广域努森数下流体的运动方程

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非常规天然气的开采需要对致密孔隙介质(如页岩、致密砂岩、煤岩等)中流体的流动做深入研究。本文以确定致密孔隙介质的本质渗透系数为研究的出发点而展开。该问题产生的原因是因为流体在致密孔隙介质中的运动通常会发生林肯伯格效应,即流体在孔隙边界上滑动的现象。该效应致使达西实验测得的渗透系数只是致密孔隙介质的表观渗透系数而不是其本质渗透系数。这是因为在高努森数下(即致密孔隙介质中的流动),达西公式的理论基础纳维――斯托克斯方程已不再适用。为了找到一种能代替纳维――斯托克斯方程来描述广域努森数下流体运动的方程,本文调查了波尔兹曼方程的高阶努森数近似,如巴奈特方程、超巴奈特方程以及正则13矩方程等。然而这些方程由于过于复杂而不能解决渗透系数需要修正的问题。在考察了最近提出的且相对简单的体积扩散动力学后,本文发现其有望描述广域努森数下的流动。但随后又发现体积扩散动力学仍不太完善,其主要局限性是因未考虑微流体的微观边界效应。因此,本文引进了有效传输系数的概念,建立了一组新的流体运动方程。为了区别,本文将新得到的方程组称之为有效体积扩散动力学。随后,本文采用气体在微管中的流动来验证该理论,进而解得了微管中气体流动的解析解。经和其他理论解及实验数据进行对比,我们发现本文的解适用于所有流动域,故由此验证了有效体积扩散动力学。然后,本文将该理论应用于求解气体在微平行板中流动的解析解。该问题由于努森数定义式的不明确而显得格外复杂。在结合了一个改进后的通用滑动边界条件后,我们得到了本文理论对该问题的解。经和其他理论解及实验数据对比,本文的解显示了明显的进步性,其可准确预测流量到努森数50左右。本文还发现传统的解之所以难于突破努森数1,是因为其通常包含了有效和无效两部分。本文的解因为剔除了无效部分而提升了其预测能力,这也体现了“有效体积扩散动力学”这个名字的意义之所在。最后,为解决本文的初始问题,即确定致密孔隙介质的本质渗透系数,我们利用有效体积扩散动力学理论严密地推导出一个高努森数下渗透系数的修正公式。该公式结构简单,仅有一个参数。本文将该参数定为一常数,这样更加简化了该修正公式。经和其他修正公式及实验数据对比,本文的修正公式显示了广泛的适用性。因此,综上所述,本文提出的有效体积扩散动力学可应用于描述广域努森数下流体的运动。
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