钟编者按作者由浅入深,通过《数码宝贝》引申出数字孪生的发展历程与生活中的实际运用,分析了数字孪生运用中的重点及难点,最后通过案例展示了数字孪生的使用方式。或许大家有发现数字孪生的概念正慢慢地变得火热起来。不仅变成了众多行业、企业,各种大中小型研讨会追捧的话题,也成为了大家茶余饭后的谈资。数字孪生可以说1970年Apollo 13事故中拯救了三位宇航员的模拟器是第一个数字孪生的应用。而概念上的起源是2002年Michael Grieves在密西根大学做演讲时在PLM概念模型中首次提出的现实与虚拟空间的概念,之后在其著作中被称之为镜像空间模型(Mirror Space Model),演化至今成为了数字孪生(Digital Twin)。数字孪生是一种超越现实的概念,如今可以被视为一个或多个重要且彼此依赖的装备系统间的数字映射系统。数字孪生是某个特定实体产品/系统的数字表示,能够更深入地洞察该产品的状态、性能和行为;能够实现系统设计、优化、预见性维护、优化工业产品管理。这种方式充分利用了物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成为一个多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。举个简单点的例子:不知道大家还是否记得《数码宝贝(Digital Monster)》 ,数码暴龙机与数码暴龙的结合就是比较典型的数字孪生早教片了。▲暴龙实体▲暴龙数字体这个听起来可能是养成 + 战斗类游戏,而反应在工业上严谨度会更高。类似的是:你有关心的重要设备(Monster)、各种不同的工况、不同的环境以及他们之间的影响(Buff),我们通过监控虚拟设备的运行情况,结合实际工况/数据的实时采集(HP/MP),能及时预测、发现并解决问题,使得系统良好运转(Fi...
2021 - 01 - 07
作者:李超峰 上海安世亚太流体应用工程师文章发布:上海安世亚太官方订阅号(搜索:PeraShanghai)联系我们:021-58403100本文共计1371字,阅读时间预计4分钟编者按作者通过一个优化模具通道的案例进行分析和讲解,拆分了该案例的优化步骤,让我们清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在挤出工艺中的重要作用。背景挤出成型是聚合物、玻璃及食品加工连续性生产工艺的重要方法。由于聚合物在拉伸和挤压过程中表现出复杂的粘弹性行为,因此熔体在模具中和自由端的流动行为非常复杂。目前主要采用实验方法和数学解析的方法来进行研究,前者由于需要反复模具试制、多次试模才能得到合格的产品,且一类经验在其他类型产品中复制性差,造成生成时间周期长,难以满足激烈的市场竞争需求;对于数学解析的方法,随着流变学的发展和计算机技术提高,使这种方法越来越成熟,ANSYS POLYFLOW经过多年的发展,目前已包括丰富的求解功能:可以求解的网格类型多包括三角形、四边形、四面体、六面体等,网格变形工具包括网格叠加技术、网格自适应、网格重构,适应求解网格大变形问题;对于前处理软件有很好的接口可以读入ANSYS meshing、ICEM、GAMBIT网格工具生成的网格;丰富的求解模型包括牛顿流体、广义牛顿流体、粘弹性流体等多种流变模型。因此,POLYFLOW特别适合应用于聚合物成型加工、玻璃工业及食品行业中的材料流动模拟。在塑料产品加工行业应用包括挤出成型、吹塑成型、拉丝、涂覆工艺的流动、传热问题。POLYFLOW在挤出成型中的优化应用在挤出成型中,挤出产品的形状是挤出口模设计的一个重要目标,而挤出胀大现象给具有形状和尺寸要求的模具设计带来了一定难度。另外,熔体流出口模截面速度的差异,同样会造成产品内应力增大,造成产品变形严重。对此,我们可以通过优化模具内部通道,改善出口截面流速的差异,...
2020 - 12 - 16
作者:刘琼  上海安世亚太光学应用工程师文章首发:上海安世亚太官方订阅号(搜索:PeraShanghai)联系我们:021-58403100本文共计1609字,阅读时间预计5分钟编者按《赛博朋克 2077》作为最近大热的一款游戏,因其高还原度场景、酷炫的光影效果和未来感而令无数玩家心驰神往。那么这款游戏到底为什么比其他3D游戏画面更逼真呢?作者在文中对其进行了分析,让你更懂《赛博朋克 2077》。2020年12月10日,《赛博朋克 2077》这款波兰游戏公司CD Projekt RED打磨已久的作品,历经了数次跳票之后终于来到了玩家们的手中。即便那天是工作日,但仍未影响到游戏的热度,Steam平台上同时在线玩家数量依然庞大。作为打工人的我不禁陷入了沉思:“你们是怎么做到的?”既然领导不给假,看看游戏介绍和评论总可以吧?“ 《赛博朋克 2077》是一款彻头彻尾的 RPG 作品,相信很多玩家都会沉迷于第一人称和火光四溢的未来战斗中,这款作品也许会成为近年来最令人激动、血脉偾张、有趣的游戏作品之一。”“《赛博朋克2077》全球游戏媒体评分大致如下,IGN 9分,GameSpot 7分,Game Informer 9分。截止12月10日MetaCritic共收录43家媒体评分,均分91。”既然评论这么好,试试购买下载安装总可以吧?终于迎来了数月内第一个不用加班跑仿真的周末,瓜子零食水果都准备好了。然而当打开游戏的那一刻突然发现,游戏的画面怎么和宣传照里面的差别那么大?我的电脑配置明明已经很好了啊。不行,我要退款!冷静下来后,我开始上网搜索和我一样遭遇的小伙伴。经过一番查探,我的表情逐渐凝固,并开始意识了到问题的严重性。我的显卡好像无法支持”RTX Ray Tracing”?游戏画面为什么这么差?原因找到了!传统3D游戏的渲染一直在使用光栅化技术。该技术将3D模型转换为2D...
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