经典的Lucas-Washburn(L-W)渗吸模型用Young-Laplace方程计算毛管压力, 但该方程在管径细小情形得出的毛管压力值与真实值存在较大偏差。本文运用Tolman长度改进Young-Laplace方程, 提出一种改进的L-W渗吸模型, 并将等截面圆管扩展至任意变化截面圆管, 得到变截面圆管中润湿流体注入长度随时间变化的数学模型。该模型为二阶非线性常微分方程, 无法求出解析解, 为此提出一种数值解法。选取截面变化的毛细管道, 通过数值模拟计算出润湿液体注入长度与时间的对应关系, 对Tolman长度的改进效果进行检验和分析。结果表明: 在研究范围内Tolman长度对L-W渗吸模型的改进效果表现出毛细管道半径越小, 效果越明显的规律。圆管局部缩小能改变渗吸水运动状态, 依次呈现出三种运动模式; 圆管局部扩大会缓慢改变渗吸水运动状态, 只呈现单一运动模式。

建立不同边界条件下的渗吸数学模型, 分别研究在单一边界(OEO边界条件)和混合边界条件(TEO-OW边界条件)下重力和毛管压力对渗吸作用的驱动。结果表明: OEO边界条件下, 只存在逆向渗吸, 并且当开启端面在下端时, 重力抑制渗吸进行; 当开启端面在上端时, 重力促进渗吸进行; TEO-OW边界条件下, 同时存在逆向渗吸和同向渗吸, 对于逆向渗吸, 重力是阻力, 对于同向渗吸, 重力是动力, 当Bond数倒数较小时, 重力在渗吸作用中占主导地位, 当Bond数倒数较大时, 毛管力占主导地位。对比OEO开启端面在上端时和TEO-OW边界条件下重力和毛管力对渗吸作用的大小。结果显示, 在相同Bond数倒数下, OEO边界条件下重力作用的渗吸排油比例要高于TEO-OW边界条件下重力作用的渗吸排油比例。对比不同Bond数倒数下OEO和TEO-OW渗吸速度发现, 当Bond数倒数较小时, 重力起主导作用, OEO边界渗吸速度更快; 当Bond数倒数较大时, 毛管力起主导作用, TEO-OW边界条件渗吸速度更快。

多孔介质自发渗吸现象普遍存在于自然界和工业应用领域, 深入研究其微观流动机理及宏观渗流规律具有重要的科学和工程价值。由于受多孔介质物理属性、流体性质、边界条件等多种因素的影响, 自发渗吸机理及渗流规律难以厘清。目前, 已有众多物理实验、理论分析及数值模拟等方法对多因素影响下的自发渗吸过程进行了广泛而深入的研究。本文就该领域存在的关键问题及最新进展进行梳理分析并提出若干思考, 以期对多孔介质自发渗吸的理解和未来研究工作提供一定的借鉴。