【摘要】：微納尺度液體流動(dòng)機(jī)理的研究是推動(dòng)微機(jī)械電子系統(tǒng)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)致密油高效開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于特征尺寸小,傳統(tǒng)的流體力學(xué)方法不再適用,液體流動(dòng)必須從分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)加以描述。分子動(dòng)力學(xué)模擬以微觀粒子之間的勢(shì)能模型為基礎(chǔ),不引入常規(guī)假設(shè),在探索納米尺度下的物理現(xiàn)象具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。本文在理論分析的基礎(chǔ)上,使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究液體在納米通道中的流動(dòng)特性,探討了“微尺度效應(yīng)”的內(nèi)在作用機(jī)理,同時(shí)輔以逾滲網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)確立了微納米通道及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中單相液體的線性流動(dòng)機(jī)理。論文開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:(1)基于經(jīng)典流體力學(xué)理論推導(dǎo)了不同邊界條件下的流體力學(xué)方程,同時(shí)利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了納米尺度單相液體的流動(dòng)規(guī)律,驗(yàn)證了連續(xù)性流體力學(xué)理論在微納尺度下的適用性。從本質(zhì)上分析了邊界黏附層和速度滑移現(xiàn)象出現(xiàn)的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)制,邊界黏附層僅有分子尺度,但滑移長(zhǎng)度卻高達(dá)納米級(jí)別,對(duì)微納尺度液體流動(dòng)的影響不可忽略。此外,速度滑移不僅出現(xiàn)在流體壁面,在界面區(qū)域流體內(nèi)部也有不同程度的滑移。(2)微納尺度下流體與壁面之間的相互作用誘發(fā)了液體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,極大的比表面積進(jìn)一步增強(qiáng)了這種變化,主要表現(xiàn)納米流體的“非牛頓流體”現(xiàn)象。引入了有效粘度計(jì)算模型,完善了微納尺度流體力學(xué)理論,同時(shí)通過(guò)有效滑移長(zhǎng)度概念將邊界黏附層和界面速度滑移結(jié)合起來(lái),建立了統(tǒng)一的微納尺度流體力學(xué)模型,并經(jīng)過(guò)理論分析和數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證了模型的有效性。(3)開(kāi)展微納尺度單相液體流動(dòng)實(shí)驗(yàn),明確了微米級(jí)石英圓管中單相去離子水的線性流動(dòng)特征,基于本文建立的微納尺度流體力學(xué)模型分析了直徑1μm圓管中單相液體流動(dòng)偏離理論預(yù)測(cè)值達(dá)-60.98%的原因。對(duì)比致密油儲(chǔ)層巖樣模擬地層水流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合邊界黏附層理論探討了部分致密巖樣非線性流動(dòng)的原因。(4)為明確復(fù)雜連通微納米通道中單相液體的流動(dòng)特性,利用核磁共振技術(shù)提取非線性流動(dòng)巖樣的孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立了與之對(duì)應(yīng)的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型�；谟鉂B理論結(jié)合微納尺度流體力學(xué)模型研究不同孔徑和潤(rùn)濕角的網(wǎng)絡(luò)模型中單相液體流動(dòng)規(guī)律,最終確定了水力學(xué)光滑的微納米通道以及復(fù)雜連通的微納米網(wǎng)絡(luò)模型中單相液體的線性流動(dòng)機(jī)理。通過(guò)上述研究,明確了連續(xù)性流體力學(xué)理論適用的臨界尺寸,揭示了微納尺度下流體與壁面之間的作用機(jī)理,建立了簡(jiǎn)單有效的微納尺度流體力學(xué)模型,豐富了微納尺度流體力學(xué)理論,為深入開(kāi)展微納尺度流體力學(xué)行為研究奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

邐壓力梯度／ＭＰａ．ｍ－１逡逑圖１－１實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果及邊界層參數(shù)變化逡逑如圖１－１左圖所示，由上述變化特征，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為零時(shí)，整個(gè)流體都是黏滯層，因逡逑此假設(shè)：逡逑５＝ｒ，ｅ＾逡逑式中，５為邊界黏附層厚度；ｒＱ為微圓管半徑，ｃ為邊界黏附層參數(shù)。逡逑根據(jù)牛頓流體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系則有：逡逑Ｔ邋＝邋／ＵＳ逡逑式中，Ｔ為流體所受應(yīng)力，，￡為流體的應(yīng)變。逡逑對(duì)于圓形管道則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可具體表示為：逡逑由假設(shè)，邊界黏附層厚度為Ａ相當(dāng)于有效流動(dòng)半徑減少ｄ＇，對(duì)上述方程從ｒ到逡逑進(jìn)行積分則有：逡逑求解以上積分，得到考慮邊界黏附層時(shí)，流體在圓管中的速度分布：逡逑—Ｖ邋和２１口逡逑Ｖ邋＝邋－邋邐邐邐邐邋＼ｐ逡逑４／／邐’逡逑代入邊界層厚度為（５表達(dá)式，得到：逡逑３逡逑

圖１－２技術(shù)路線圖逡逑
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH-39

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2637120