浙江大学研究团队：多孔介质多相流动在能源转型中的应用 | Engineering

多孔介质内的流动存在于各种自然和工程环境中，包括肺和血管中的气体交换、地下含水层中的水提取、碳氢化合物的生产以及药物输送和食品制造中的微流体流动。地下岩石是一种多孔介质，可以保存水和碳氢化合物，同时也是二氧化碳（CO₂）和氢气的潜在储存场所。许多人造设备也包含多孔介质，以允许气体和水的传输，包括燃料电池、电解槽和用于CO₂还原的电催化剂。这类设备的性能受限于两相流体流过多孔层的速度。

然而，直到最近，这一领域几乎所有的研究和系统性分析都集中在地质系统上，即土壤和岩石。1856年达西定律首次被用于对多孔介质中的流动进行量化表征，以描述水在砂滤器中的运动。随后，达西定律被用于研究水文学中的地下水流。从20世纪30年代Muskat、Meres、Wykoff和Botset的开创性研究开始，达西定律被用于根据从油藏中采集的小块岩石样品的流量和压力梯度测值来估算渗透率；研究人员还定义了以达西命名的渗透率单位。此外，通过引入与流体饱和度相关的相对渗透率和毛细力函数，对多相流体的流动进行了量化分析。在过去的90年里，石油工业已对岩石样品的流动特性进行了千米级评估，以便预测和设计采油策略。在水文学方面，多孔介质流动理论的发展及其向多相流动的延伸在很大程度上是独立进行的，侧重研究水的运动。

浙江大学林青阳研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年7期刊发表了题目为《多孔介质多相流动在能源转型中的应用》的观点述评文章，指出多孔介质多相流动的研究集中在地质介质，其主要应用是提高石油和天然气产量。随着世界为应对气候变化威胁，以及实现CO₂净零排放的需要，从而减少了化石燃料的开采，多孔介质多相流动研究似乎不再发挥重要作用。不过，同样的科学可以用来理解对能源转换和碳中和至关重要的各种过程。

文章建议了多孔介质多相流在与当前能源转换相关领域中的应用。与此，文章还表明，虽然CO₂封存研究得到证实，并且借用了水文与石油工程的概念，但是多孔介质多相流相关的理念直到最近才被用于了解电化学装置多相流动过程。

文章还提出了一个设计多相流驱替的框架实现最优的流动、圈闭和饱和度。该框架通过利用最新的无损三维成像、分析和建模技术，可用于设计高效的装置和有效的封存方案。确切而言，具备混合润湿性的多孔材料中流体流体曲面具有接近极小表面的特性，整体曲率趋近于零，文章认为混合润湿多孔材料是实现两相流在较宽饱和度范围内流过孔隙的最理想材料。更广泛地讲，在此处简要回顾的现代化的成像、分析和建模方法可能对从医学到食品加工和催化等各种各样多孔介质的工艺设计具有重大影响。

以上内容来自：Martin J. Blunt, Qingyang Lin. Flow in Porous Media in the Energy Transition [J]. Engineering, 2022, 14 (7): 10-14.

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.08.008