多孔介质内质量守恒方程研究

多孔介质内质量守恒方程研究

多孔介质是一个具有固体骨架的多相空间，在宏观上是均匀的。也有人认为多孔介质是由相互连接在一起的固体颗粒骨架所组成,而在颗粒之间是形状极其复杂的孔隙空间。孔隙可以是互不连通的,也可以是相互连通的,但其中一般都充满着一种或几种流体,如空气、水等。从学科发展的角度看,多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域,包括能源、材料、环境科学、化学工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程,是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。因此,多孔介质传热传质研究,是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题,已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活跃的前沿研究领域之一。1纳米平台的热设计过程多孔介质的各相之间或各相内部存在温差、压力差时,多孔介质内部就会有流动或传热传质过程发生。多孔结构中的传热过程因多孔介质的结构特点而十分复杂,传热过程主要包括:①固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触时的导热过程;②流体(液体、气体或者两者均有)的导热和对流换热过程;③流体与固体颗粒之间的对流换热过程;④固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。多孔介质中的传质过程包括分子扩散和对流传质。热量既可以通过固体骨架的导热,又可以借助流体的导热和对流传递。质量的传递则可表现在孔隙中流体的流动,且常伴有相变,并且它的孔隙结构极为复杂,很难对微孔中的流体流动和能量运输进行详细的描述。在物化反应的过程中,多孔介质内部传热传质的主导驱动势为压力梯度、浓度梯度和温度梯度。2宏观水平的研究方法很难被进一步求解在揭示各相物质内部及相互间的质量、动量和能量传递规律方面,前人普遍采用了理论分析、数值模拟、实验研究等各种研究手段。理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类,其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动,所涉及的数学方程多且难于求解。微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质,研究对象是流体质点或微元体,但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件,而对此的定量描述既困难又不准确。宏观水平的研究方法也持连续介质的观点,取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域,但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV),在REV上对流体参数和固体参数实行体积平均,获得假想介质在REV上的平均参数,进而分析其中的传热和流动过程。由于宏观方法所依据的物理模型与客观的微观运动情况有一定偏差,所以其研究结果往往不能与实测结果完全吻合。在多孔介质传热传质的研究中,如果固相骨架和孔隙流体之间的热交换充分,则在基本单元体内固相骨架和孔隙流体的温度相等,此时可采用局部热平衡模型进行理论研究和分析。3单元内部能量传递特性描述多孔介质传热过程的数学模型是指多孔介质中传热的能量方程的微分形式。以蒸汽驱开采稠油为例,根据物质守恒原理建立单元体内质量守恒方程。对于任一稠油油藏,取一个三维微小体积单元,设单元体的长、宽、高分别为Δx、Δy、Δz,在单元体内中心取一点A(x,y,z),流体的流动方向分别为从单元体的左面流入,右面流出,前面流入,后面流出,底面流入,顶面流出。单位时间净流入单元体的能量+由传导和辐射净传递的能量-向盖、底层散失的能量=单元体内能量的变化量。单位时间内净流入单元体的能量式中φx、φy、φz分别为x、y、z三个方向上的有效孔隙度;H为焓;ρ为密度;V为渗流速度。由传导和辐射传递的能量式中uc,x、uc,y、uc,z分别为在x、y、z三个方向上基于热传导方式的能量传递速度;uR,x、uR,y、uR,z分别为在x、y、z三个方向上基于热辐射方式的能量传递速度。向盖、底层散失的能量ΔxΔyΔz2λΔΤρwLV√παtΔxΔyΔz2λΔTρwLVπαt√式中λ为导热系数;α为热扩散系数。单元体内能的变化量式中Mf为岩石的热熔;T为岩石温度;Ti为岩石原始温度。根据能量守恒原理整理上述各项,可以得到由传导公式有uc,x=-λ∂Τ∂x；uc,y=-λ∂Τ∂y；uc,z=-λ∂Τ∂z由热辐射公式有uR,x=-α∂Τ4∂x；uR,y=-α∂Τ4∂y；uR,z=-α∂Τ4∂z将uc,x、uc,y、uc,z、uR,x、uR,y、uR,z代入式(1)并整理成微分形式可得4多孔介质内能量守恒方程本文以蒸汽驱开采稠油为例,根据物质守恒原理建立了式(2)