天然气水合物分解是一个涉及流体流动、传热、传质、本征动力学反应及孔隙结构演化的多场耦合过程，其微观机理和主控因素尚不十分明确，准确表征和预测天然气水合物的分解行为，对于水合物的资源开发、开采安全性评估以及相关技术研究具有重要意义。近日，北京大学天然气水合物国际研究中心在新研究中采用格子玻尔兹曼方法（LBM），建立了一个精细的孔隙尺度多场耦合模型，系统揭示了降压诱导下的水合物分解的动力学规律。

研究发现，水合物分解过程反应速率表现出明显的“三阶段”特征：即对环境变化迅速响应的初始阶段、分解速率近似线性衰减的中期，以及分解速率稳定于较低水平的准平衡阶段。在此过程中，控制机理并非一成不变，而是随着水合物饱和度的降低，在本征动力学、传热限制和传质限制之间持续切换。研究成果进一步剖析了不同工况对分解速率的影响：

(1) 控制机理的定量划分：引入无量纲数分析发现，当反应速率较低且传质影响可忽略时，分解过程会从动力学-传热联合控制模式（Da>0.1）转变为动力学主导模式 (Da<0.1)<>。

(2) 压差的双重效应：增大压差可能引起甲烷浓度梯度和流速同时增大，通过分离变量发现提高浓度梯度可显著加速反应，而较高的流速反而会因增强反应热损失从而抑制分解速率。

(3) 传质/传热的最优区间：分解速率随热Péclet数增加单调下降，而随传质Péclet数增加呈现先升后降的趋势，在传质Péclet数保持在（0.036至0.144）时，分解速率较快。

(4) 孔隙结构的影响：相比面心立方结构，简单立方结构由于具有更短的热传导路径，表现出更高的水合物分解效率。

该研究为理解天然气水合物在沉积物中的复杂分解机理提供了新的孔隙尺度视角，相关研究成果发表在《Energy Conversion and Management》上。中心博士生杨冉为第一作者，通讯作者为卢海龙教授。

图3 水合物分解过程中的甲烷浓度场和温度场的演化

原文信息：

Ran Yang, Linsen Zhan, Hailong Lu. Investigation of methane hydrate dissociation behavior in porous media by the lattice Boltzmann method. Energy Conversion and Management, 2026, 353: 121208.