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工学院徐克课题组针对多孔介质中多相系统的热力学稳定性取得重要进展

2021-05-19

vnsc威尼斯城官方网站能源与资源工程系徐克课题组针对多孔介质中多相系统的热力学稳定性取得重要进展,相关论文近期发表在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2024069118)。

地下岩土多孔介质中存在着大量的气泡群/液滴群。这类多相流分散系统虽然具有极高的表面自由能,却可以长期稳定地赋存于多孔介质中。这与开放空间中多相分散流体(如图a中的气泡群)会通过聚并粗化而自发降低表面自由能的规律完全相反。学术界此前对此问题未给出被广泛接受的说明,这极大阻碍了对多孔介质中流体系统长期演变的深入理解。


(a)开放空间中的自由气泡群。(b)多孔介质中的束缚气泡由于挤压而变形。(c)二维均质多孔介质中的束缚气泡群。(d)多孔介质中束缚气泡的表面自由能与体积的关系

为了揭示多孔介质中分散相流体体系的热力学稳定性根源,徐克课题组对理想多孔介质中的气泡进行了概念建模。模型充分考虑了多孔介质对于气泡形态的挤压和改造(图b),遍历了理想多孔介质中气泡所有可能存在的形态。基于该模型,研究者发现多孔介质中气泡的比表面积与体积相关性极弱,在一个很窄的区间内浮动。这和开放空间中的球形气泡具有根本区别。这种近似恒定的比表面积导致表面自由能和体积具有近似线性的关联(图d)。因此,多孔介质中多个气泡的合并无法为体系带来能量降低的收益,气泡群体系的粗化无法自发发生。至此,本研究成功论证了均质多孔系统中气泡群的热力学稳定性,并展示了多孔结构对多相流体体系热力学状态的根本性改造。

本研究为进一步研究多孔介质中分散相流体提供了一个新视角,为二氧化碳地质埋存、油气资源开采、地下水力学和先进电池系统的提效等科学与工程问题提供了重要的理论基础。

该论文是北京大学地下能源与流体力学课题组在Physical Review Letters (https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.264502)和Geophysical Research Letters (https://dx.doi.org/10.1029/2019gl085175)上发表成果的后续工作。vnsc威尼斯城官方网站2020级博士生王传玺是论文的第一编辑,美国宾夕法尼亚州立大学的助理教授Yashar Mehmani是第二编辑,vnsc威尼斯城官方网站徐克特聘研究员是通讯编辑。本研究工作得到中组部海外高层次人才引进计划(青年项目)和中石油“古龙页岩油重大地质基础与工程实践协同研究”项目的资助支撑。

 

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