微小颗粒在非等温多孔介质界面处的动力学特征研究

The proposed project will theoretically and experimentally examine the dynamic characteristics of deposition and aggregation of microparticles at the fluid-porous interface. This study focuses on the deposition, aggregation and transportation of microparticles at the fluid-porous interface in the presence of a temperature gradient. The effects of microparticle size and its concentration, pore structure, velocity and direction of the flow, as well as thermal physical properties on the deposition and aggregation of microparticles at the fluid-porous interface are all analyzed. Experimental results are combined with the Lattice Boltzmann Method to study the transportation characteristics of microparticles when there is a discontinuous step change of momentum at the fluid-porous interface. Also studied are Brownian and Saffman forces (among others), which may be of importance for further theoretical explanation of microparticles deposition, aggregation, as well as penetration at the fluid-porous interface. Research results of this project provide theoretical guidance for air pollution control, geothermal reinjection, agricultural irrigation and biological pharmacy.

对微小颗粒在非等温多孔介质界面处沉积或聚集的动力学行为进行细致研究。通过系统实验和数值模拟研究，揭示微小颗粒在流体载体与多孔介质界面处的沉积、聚集、以及穿越的动力学特征，重点分析多孔介质与含微小颗粒流体有温度梯度情况下，微小颗粒在其界面处的运动与沉积特性，同时分析颗粒相颗粒直径与浓度、多孔介质几何结构、流体速度大小与方向、以及热物性等因素对微小颗粒在多孔介质与流体界面处的沉积与聚集效应的影响。在实验研究基础上，结合格子-波尔兹曼方法，探讨包括布朗力、Saffman力等力项在有阶跃变化多孔介质界面处的作用行为，为进一步解释和掌握含微小颗粒流体在多孔介质界面处的颗粒沉积、聚集特征、以及流体在多孔介质界面处的渗透规律提供理论参考。该课题的研究对大气污染治理、地热回灌、农业灌溉、生物制药等应用有着重要的理论指导意义。

本课题对微小颗粒在非等温多孔介质界面处的沉积特性进行了研究。以往研究多集中于颗粒在多孔介质内部的沉积特性，涉及界面处的研究很少，而界面处有温度梯度时的研究更鲜有报道。微小颗粒在多孔介质界面处的受力复杂，一直以来没有一个公认的物理模型。本课题以地热砂岩回灌堵塞问题为研究背景，基于实验和数值模拟总结出一些微小颗粒在多孔介质界面处的沉积规律，可为地热砂岩回灌提供理论参考。.研究内容包括实验研究和数值模拟两部分。实验研究中，分别搭建了流体静止条件下、多孔介质界面处有温度梯度、以及不同来流速度下微小颗粒沉积的实验台，实验研究了（1）静止条件下多孔介质孔隙率、颗粒直径、流体浓度对颗粒沉积的影响；（2）流体静止和流动条件下，多孔介质界面处正向、逆向温度梯度对颗粒沉积的影响；（3）来流流速大小与方向对颗粒沉积的影响。理论研究方面，采用格子—玻尔兹曼方法(LBM)（1）模拟了二维突扩突缩方形孔隙内微小颗粒在不同斯托克斯数Stk和不同瑞利数Ra下通过单孔隙的沉积分布；（2）考虑了多孔介质结构、流体与颗粒、颗粒与颗粒、颗粒与壁面的相互作用，建立了微尺度下颗粒在多孔介质界面处的质量、动量、能量传递的物理模型，模拟了多孔介质界面处有/无温度梯度下颗粒的沉积特性。研究结果表明：（1）相同粒径下，小孔隙率多孔介质中颗粒的沉积速度大于大孔隙率多孔介质，且粒径较小时浓度对颗粒沉积的影响大于孔隙率。（2）Re数一定时，随着Stk数的增大，颗粒沉积经历一个与涡线逐渐吻合到逐渐脱离的过程。（3）自然对流增强，颗粒沉积率增加。尤其当Ra数较高，Stk数较低时，自然对流的影响更为明显。（4）多孔介质界面处有温度梯度时，颗粒的沉积量大于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。原因在于静止状态下Stk数较小，颗粒沉积更多受到扩散作用的影响，易被流体携带一起流动。当界面处有温度梯度时， 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的自然对流也会引起颗粒沉积量的变化。（5）随着来流流速的增大，颗粒沉积量减小。原因在于流速越大，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与水平方向夹角的增大而减小，原因与流速类似。研究结果在一定程度上解释了地热砂岩回灌的堵塞机理。