不同来流速度下颗粒在多孔介质界面处沉积的实验研究

摘要

微小颗粒在多孔介质中的沉积现象广泛存在于生产和生活的多个领域，如地热砂岩回灌堵塞、河床淤泥堆积、抽水井壁反滤层堵塞、粗糙换热表面结垢、以及地下污染物吸附治理等实际工程，涉及流体力学、传热学、水文地质等多个学科领域，一个共同的物理现象是颗粒运移过程中在多孔介质界面处的沉积。本文以地热砂岩回灌过程中常见的堵塞问题为背景，实验研究了在多孔介质界面处有温度梯度条件以及不同流体速度条件下，颗粒在多孔介质界面处的沉积特性。
　　以往相关研究较多集中于颗粒在多孔介质内部沉积特性的研究，涉及微小颗粒在多孔介质界面处沉积特性的研究很少，而界面处有温度梯度时的研究更鲜有报道。本文分别搭建了流体静态条件下微小颗粒在多孔介质界面处沉积的实验台，以及不同来流速度下（大小和方向）微小颗粒在多孔介质界面处沉积的实验系统，对比研究了多孔介质界面处温度梯度和不同来流速度对颗粒沉积特性的影响。得到以下主要结论：（1）多孔介质界面处温度梯度对颗粒沉积的影响较大，有温度梯度条件下颗粒的沉积量大于多孔介质界面处无温度梯度时的沉积量，且此沉积量随着温度梯度的增大而增大。这是因为静止状态下含颗粒流体的Stk数较小，颗粒在沉积过程中更多的受到扩散作用的影响，更易被流体携带一起流动。但界面处有温度梯度时，流体物性发生变化，Stk数增大，颗粒受到的惯性力增大，颗粒沉积量增大；此外，界面处温度梯度导致流体的密度差，产生了自然对流，从而引起颗粒沉积量的变化;（2）当来流流体有一定速度时，随着流速的增大，颗粒沉积量减小。这是因为流速越大，流体对颗粒的卷吸作用越强，带走的颗粒越多；同时，流速增大，颗粒受力增大，已沉积的颗粒会有部分反弹，造成其沉积量的减小。此外，颗粒沉积量随着来流流体与水平方向角度的增大而减小，其原因与流速类似。研究结果可在一定程度上解释地热砂岩回灌的堵塞机理，并为颗粒在多孔介质内沉积特性的数值模拟提供实验验证。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 主要研究工作

1.4 创新点

第二章 实验系统的设计与搭建

2.1 实验系统设计

2.2 实验材料的选择

2.3 实验仪器

2.4 本章小结

第三章 颗粒沉积实验与数据处理

3.1 静止状态多孔介质界面处温度梯度对微小颗粒沉积影响的实验

3.2 不同来流速度下微小颗粒在多孔介质界面处的沉积实验

3.3 实验误差分析

3.4 本章小结

第四章 微小颗粒沉积实验数据分析

4.1 微小颗粒沉积的物理模型

4.2 静止状态下多孔介质界面处温度梯度对微小颗粒沉积影响

4.3 动态实验颗粒沉积影响因素分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢