分形多孔介质渗透率与孔隙度理论关系模型

基于多孔介质微观孔隙结构的分形特征、毛管模型和Poiseuille方程建立了计算分形多孔介质宏观物性参数渗透率与孔隙度的理论模型,给出了二者之间新的理论关系式.分形多孔介质宏观物性参数及其关系式是多孔介质微观孔隙结构分维数、分形系数和微观结构参数的函数,不包含任何经验或实验常数.定量分析了多孔介质微观孔隙结构分维数、分形系数和微观结构参数对分形多孔介质宏观物性参数及其关联式的影响.理论计算结果与实验结果存在较好的一致性,表明理论模型是有效的.     

基于分形理论的石墨泡沫新材料导热系数

新型导热材料石墨泡沫具有很好的热物理性质.文中应用分形理论讨论了这种新型多孔材料的分形特性,并在此基础上建立了石墨泡沫材料的导热模型.采用热阻法给出了石墨泡沫材料的等效导热系数的关系式.在空腔边长为200～500μm,对应的体孔隙率为82%～73%条件下,计算了石墨泡沫的体积分形雏数和等效导热系数.这种新的研究方法对多孔材料热物性研究有一定指导意义.     

寒区冻土层含冰孔隙结构导热模型构建及应用分析

冻土主要由固、液和气三相物质构成,其中固体可以看成骨架,另外两相物质填充在孔隙中,是典型的多孔介质。寒区冻土层融沉过程中,其中的孔隙结构、矿物颗粒和含冰量等参数变化幅度较大,导热系数等热物性参数随之变化,目前在精细表征和分析研究方面存在一定不足。针对含冰冻土,采用多孔介质描述方法,考虑其相态变化特性,将其分为未冻区、融化区、固结区及已冻区;基于表征单元体(representative elementary volume, REV)方法,结合冻土物理学和传热传质学理论,构建了冻土层导热分析模型,包括微观模型和宏观分析模型;以寒区土壤冻融过程为例进行模拟计算,分析了孔隙率、含水率、含冰率以及通道构成系数等对冻土导热系数的影响规律。所建模型可为寒区冻土传热机理分析及导热特性研究提供理论基础。     

三相土壤分形导热系数模型

土壤热导率的预测准确性对地源热泵和钻孔热能等地热相关结构设计至关重要,基于土壤复杂、随机、自相似性的微观结构特征,使用分形理论,考虑土壤的孔隙率和颗粒排列等参数对土壤弯曲度的影响,建立三相土壤有效导热系数毛细孔物理模型和对应的有效导热系数数学模型,将模型预测结果与已有实验数据进行了对比。结果表明：增加土壤颗粒排列等参数后的模型对孔隙率在0.21～1的土壤热导率预测有较高的准确性,且不同孔隙率的三相土壤热导率与土壤颗粒排列阻塞参数有关,孔隙率越大、阻塞参数越小模型预测越接近实验结果;弯曲度改变对热电比模型的串并联比例有直接影响,土壤颗粒排列对弯曲度的影响随孔隙率的增大而减小,弯曲度与三相土壤热导率的变化趋势成反比。相关结果有助于地埋管与管外三相土壤换热效率的研究。     

双孔径分布毛细芯有效导热系数实验研究

对环路热管双孔径分布镍芯进行5因素4水平的16组正交化烧结实验研究,测量双孔径分布镍芯的孔隙率和有效导热系数,并与现有的11个多孔介质有效导热系数计算模型进行对比。从控制双孔径镍芯有效导热系数尽可能小的角度,得到由5个烧结参数的最佳水平组成的烧结工艺。结果表明:对双孔径分布镍芯的有效导热系数影响最大的烧结因素是造孔剂含量,其影响指数分别是压制压力和保温时间的1.9和2.2倍;烧结温度和造孔剂尺寸的影响度相当且较小;常用的估算环路热管金属烧结芯有效导热系数的Alexander模型的计算值偏高,Maxwell模型的计算值偏低,在孔隙率为0.5~0.7时,ChernyshevaMaydanik模型与ChaudharyBhandari模型计算值的平均值与双孔径分布镍芯的有效导热系数的实验值拟合更好。     

基于核磁共振技术的岩土导热系数三维仿真模型研究

岩土介质的导热系数是地表环境和地热能理论研究与实践的关键指标.研究目的是建立岩土三维多孔介质随机分布模型,提高导热系数预测精度,降低测试难度和工作量.结合岩土多孔介质属性,利用低场核磁共振分析仪测定岩土中各相占比情况.使用编程软件建立三维岩土多孔介质随机模型,然后将模型加载到仿真软件中,输入核磁数据和材料参数并通过软件计算导热系数值.采用便携式热特性分析仪测量不同含水率土体的导热系数,分析含水率与导热系数之间的变化关系.最后,与试验数据进行比较,对所建立的多孔介质随机分布模型的有效性进行验证.结果表明：岩土中孔隙水是影响导热系数的重要指标,导热系数随含水率增大而增大;随机模型计算值与仪器实测值变化趋势基本一致;计算值与实测值平均PBIAS(Percent Bias)值为0.0139,最大PBIAS值为0.021.为岩土导热系数预测提供了可靠的途径.     

粗糙裂缝型多孔介质渗透率的分形模型

多孔介质渗透率的研究在油气藏、地下水文学、燃料电池、纤维织物等诸多实际应用工程领域具有重要的应用价值.该文基于分形理论和达西定律,提出了牛顿流体在粗糙裂缝型多孔介质中渗透率的分形模型.研究结果表明粗糙裂缝型多孔介质的渗透率是正弦波动幅度因子、裂缝面积分形维数、孔隙率及最大裂缝宽度等多孔介质微结构参数的函数,每个参数都有明确的物理含义,能清楚揭示影响粗糙裂缝型多孔介质渗透率的物理机理.为了证实渗透率分形模型的有效性,将该模型与已有模型和数值模拟结果进行对比,整体结果吻合较好.     

多尺度分形多孔介质气体有效扩散系数的数学模型

基于毛细管束假设和分形理论,建立了一种计算多孔介质中气体有效扩散系数的数学模型.利用分形几何理论,引入孔隙面积分形维数、孔道迂曲度分形维数以及孔隙连通性等参数定量表征多孔介质中真实的内部结构,构建出多孔介质、多尺度孔隙结构的分形模型,系统地研究了多孔介质中不同尺度孔隙下的气体扩散过程,推导出了分形多孔介质气体有效扩散系数模型,并分析讨论了多孔介质微结构参数对气体有效扩散系数的影响.研究结果表明,气体有效扩散系数随着平面孔隙度的增大而近似呈线性增加,孔隙面积分形维数与气体有效扩散系数呈正相关,而孔道迂曲度分形维数与气体有效扩散系数呈负相关;不同孔隙度情况下,气体有效扩散系数随着孔隙最小/最大直径比的变化趋势不同,孔隙连通性越强的多孔介质,气体有效扩散系数越大.     

基于孔喉模型的多孔介质对流换热系数的分形研究

多孔介质作为一种良好的蓄热和换热材料,在工农业生产中有着广泛应用,获取准确和适用范围广的多孔介质对流换热系数有重要的研究价值。本文先介绍了多孔介质分形理论基础,然后基于多孔介质孔喉模型并结合分形理论、渗流理论及对流换热理论对多孔介质对流换热系数关联式进行理论推导,最后将得出的对流换热系数与传统对流换热系数进行对比并进行了修正。修正后的分形解与传统解比较一致,在孔隙率0.25~0.5的范围偏差较小,而其形式也验证了外部绕流比内部管流更接近多孔介质流动本质。     

双重分形多孔介质孔隙率的研究

根据双重分形多孔介质孔隙分布分形维数D与孔隙迂曲分形维数DT的定义和计算公式,推导了多孔介质孔隙率的计算公式.通过孔隙率计算公式的函数图像分析了双重分形维数D和DT的变化对孔隙率的影响,分析结果表明孔隙率随多孔介质双重分形维数D和DT的增加而增大;多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率增加的就越慢;当D DT＜3时,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率就越大,但当D DT＞3时则相反,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率反而越小,D DT=3是特殊点,令D DT→3时的孔隙率极限值为它的孔隙率.     

基于分形理论的饱和多孔介质电导率模型建立

多孔介质具有复杂的内部孔隙结构,其固体基质的组成成分、内部孔隙的几何形状及其赋存于内部孔隙的液体成分都对多孔介质的电导率有较大影响,因此很难对其导电特性进行准确表征。多孔介质内部孔隙的不规则性表现出极强的分形特性,其分形维数在一定程度上能反映多孔介质的内部微观结构特征,且分形几何理论已经被用于多孔介质输运特性的研究中。为进一步丰富多孔介质电导率模型,促进对微观物理结构如何影响其宏观电导性的理解,本文基于分形理论,以多孔介质微结构参数（孔隙度、孔隙分形维数和曲率分形维数）为基础,建立了多孔介质的电导率模型。以现有试验数据为基础,对推导电导率模型的正确性进行验证,结果表明,两者具有较高的一致性,说明该电导率模型的正确性和有效性。     

基于分形特性PIM成形坯导热率的计算

分析了粉末注射成形坯的分形特性,给出了其剖面颗粒面积分形维数的一般计算方法;利用剖面颗粒表面分形维数,计算了粉末注射成形坯剖面颗粒的各向异性局部面积占有率.进而基于多孔介质导热率的分形模型,推导出了粉未颗粒和粘结剂串并联及无量纲时的粉末注射成形坯各向异性有效导热率的计算公式,并以铁粉成形坯为例分析了有效导热率与剖面颗粒分形维数的关系.结果表明粉末注射成形坯的导热率随着分形维数的增加而增大.     

粗糙树状分叉网络多孔介质的有效热导率模型研究

由于天然多孔介质表面均为粗糙的且其微结构满足分形标度律，该文采用分形几何理论，给出了粗糙壁面的树状分叉网络多孔介质的有效热导率的分布函数，探讨了粗糙树状分叉网络多孔介质有效热导率与多孔介质结构参数之间的定量关系.并将理论结果与实验数据进行了对比，验证了该模型的有效性.     

太阳池底部加设多孔介质实验与模拟研究

海边小型实验太阳池证明了多孔介质——卵石的加入能够提高太阳池下对流层（LCZ）温度和太阳池贮热量,并有利于保持补盐过程中池水的澄清.利用有限差分方法研究了多孔介质对LCZ温度、太阳池贮热量以及太阳池最大提热率的影响.计算结果表明一定的土壤条件下适当的多孔介质厚度可以提高太阳池的贮热量以及太阳池的最大提热率.还讨论了土壤...     

高速压制粉末散体空间分形维数及热传导

基于分形理论,利用粉末散体空间的堆积密度、粉末颗粒的密度和孔隙介质的密度,推导出了计算粉末散体空间分形维数的公式;利用等效热阻法建立了粉末散体空间有效热导率的串联分形模型,并给出了考虑热辐射条件的有效热导率的计算公式.通过分形维数和有效热导率计算公式的函数曲线,分析了堆积密度对分形维数以及分形维数、温度对有效热导率的影响,结果表明：粉末散体空间分形维数随堆积密度增大而增大,有效热导率随分形维数增大而减小,随温度升高而增大.     

幂律流体在裂缝—孔隙双重多孔介质中渗流的分形模型

基于分形理论与技术和广义Darcy定律,考虑孔隙毛细管与裂缝间的窜流效应,提出了幂律流体在裂缝—孔隙双重介质中的有效渗透率分形模型.研究结果表明:幂律流体在裂缝—孔隙双重介质中的有效渗透率不仅与幂律流体特性有关,而且还与裂缝—孔隙双重介质微结构参数、沿基质与裂缝压强差之比有关,同时进一步分析了这些参数对幂律流体有效渗透...     

泡沫型多孔介质等效导热系数的计算

该文根据泡沫状多孔材料的结构特点,建立了一种简化的单元体模型,利用最小热阻法分别导出连通孔型多孔材料气固两相的综合导热系数、辐射等效导热系数和材料总等效导热系数的计算公式。将计算结果与不同来源的实验数据进行比较,结果表明,公式计算值与相应材料的实验值有较好的一致性,同时合理反映出热辐射在多孔介质传热中的重要作用。该文所得计算公式简单方便,具有一定实用价值。     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料,用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构,用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动,以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明,分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性,所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段,膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加,另外,膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时,其在膨胀石墨孔隙中产生对流,对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大,纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

基于空心球聚合体的多孔介质有效导热系数的两种模型

根据硬硅钙石型微孔硅酸钙的结构特点,将其简化成空心球聚合成的多孔介质,建立了点接触空心球壳与面接触空心立方体两种单元体模型.采用一维热传导分析,推导出有效导热系数的理论计算公式.计算结果表明,模型计算值与硅酸钙实验值有较好的一致性.理论模型可应用于与微孔硅酸钙具有类似结构的多孔介质导热系数的估算.