微小颗粒在多孔介质界面处沉积特性的实验研究及数值模拟

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1、天津大学硕士学位论文微小颗粒在多孔介质界面处沉积特性的实验研究及数值模拟ExperimentsstudyandNumericalSimulationofParticleMigrationandDepositionattheFluid/PorousMediaInterface学科专业：热能工程研究生：董丽坤指导教师：雷海燕副教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要悬浮微小颗粒在多孔介质中的运移沉积现象普遍存在于人们的日常生活、工业生产和生态环境等各个方面，涉及水文地质、流体力学、物理化学、传热学等多个领域。本

2、文以地热砂岩回灌过程中常见的物理堵塞问题为研究背景，通过实验研究和数值模拟开展了微小颗粒在多孔介质界面的运移沉积特征研究。以往学者的相关研究多集中于颗粒在多孔介质内部的运移特征，很少涉及颗粒在多孔介质界面处的沉积特征，而界面处存在温度梯度时的研究更鲜有报道。本文设计搭建了静态条件下微小颗粒在多孔介质界面处沉积的实验系统，实现了界面处的正向及逆向温度梯度，对比研究了界面温度梯度对沉积特性的影响。得到的主要结论为：(1)颗粒沉积量随着界面处温度梯度(正向和逆向)的增大而增大，但界面处温度梯度小于2℃/cm时，颗粒沉

3、积量增加不明显，甚至减小。原因可能为温度梯度使实验段发生自然对流，进而引起沉积量变化。(2)微小颗粒在多孔介质区域的沉积速率随沉积量呈指数趋势下降，根据实验现象对界面处颗粒的沉积动力方程进行了修正，得到了微小颗粒沉积量随时间和温度梯度变化的关联式。本文数值模拟了微小颗粒密度、浓度和微小颗粒与多孔介质粒径比对多孔介质界面处颗粒沉积特征的影响。采用易于处理复杂边界的格子Boltzmann方法，结合直接力法模拟流体流动，采用牛顿定律处理悬浮颗粒的运动，克服了以往数值模拟难以计算悬浮颗粒实际体积和几何形状对颗粒间作用力

4、的影响等问题。得到以下结论：(1)随着颗粒密度的增加，颗粒在多孔介质界面及内部的沉积量增加，颗粒沉积速率加快；且颗粒密度越大，多孔介质界面处颗粒堵塞出现的时间越早；(2)悬浮颗粒浓度对多孔介质界面处颗粒的沉积量和稳定后的沉积速率无明显影响，但影响界面处堵塞形成的时间；(3)随着悬浮颗粒与多孔介质粒径比的减小，同一时刻多孔介质区域单位面积的颗粒总沉积量增加，且粒径比越大，微小颗粒填满多孔介质区域所需的时间越少。通过定性比较数值计算结果与常温状态下的实验结果，发现两者呈现的沉积量随时间变化规律、沉积可视化现象等吻合

5、较好。关键词：微小颗粒，多孔介质，界面，温度梯度，格子-玻尔兹曼IABSTRACTMigrationanddepositionofmicroparticleswidelyoccursinnaturalandmanyindustrialprocesseswhenfluidflowsthroughporousmedia,whichinvolveshydrogeology,fluidmechanics,physicalchemistry,heattransferandmanyotherfields.Inthispap

6、er,physicalcloggingofmicroparticlesduringgeothermalreinjectionintosandstonewastakenastheresearchbackground,themigrationanddepositionofmicroparticlesatthefluid/porousmediainterfaceswasstudiedthroughexperimentsandnumericalsimulation.Previousstudieshavebeenfocu

7、sedontheparticlemigrationinsidetheporousmedia,andfewstudieswasaboutthedepositioncharacteristicsofmicro-particlesattheinterfaceofporousmedia,theeffectoftemperaturegradientsattheinterfaceonparticledepositionhasnotyetbeenstudied.Inthispaper,anexperimentalsystem

8、fortheparticledepositionatthefluid/porousmediainterfacesunderstaticconditionswassetup,thepositive/negativetemperaturegradientsattheinterfacewereachievedbythermostaticwaterbath,andtheeffectofthet