模拟之下的真实论文

模拟之下的真实论文（精选4篇）

模拟之下的真实论文 第1篇

一、建立模拟学校管理实体平台

1.成立学生事务中心

2012年底,经过与校领导、部门同事与学生的几次沟通后,模拟学校管理项目框架初具雏形。根据项目设计的设想,学生事务中心将模拟学校行政管理的模式,与校级行政部门(教师)实现一一匹配,以志愿者的身份主动参与学校民主管理和校园的建设。

学生事务中心平台下设学生校长室、学生德育、教学、科研、总务等部门,同时成立学生立法委员会与学生监督委员会。中心将通过调查研究、模拟听证、校园事务组织与实践,模拟人大立法的流程,结合学校特色及学生实际情况,以校园立法的形式巩固、呈现实践成果,从而体现主人翁意识、实现“当家作主”。

2013年3月28日,学生事务中心正式揭牌成立。志愿者通过自愿报名、面试选拔、竞选各部门主任、副主任、干事等岗位,首批学生事务中心的工作人员共有67人(初中、高中)。

2.制定章程和工作制度

两周以后,志愿者们与校行政举行了第一次行政会议,学生与行政老师第一次站在同一个平台上对话,各部门在简单的互相认识和了解后,便马不停蹄地开始了工作。他们的第一项任务便为学生事务中心建章立制。在华东政法大学研究生的帮助下,学生校长室牵头草拟了章程和工作制度的初步文本, 并通过部门例会、事务中心行政例会进行了多次讨论、修改,在基本成形后再次征询了事务中心全体志愿者的意见,这两部制度性文件于2013年9月起正式投入运作。《华东政法大学附属中学学生事务中心组织章程》中对组织及成员产生办法、组织和负责人职权、议事规则、学生事务中心资产管理、使用原则、 章程修改程序等做了明确规定。《华东政法大学附属中学学生事务中心工作制度》中也明确规定了组织性质、组织任务和组织框架,对各部门的分工细则、工作要求、办公制度(值班和例会时间)也有明确说明。学生事务中心章程和工作制度的制定完善,为模拟学校管理项目有效、长期的运作提供了制度性的保障,这也是志愿者参与民主议事、民主管理的一次重要尝试。

二、启动学生自主管理工作

1.鼓励更多的学生积极参与

学生事务中心目前由团委领导,是学生会在扩大原有自管会的基础上成立的独立部门。工作人员除了部分为校级学生干部外,更多的是普通学生。让更多同学都有机会成为学校的主人,是模拟学校管理项目的一项重要宗旨。因此学生事务中心的志愿者不需要有就职经历,或一技之长,甚至与其平时的学业成绩也无太大关联,只要有一颗为他人服务、为学校建设出谋划策的热忱之心,就可以加入到这一大家庭中。

2.探索管理机制与日常运作

根据学生事务中心工作制度与章程,我们定期召开各部门工作例会、事务中心行政例会、事务中心与学校行政班子协调会等,广泛听取学生意见,解决学生学习生活中的问题。志愿者除了协助学校行政完成常规工作外,还要发挥主观能动性,设计1~2个自主项目,并独立完成。各部门发现了问题,先经部门内部会议讨论,形成书面意见并提出解决方案; 然后与学校各行政部门对接开展工作,且按照评议意见修改方案,着手尝试解决。每学期结束时召开总结会,展示工作成果,分享交流经验,同学们在参与学校管理的过程中明显地提升了自信心与责任感。

3.两个重点项目的成功案例

( 1 ) “ 作业自主权 ”

该项目的最初设想来源于2012年12月的一场校园听证会。针对高中学生目前课业压力过重,每天完成作业时间较多的现实情况,学生代表提出能否自主选择作业来完成的设想。正值学生事务中心这一平台的成立,该项工作也成为了教学部门的重点与特色工作。通过分析学校的现实情况,志愿者们起草了第一稿工作方案,在召开了相关教师和学生的动员会后,在部分年级、部分班级中进行试点。

在教师动员会上,由于部分老师对“作业”根深蒂固的观念,使得会议的气氛异常紧张;但校长却给予学生大力的支持,“我们要对自己有信心,更要对学生有信心,既然他们提出要试点,那我们就试试看吧!”试点工作后的情况又反馈到专题行政例会上, 会议还邀请了市、区各单位的专家现场指导,来自上海市人大教科文卫委的蔡宝瑞博士更是对作业自主权的后续开展提出了宝贵的意见。随后,作业自主权工作更是成为了整个学生事务中心的工作重点。历经近两年的时间,经过多次试点、调整方案、修改文本和意见听取后,作业自主权也于2015年1月1日起在全校范围内实施。

(2)“无校服日”

该项目启动于2014年2月,主要由学生事务中心的德育部门牵头。这一提议最早来自于一次普通的家校联席会议,有家长提出学生只有一套校服,无法应付极端天气而难免换洗的尴尬。面对这一问题, 志愿者们大胆提出了是否可以每周中有一天不穿校服的设想。也许是有了作业自主权工作的经验,在随后的问题调研、数据分析、试点实施中,项目进程较为顺利。同样,在经过多次会议的讨论和修改后,最终,无校服日已于2015年1月1日起在全校范围内实行。

三、探索中学校园立法工作

对于模拟学校管理项目在实施过程中的阶段成果,以校园立法的形式加以巩固,将为项目的长期有效运作提供保障条件。在人大专家、华政研究生团队和学校师生的共同帮助下,通过多次的试点、校园听证和师生座谈,几经易稿,最后由学生事务中心学生立法委提交了《华东政法大学附属中学无校服日实施规定(草案)》和《华东政法大学附属中学作业自主权实施规定(草案)》至学生会。2014年12月30日, 学生代表大会举行,代表认真阅读和审议了两份草案后,投下了表决票。这一票,是与会代表民主权利的充分表达,最终,两部校园法规成功颁布,《解放日报》对此也进行了专题报道。校园立法工作的首次成功试水,不仅有效培养了学生重要的规则意识,更是附中学子知法、懂法、用法的重要体现,是培育和践行社会主义核心价值观的重要举措,同时也书写了学校法制教育的新篇章。

摘要：华政附中成立学生事务中心,开展“模拟学校管理”项目和“校园立法”工作,在学生自主管理的工作制度和运行机制方面进行了积极的探索,并形成了“作业自主权”和“无校服日”两个成功案例。“模拟学校管理”在培养学生参与精神、加强法治意识、提升自治能力等方面发挥了重要作用,也是学校在现代公民教育中的一次重要探索。

新型10kV配网真实模拟系统 第2篇

关键词：配电网自动化设备,物理仿真系统,实时数字仿真系统,干扰信号,检测环境

0前言

配电自动化设备作为配电设备智能化的代表,通过对架空线路运行状态进行在线监测,获取线路运行数据和故障信息,实现故障的快速隔离,缩短停电时间和范围,在保证供电可靠性起重要作用。但是配网自动化设备市场入网门槛低,功能和性能差异较大,缺乏全面和完备的检测方法,对设备的整体功能和性能评价缺乏依据。

以往的MATLAB等数字仿真软件可以灵活方便的对电网的情况进行模拟,但理论的计算结果和实际情况会有一定的误差,并且仿真软件不能外接被测设备;文献[1]介绍了实时数字仿真系统,该系统虽然可以外接设备进行闭环试验,但只是小容量的输出,不能满足10 k V大容量输出对设备检测的需求;文献[2]介绍了利用动模实验系统对实际电网进行仿真,可以外接配电网自动化设备,能模拟与电网相似的过程,但由于动模仿真系统是利用相似原理,在动模上反应和实际电网相似的物理过程,不能完全真实的反应实际电网的情景。目前国内尚没有利用真实的物理设备搭建10 k V模拟系统,对配电网自动化设备进行性能测试。

本文所搭建的10 k V真实模拟系统是用和实际电网设备参数相同的设备组成的,并利用动态数字实时仿真系统(DDRTS)、升压器和升流器等设备输出短路时的大电流和叠加干扰信号,能更加真实的模拟实际电网的各种运行状态。此外,系统有一段架空线路,配电网自动化设备可以悬挂在架空线路上,检测各种配网自动化设备的性能。

1 平台设计原理

如图1所示,本实验平台主要包含两套独立的检测系统,一套是利用10 k V设备搭建的物理模拟系统,另一套是利用数字动态实时仿真系统(DDRTS)、升压器和升流器设备组成的动态数字实时仿真系统。两套系统可以分别对10k V配电网自动化设备进行测试,也可以相互配合使用,如当模拟配电网的干扰时,可在物理模拟系统模拟正常的输出,同时利用DDRTS系统输出谐波,方波等干扰信号。

1.1 物理模拟试验平台简介

物理平台设计总体思路:如图1所示,三相交流电380 V通过电源屏接0.4 k V/10 k V升压变压器,升压变压器的容量为200 k VA,由于不可能和实际10 k V配网的变压器容量相同,为了能模拟实际的电网系统,设计系统输出仍为10 k V的电压,但通过人为增大负荷电流的方法实现。变压器中性点通过隔离开关经消弧线圈接地,通过隔离开关的分合来选择是否投入消弧线圈。

10 k V三相交流电经过开门狗断路器接用集中参数模拟的架空线路,通常100公里以内的配电线路可用π形电路来模拟等效,模拟线路选R=0.3Ω/km、L=1m H/km、C=0.0011μF/km进行物理模拟系统的搭建。为了能灵活模拟不同网架结构的线路,共设置了5组30 km的架空线路,可以自由组合来模拟不同网架结构的输电线路。

架空线路后接短路故障模拟屏、接地故障模拟屏和环境模拟装置,通过上位机发送控制命令来实现不同环境下各种故障的模拟。

从现场的实际经验来看,电力系统的故障主要是短路和接地故障。为了模拟电网的短路故障,通过控制相间接触器间电阻导通,形成短路故障,为了保护本系统的安全,实际短路电流并不大,主要通过叠加短路大电流。

接地故障屏可以通过上位机发送命令控制接地电阻的大小和接地的相位控制,其中接地的相位控制是技术难点。本系统采用如下方案解决这个问题:一是提高接地开关的控制线圈电压,使得开关能够有一个更快速更稳定的投切效果,通过控制系统提前量,相对准确地控制接地瞬间的相角;二、本系统把其中一侧(动)的触头设计成梅花瓣形,最前端部分软连接。因为当控制线圈电压升高时,触头容易发生弹跳,触头这样设计的目的是当发生碰撞接触后,即使有弹跳,也有软连接保持导通,不会造成二次开断关合。

此外根据实际经验,电力系统的故障大多发生在刮风下雨等恶劣天气,作为配电网自动化设备的科学检测系统,必须要考虑环境因素,本文所采用的系统可以模拟在不同风级和雨量下发生故障的情况。

在故障屏后接带隔离刀的10 k V真空断路器,用来切断低压侧负荷,在断路器后接入10 k V/0.4 k V的变压器带低压侧负荷。变压器后接入一个100 k W可调负荷屏,一共分为10级(每级10 k W),可以逐级调节负荷的容量,用来模拟实际电网线路的负荷。

本物理试验平台的核心是:计算机通过以太网连接控制器,控制器通过I/O接口连接接地故障模拟屏、短路故障模拟屏和环境模拟装置来模拟不同环境下的各种故障情况,控制器还可以通过D/A转换模块连接电流源来控制模拟短路时的大电流的输出。

1.2 数字动态实时仿真试验平台

10 k V配电网自动化终端软件试验研究平台主要包括:数字动态实时仿真系统、电压放大器、电流放大器和架空线路等设备组成。其核心设备是数字动态实时仿真系统,包括电磁暂态仿真软件、高速光纤通讯系统、信号转化系统等装置。

数字动态实时仿真系统DDRTS(Digital Dynamic Real-Time Simulator)是大型软件系统与复杂硬件系统的结合体,可对继电保护装置、安全自动装置以及其它测量控制装置进行实时闭环试验,这对检验设备的可靠性有重大意义。

软件平台设计总体思路:动态数字实时仿真系统通过仿真软件NETSP搭建仿真模型输出数字信号,数字信号经过计算机的高速微处理器和信号转化系统处理后,输出一次电压电流模拟信号,此时的电压电流信号较小,需经电压电流放大器将信号放大。

电压放大器和电流放大器的工作原理是:外接380 V交流电通过整流桥变为540 V的直流电,信号转化系统输出一次信号通过光纤连接到逆变器,用来控制逆变器的交流电电压电流输出的大小。我们选用用来升压的变压器的电压比为380 V/10 000 V,用于升流的变压器电流比为380 A/17 A。

通过电压放大器和电流放大器后,可以模拟10k V大电压的输出,也可以模拟短路时的大电流和负荷电流,这样就能模拟输电线路的各种运行状况,进而在输电线路不同运行状况下综合测试配电网自动化设备的性能。

DDRTS的主要优势是在电磁暂态仿真软件可以灵活搭建不同的网架结构,模拟电网发生故障的状况,并将测量点的故障信号放大,模拟实际线路发生故障时电压电流的大小,进而可以检验配电网自动化设备是否能正确动作,通过软件平台可以灵活方便的检验设备的性能。

构建数字动态仿真实验平台的另一优点是可以叠加干扰信号,众所周知实际电网会有各种不同的特殊负荷,不会出现完美的正玄波,为了使本系统的检测更加符合实际电网情况,可以利用DDRTS软件叠加干扰信号。

1.3 模拟平台主要实现的功能

1.3.1 短路试验的模拟

因为所搭建系统的变压器容量有限,短路时不会像实际电网一样出现大的短路电流,为了模拟短路时出现的大电流,本套测试平台可以从两个途径获得大电流:一、利用实际的10 k V物理模拟系统。当计算机设置短路故障时,短路故障屏的两相将经过一个500Ω的电阻,进而在输电线路上产生20 A左右电流,线路电流在互感器原边绕几十圈,在互感器二次侧绕一圈则输出几十倍的大电流,模拟短路时大电流的输出。二、利用电流源模拟短路大电流的输出。物理模拟系统的上位机通过单片机向DDRTS发送指令,DDRTS传输指令控制电流源的输出,模拟短路时产生的大电流。

输电线路后的架空线路是将故障电流线路与正常的负荷电流平行的安装在一起(如图2所示),故障指示器和继电保护等配网自动化设备都是安装在这条线路上的,因此可以模拟真实输电线路短路情况下配网自动化设备的动作状况。

1.3.2 接地试验的模拟

接地故障是计算机通过控制器触发不同相的接地故障,接地电阻每个250Ω,总共有5个,通过控制接地电阻的不同连接方式,改变接地电阻的大小;同时控制刀闸闭合时间来模拟不同相角接地故障的状况。

1.3.3 叠加干扰信号

由于实际电网会存在特殊的负荷,对负荷电流信号有一定的干扰,负荷电流信号不会出现完美的正玄波,为了使系统更符合实际,必须要加入一些干扰的电流信号。具体采用的方法是将DDRTS产生的干扰电流信号在互感器原边绕几十圈,在二次侧绕一圈则相应线路输出近几十倍的干扰电流。此外,电流源在计算机的控制下可以输出脉动电流等干扰信号,更加真实模拟实际的配网线路。

2 10k V仿真实验平台的测试结果

根据建立的物理模型,在实时数字仿真系统的仿真软件NETSP中搭建相应的仿真模型(如图3所示),同时使用外部控制元件,可利用上位机发命令给数字动态实时仿真系统,控制电流源的输出,试验时本套系统变压器中性点不接地,模拟10k V配电网不接地系统。

MATLAB是一款比较成熟的仿真软件,可以对电网的不同状况进行模拟,为了模拟实际电网,本文在MATLAB中利用无穷大电源搭建电网模型模拟实际的故障状况。主要测试了当线路发生金属性接地、经500Ω电阻接地和短路故障三种不同情况下的波形,对该试验平台测得的数据和MATLAB仿真结果(搭建的仿真模型如图4所示)进行差异分析(主要是三相电压、三相电流和接地电流变化规律),进而判断所搭建的模型的是否科学,此外还验证了DDRTS产生的干扰波形是否满足需要。

1)线路发生金属性接地故障:用所搭建的平台来模拟电网单相金属性接地故障时,使接地电阻屏的刀闸不接电阻进行投切,同时发命令给DDRTS叠加负荷电流,模拟实际电网发生金属性接地的情景。电压互感器的电压比为10 000 V/220 V,测量相对地的电压,三相电流互感器的电流比为750 A/5 A,接地电流互感器的电流比为20 A:1 A,当A相发生金属性接地时电压图像如图5所示:

利用MATLAB仿真软件,在故障发生装置设置接地电阻为0.001Ω,模拟电网发生A相金属性接地故障,产生的波形如图6所示:

2)通过对比分析,发生单相金属性接地时,实验数据和仿真结果的电压和电流的波形变化规律,可以看出波形变化基本一致。由于MATLAB仿真软件所设的接地电阻为0.001Ω,而实际搭建的物理模型不可能完全做到金属性接地,故障相电压变化波形不可能降为零,并且电流不会出现很大的暂态过程,比较符合实际状况。

线路发生经A相经500Ω电阻接地:当物理模拟系统发生经A相经500Ω电阻接地,不叠加负荷电流,模拟实际电网轻载时经电阻接地时电500Ω电阻接地的情况。当A相经500Ω电阻接地时电压和电流图像如图7所示:

利用MATLAB仿真软件搭建的仿真模型,设置故障点经过500Ω的电阻接地,其图像如图8所示。

3)综合对比分析,发生经500Ω接地时,电压和电流的数值和变化规律,波形变化情况基本一致,由于试验接500Ω电阻,实际试验时接地电阻会增大,接地相电压相对比仿真偏高,符合实际情况。

线路发生BC相短路时:当系统模拟BC相短路时,为了保护实验平台的安全性,BC相将经过500Ω电阻短路,并利用DDRTS叠加BC相短路大电流,短路引起断路器保护动作,三相断路器将线路退出运行。所产生的电压和电流波形如图9所示。

用MATLAB仿真软件对故障点设置短路故障,实际电网发生短路故障时短路电阻较小,MATLAB仿真短路电阻设为5Ω,仿真的结果如图10所示。

4)当发生经BC相间短路时,搭建的实际系统测的接地电流为实际值(没有接电流互感器),实际的不接地系统在正常运行时也会有小的不平衡电流,接地电流不为零,而MATLAB测得只是比较理想的情况,对比分析电压和电流的幅值变化规律,波形比较符合实际状况。

系统产生的干扰波:本套实验平台可以用DDRTS软件产生三角波和方波,模拟电网一些特殊负荷,能更加真实科学的反应实际电网情况,利用仿真软件产生的方波和三角波形如图11所示。

设置三角波和方波的有效值输出分别为3A和4.1A,从波形图上可以看出输出的三角波和方波的满足需要,可以利用DDRTS叠加特殊负荷的电流信号。

3 结束语

1)本文所搭建系统发生接地和短路故障时,利用测出的试验数据与利用MATLAB仿真软件搭建的模型输出的实验数据进行对比分析,发生故障后的波形变化规律基本一致。

2)由于MATLAB仿真软件输出的计算结果较为理想的,但是实际电网系统会有一定偏差,如发生金属性接地时,本文所搭建的物理模型不可能完全金属性接地,实际电网系统也不存在完全的金属性接地,故障相电压不会将为零,也验证了本文所搭建的系统的科学性。

3)由于实际电网会有一定的特殊负荷,本文的检测平台为了能更好地模拟实际电网的各种情景,利用DDRTS仿真软件搭建特殊的负荷,输出各种不同的特殊负荷电流信号,模拟干扰信号,能更加科学的实际电网情况。

实验结果表明,本文所搭建的实验平台可以模拟实际电网的各种故障情景,并加入一些干扰信号,对配电网自动化设备进行性能测试提供良好的试验环境。

参考文献

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[7]邓超平,王云茂.福建电网区域稳控系统数字动模实验.电力系统自动化[J].2008,32(11):103-107

模拟之下的真实论文 第3篇

根据注入压力的不同, 碳酸盐岩储层酸化可以分为基质酸化和酸压两种。低于地层破裂压力注入酸液为基质酸化, 酸液根据渗流阻力选择性地流经大孔道并溶蚀所经过孔道, 形成蚯蚓状的孔洞 (被称为“蚓孔”) , 以穿越污染带、沟通远处地层。高于地层破裂压力下注入酸液为酸压, 酸压中, 酸液在缝内外压差下滤失到地层中, 滤失酸液选择性的流经并溶蚀大孔道, 也形成蚓孔。蚓孔扩展规律对基质酸化增产效果和酸压中液体滤失影响显著, 很多学者对酸蚀蚓孔扩展规律进行了室内[1—7]和数值模拟研究。Gdanski[8]、Huang等[9]和Hung等[10]利用毛细管模型模拟了蚓孔扩展;但是这种模型由于事先假设蚓孔已经存在而忽略了对蚓孔形成过程的模拟, 毛细管模型由于结构上简单, 使其忽略了孔隙尺度上的反应和酸液传递, 毛细管模型没能够成功的对蚓孔的生成、溶蚀形态和非均质性对蚓孔扩展的影响作出较好的模拟。为了描述酸岩反应引起的溶解, Hoefner等[11]和Fredd等[12]建立了一种网络模型, 这种模型以相互交织且连通的网状结构来模拟多孔介质, 管中的酸液流动由Hagen-Poiseuille关系来描述, 发生在管壁上的酸岩反应和溶解由管径的增大来表示。这种模型可以模拟酸蚀形态和量化溶蚀的一些特征, 如最优注酸速度等。Kang等[13]建立了基于格子Boltzmann的蚓孔模型, 该模型模拟尺寸非常小, 使用受限。Golfier等[14]和Liu等[15]结合了达西尺寸和孔隙尺寸两种模型的优势, 建立了双尺度连续模型。这种模型的优点是, 计算所需的内存小, 既可以在达西尺寸模型上求解运动方程和连续方程, 又可以在孔隙尺寸模型上求解孔隙结构与物性的关系。Panga等[16,17]进一步发展了这种模型 (下称“Panga模型”) , 并研究了非均质性和反应动力学参数对蚓孔扩展的影响。Kalia等[18,19]把Panga模型扩展到极坐标条件下, 研究了径向上的对流扩散和非均质性对蚓孔扩展的影响。

双尺度模型是目前模拟蚓孔扩展使用较多、且模拟效果较好的一种模型, 但该模型使用的孔隙空间分布是人工生成的随机分布, 该分布与实际岩心中的孔隙分布差异较显著。孔隙空间分布对蚓孔扩展规律影响较大, 因为孔隙分布决定渗流阻力分布, 从而决定酸液流向和蚓孔扩展方向。针对此问题, 通过CT扫描获得岩心的实际孔隙空间分布, 与双尺度蚓孔模型结合, 模拟岩心真实孔隙空间分布下的蚓孔扩展规律, 并与随机孔隙分布下的蚓孔扩展形态进行对比, 研究发现孔隙随机分布下的蚓孔形态与真实孔隙分布下的蚓孔差异较大, 本文还模拟了普光气田岩心酸化中的蚓孔扩展最优注入速度和蚓孔突破孔隙体积倍数。

1 酸蚀蚓孔扩展数学模型

蚓孔扩展过程为酸液在碳酸盐岩孔隙介质中流动、酸岩反应和孔隙随岩石溶解而扩大的过程, 要模拟该过程, 需要计算压力场、速度场、酸浓度分布和孔隙度变化。采用双尺度蚓孔扩展模型[16,17], 数学模型包括运动方程、质量守恒方程、酸液浓度分布方程、酸岩反应方程和孔隙度变化方程, 如以下式 (1) ~式 (5) 所示, 模型示意图如图1所示。

式中, μ为流体黏度, (Pa·s) ;k为渗透率 (m2) ;u为速度张量;p为压力 (Pa) ;为孔隙度;α表示单位摩尔酸液溶蚀的岩石质量 (kg/kmol) ;ρs为岩石密度 (kg/m3) ;ks为反应速度常数 (m/s) ;Dm为扩散系数 (m2/s) ;Cf为孔隙中酸浓度 (kmol/m3) ;Cs为岩石表面浓度 (kmol/m3) ;kc为传质系数 (m/s) ;av为比表面 (1/m) 。

初始条件是

初始为实际岩心中的孔隙分布, 用CT扫描获取, 如图3~图7所示。

边界条件为:

式中, C0为注入酸液浓度;q0为排量;poutlet为出口压力。

为了能够求解模型, 需要渗透率、传质系数和比表面的数值, 这些特性值取决于孔隙结构, 在此采用半经验模型表示这些值与孔隙度的关系, 如以下方程所示。

式中, K0、0、r0和a0分别表示平均渗透率、孔隙度、孔隙半径和比表面的初始参照值;k、、rp和av分别表示渗透率、孔隙度、孔隙半径及比表面值;β表示渗透率和孔隙度关系的一个常量, 无量纲;Sh是Sherwood数;Sh∞是渐近Sherwood数;珝U是速度大小;Rep=2rp珝U/ν是孔隙尺度雷诺数;Sc=ν/Dm是Schmidt数;ν是运动黏度;λx, λT, αos和m是取决于孔隙结构和联通情况的常数, 对于球型填充模型, Sh∞=2, m=1, λx≈0.5, λT≈0.1。

2 岩心孔隙空间分布

CT扫描是一种非破坏性的图片处理技术, 可以使用X射线和计算机数学运算法则, 使计算机可以再现物体的三维图片。当岩心扫描时, X射线源发出的准直射光束会穿透岩心, 而射出的光束会被一系列探测器捕获。X射线源和探测器会绕着岩心移动, 从而可以覆盖360度的范围。工业CT扫描使用的是能量很高的X射线源, 图2表示CT扫描的基本工作原理。采用CT扫描技术可获得岩心的孔隙空间分布, 该孔隙分布用于数值模拟, 可真实再现蚓孔扩展过程。岩心CT扫描常用于孔隙介质中的流动研究[20—24]。1995年Bazin等[23]人报道酸注入碳酸盐岩岩心中产生的蚓孔可以用CT扫描出。2007年, Tardy等[20]人使用CT扫描工具研究自转向酸的基质酸化, 得到的二维CT图片可以证明转向有效性。CT扫描技术对酸化实验中岩性非均质性的研究和酸化中蚓孔扩展的研究提供了极大的便利。

对普光气田9块岩心进行了CT扫描, 获得的岩心孔隙空间分布如图3~图7所示。实际岩心的孔隙空间分布表明, 实际孔隙分布既随机有一定空间关联性, 随机指各个岩心孔隙分布千差万别, 且无固定规律;空间关联性是指一些岩心孔隙分布呈现出一些条带状, 岩心中存在一些高渗流通道, 这些对蚓孔扩展规律都有影响, 用这些岩心的真实孔隙分布进行数值模拟, 有利于揭示孔隙空间分布对蚓孔扩展的影响规律。

3 真实孔隙分布下的酸蚀蚓孔扩展规律

基于CT扫描得到的孔隙度空间分布和蚓孔扩展模型, 模拟了普光气田岩心酸蚀蚓孔扩展规律, 模拟中使用的参数的值如表1所示。

蚓孔的形成与扩展受氢离子扩散速度与对流速度的比值控制, 扩散速度与对流速度在同一数量级上时形成主蚓孔, 扩散速度远远大于对流速度时, 酸液主要在端面消耗, 即形成面溶蚀;当对流速度远远大于扩散速度时, 酸液来不及消耗就流入远端, 形成均匀溶蚀。对于一油田, 温度固定, 所选酸液确定, 影响对流和扩散速度的主要因素为注入速度。通过改变注入速度, 得到不同的溶蚀模式, 如图8所示。从左上到右下, 注入速度增加, 模拟得到实验中类似的溶蚀模式:面溶蚀、锥形孔、主蚓孔、分支蚓孔和均匀溶蚀。注入速度低时, 扩散速度远远大于对流速度, 形状面溶蚀;当速度逐渐增加, 扩散速度与对流速度在同一个数量级上, 形成主蚓孔;注入速度很高时, 对流速度远远大于扩散速度, 形成均匀溶蚀。

图8是17号岩心真实孔隙分布下的蚓孔形态, 图9是随机孔隙分布下的蚓孔形态, 两种孔隙分布下的蚓孔形态差异较大。随机孔隙分布下, 蚓孔较细, 非常不规则, 蚓孔形状较复杂, 有多根蚓孔同时扩展;因为没有主渗流通道, 在改变注入排量时, 蚓孔可能改变扩展方向。在真实孔隙分布下, 蚓孔更粗、更规则, 一根蚓孔扩展, 在不同排量下, 虽然蚓孔具体形状有所差异, 但蚓孔沿相同路径扩展。真实孔隙分布表明, 岩心中存在高渗流通道 (图10) , 蚓孔沿该高渗流通道扩展。真实孔隙分布下蚓孔突破岩心需要的酸液孔隙体积倍数 (突破孔隙体积倍数) 比随机孔隙分布下的体积倍数低, 说明有高渗流通道存在时, 蚓孔扩展效率更高。

蚓孔扩展过程是酸液流动、酸岩反应、孔隙变大的过程, 酸液沿最小渗流阻力地方流动, 孔隙空间分布决定渗流阻力分布, 因此孔隙空间分布影响蚓孔扩展。图10左图显示了17号岩心初始空间分布, 右图显示了蚓孔形状。端面靠上部位初始孔隙较高, 蚓孔发育于端面上部, 岩心从左到右有一个明显的高孔隙分布条带, 蚓孔沿这个条带扩展, 最后在出口端底部突破岩心。

图11显示17号岩心不同注入速度下蚓孔突破岩心需要的酸液突破孔隙体积倍数, 注入速度较低时, 突破孔隙体积倍数随注入速度增加急剧下降;注入速度较高时, 突破孔隙体积倍数随注入速度增加而增加;注入速度存在一最优值, 该值称为最优注入速度, 该值下突破孔隙体积倍数最小。注入速度低时, 溶蚀形态为面部溶蚀或锥形孔, 突破岩心需要溶掉岩心的大部分岩石, 需要的酸液较多;最优注入速度附近, 得到一条主蚓孔, 酸液突破岩心只需溶掉很小一部分岩石, 需要的酸液最少。注入速度较高时, 形成分支蚓孔或均匀溶蚀, 突破孔隙体积倍数较高。由该图可以看出, 该岩心对应的最优注速为0.72 cm/min左右。

采用同样的方法对其他8块岩心进行了模拟, 得到类似规律, 统计结果如表2和图12所示。表2显示, 各岩心最优注入速度各异, 在 (0.24~1.2) cm/s变化, 突破孔隙体积倍数1~7, 这是由于各岩心孔隙度大小和孔隙空间分布规律差异造成。总体上讲, 孔隙度高, 突破孔隙体积倍数小, 因为孔隙度高, 酸液溶解较少岩石形成蚓孔。对于孔隙度较高的几根岩心, 突破孔隙体积倍数差异也较大, 这是由于孔隙空间分布差异所致, 当大孔道排列有利于形成相互连接的通道时, 有利于蚓孔扩展, 溶蚀较少岩石蚓孔便突破岩心。

4 结论

本文通过使用CT扫描技术得到了普光气田岩心孔隙空间分布, 采用双尺度蚓孔扩展模型模拟了岩心真实孔隙空间分布下的蚓孔扩展规律, 并将其规律与人工生成的随机孔隙分布下的蚓孔扩展规律进行了对比, 基于广泛的数值模拟研究, 得到以下结论:

(1) 普光气田岩心孔隙分布既随机有一定空间关联性, 随机指各个岩心孔隙分布千差万别, 且无固定规律, 空间关联性是指一些岩心大孔道分布呈一定方向性, 岩心中存在一些高渗流通道;

(2) 人工生成的随机孔隙分布下, 蚓孔较细, 蚓孔更不规则, 蚓孔形状较复杂, 不同注入速度下, 蚓孔可能沿不同路径扩展;在岩心真实孔隙分布下, 因为存在高渗流通道, 蚓孔更粗、更规则, 在不同排量下, 虽然蚓孔具体形状有所差异, 但蚓孔都沿高渗流通道扩展;

(3) 在随机孔隙分布和真实孔隙分布下, 模拟得到实验中的溶蚀模式:面溶蚀、锥形孔、主蚓孔、分支蚓孔和均匀溶蚀;

(4) 所模拟岩心对应的最优注入速度在0.24~1.2cm/min, 突破孔隙体积倍数1~7。

摘要：碳酸盐岩储层酸化、酸压改造中会形成酸蚀蚓孔, 蚓孔扩展规律决定储层改造效果, 孔隙空间分布对蚓孔扩展影响较大, 很多学者进行了酸蚀蚓孔扩展数值模拟研究, 都使用人工生成的随机孔隙度空间分布;其分布与真实的孔隙分布有较大差异, 特别是有孔洞存在时。基于普光气田岩心真实孔隙空间分布, 用数值模拟方法进行了酸蚀蚓孔扩展规律研究。首先通过岩心CT扫描获取岩心孔隙空间分布, 用于蚓孔扩展数值模拟;然后建立双尺度蚓孔扩展数学、数值模型, 基于该模型和岩心的实际孔隙空间分布进行了蚓孔扩展数值模拟, 分析对比了真实孔隙分布下和人工合成孔隙度分布下的酸蚀蚓孔扩展规律。还研究了普光气田岩心注入速度与蚓孔突破孔隙体积倍数间的关系, 优化了注入速度及对应的孔隙体积倍数, 分析了孔隙度和孔隙空间分布与蚓孔形态和突破孔隙体积倍数间的关系, 该研究为普光气田酸化或酸压设计提供了理论依据。

模拟之下的真实论文 第4篇

关键词：模拟池塘微宇宙,水库水,溶解氧,细菌总数,叶绿素a,总生产量

水库微宇宙, 是指应用小生态系统或实验室模拟生态系统进行试验的技术。国际上被认为是生态学研究中很有价值的试验方法[1,2], 它提供了在人工可控制条件下模拟研究生态系统对污染物反应的可能性, 在将研究结果向外推广的过程中减少了试验条件与自然环境不一致而造成的偏倚, 提高了研究成果实际运用的真实性。我国的水环境污染和水生态破坏的趋势仍没有得到有效遏制, 水源水质恶化已经成为众多水厂面临的难题[3]。笔者通过构建并应用水库微宇宙模拟水生态系统, 观察了夏秋季珠三角地区不同水库水生态系统和模拟水库微宇宙的功能和结构的异同。通过检测水库微宇宙中微生物、植物相关的细菌总数、叶绿素、总生产量等指标的变化, 将模拟水生态微宇宙的环境运用到水源水综合生态现况的研究, 为研究珠三角地区水库水生态安全保护提供科学依据, 并为后续进一步的环境纳米材料的生态环境风险研究提供基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试剂与仪器:蛋白胨, 琼脂粉等 (Oxoid公司, 英国) ;其他试剂均为国产分析纯。超纯水取自实验室超纯水机。水样分别取自深圳市某区石岩 (A) 水库、莲塘 (B) 水库、塘尾 (C) 水库。LRH-150型生化培养箱 (上海一恒, 中国) ;DK-600A型电热恒温水浴箱 (上海森信, 中国) ;BHC-1300ⅡA/B2生物安全柜 (上海苏净, 中国) ;60 cm×30 cm×40 cm普通玻璃水箱 (订做) ;SX716型溶解氧测量仪 (上海三信, 中国) ;722型分光光度计 (上海麒麟, 中国) 。

1.2 方法

1.2.1 水库微宇宙的构建

模拟水库微宇宙系统构建, 玻璃缸规格60 cm×40 cm×30 cm, 放置于实验室窗边约1 m高实验台上。取珠三角某区三座水库底泥 (约3 cm) 铺于玻璃缸的底层, 注入相应水库水40 L/缸。通过控制室温以调节水温, 稳定在21.0~25.0℃之间。缸上方1 m处吊置40 W日光灯2支, 每日照射12 h以补充日照的不足, 各微宇宙间光照强度的标准偏差<10%。每次取水检测后补充损失的水分至约40 L刻度处。系统溶解氧和p H值等一般理化指标与真实水库水变异系数<30%, 即为稳定水库微宇宙。深圳地区, 此系统每年可运行6个月左右 (5—10月份) 。A为生活饮用水水源水组, B、C为一般水库水微宇宙系统组, 每个水库水同时构建2个平行模拟水库微宇宙系统。

1.2.2 溶解氧、菌落总数、叶绿素a和总生产量的测定

微宇宙系统中水溶解氧、菌落总数、叶绿素a、总生产量的测定依据《水和废水的检测分析方法》 (4版) [4], 分别采用快速仪器法、平皿掺入法、叶绿素a的测定法、黑白瓶测氧法进行。同时进行真实水库水中以上指标的检测, 以进行对比。

1.3 统计分析

用SPSS 13.0 (SPSS, Inc., Chicago, USA) 软件进行数据分析。相同水体的水库和微宇宙之间以t检验分析, 不同水体的水库 (微宇宙) 组之间以单因素方差分析 (ANOVA test) 检测, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 模拟微宇宙与水库水溶解氧含量的异同

微宇宙与相对应水库的比较中, 3个微宇宙中溶解氧均有上升的趋势, 但差异无统计学意义 (P>0.05) 。不同水库 (微宇宙) 的比较中, 水库A/微宇宙A与水库B/微宇宙B溶解氧水显著高于水库C/微宇宙C, 差异均有统计学意义 (均P<0.05) 。见表1。

2.2 模拟微宇宙与水库水中菌落总数的异同

不同模拟微宇宙中菌落总数的变化关系见表2。在不同的时间点上, 微宇宙与相对应水库水的比较中, 细菌总数未见明显变化, 差异无统计学意义 (P>0.05) 。不同水库/微宇宙水的比较中, 水库C/微宇宙C>水库B/微宇宙B>水库A/微宇宙A, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。

2.3 模拟微宇宙与水库水中叶绿素a含量的异同

在不同的时间点上, 水库A与微宇宙A、水库B与微宇宙B、水库C与微宇宙C之间, 叶绿素a水平差异无统计学意义 (P>0.05) 。不同水库/微宇宙的比较中, 水库B/微宇宙B>水库C/微宇宙C>水库A/微宇宙A, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表3。

注:各变量测定值差异较小, 标准差分布集中, 故未详列标准差值。

注各变量测定值差异较小, 标准差分布集中, 故未详列标准差值。

2.4 模拟微宇宙与水库水中总生产量的异同

水库A与微宇宙A、水库B与微宇宙B、水库C与微宇宙C之间, 总生产量水平差异无统计学意义 (P>0.05) 。不同水库/微宇宙总生产量的比较中, 水库B/微宇宙B>水库A/微宇宙A>水库C/微宇宙, 差异均有统计学意义 (P<0.05) 。见表4。

注:各变量测定值差异较小, 标准差分布集中, 故未详列标准差值。

3 讨论

微宇宙是研究外来化学物质在生物种群、群落、生态系统和生物圈中生物效应的一种方法, 又被称为模拟生态系统、微生态系统等。是将自然环境的某一部分置于受控条件下、保持天然生态系统复杂特性的可应用和可重复的试验系绞。水环境中的植物和动物群落等生态系统与真实自然是极其类似的[1,2]。微宇宙用于研究溶解氧、细菌生长、叶绿素a和总生产量的变化[2,5,6]。通过比较发现, 试验中模拟生态系统虽然不是缩小的天然生态系统, 但是是具有天然生态系统主要组分和生态学过程的受控试验系统。

饮水微生物污染仍旧是影响供水水质的主要原因之一[7], 微生物随着夏季的到来而开始复苏并迅速繁殖[8]。水库中细菌生理群分布的差异是由于水库底泥中的有机营养物质的含量以及水库溶解氧不同造成的[9]。但无论是水库还是模拟微宇宙, 其溶解氧变化均是一致的。水库水体中细菌分布主要与底泥的分布不同, 这种分布状况与水库水体的营养状况密切相关。本研究发现, C水库富营养化程度高, 已不适合继续做生活饮用水水源, A水源更为安全。

叶绿素a可以直观地描述水体的富营养化状况, 水体中浮游植物生物量越高, 叶绿素a浓度就越高。大量细菌及浮游生物存在, 使得叶绿素a高, 同时消耗水库溶解氧使其含量低[9], 两者呈现统计负相关性[10], A和B水体呈现出这种关系。但有研究认为重污染天然水体溶解氧与叶绿素a无明显相关[11], 如C水库有较重污染, 导致细菌过度繁殖, 消耗溶解氧, 使浮游植物生长受到抑制, 叶绿素a低, 进一步使总生产量偏低。

从溶解氧、细菌总数、叶绿素a、总生产量的研究发现, 珠三角某地区3种不同类型水源水水库中, 受到严密保护的水库水水质良好, 否则水质恶劣, 甚至不再适合作为水源水。在本研究中通过1个月构建稳定的模拟池塘微宇宙, 为后续进一步研究真实水库水经过处理后, 结构和功能上的改变打下基础。

参考文献

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[7]刘丽颖, 张荣.饮用水消毒副产物成因及控制措施[J].中国公共卫生, 2012, 28 (5) :707-709.

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[9]高坤乾, 顾继光, 韩博平, 等.三座不同营养类型水库春季细菌生理群分布特征[J].生态环境, 2006, 15 (3) :469-474.

[10]Thongdonphum B, Meksumpun S, Meksumpun C.Nutrient loads and their impacts on chlorophyll a in the mae klong river and estuarine ecosystem:An approach for nutrient criteria development[J].Water Sci Technol, 2011, 64:178-188.