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。     

非饱和多孔介质有效导热系数模型

多孔介质有效导热系数是研究地源热泵、土壤及岩土热储、材料热质传递的重要参数,运用分形理论,建立了一种预测非饱和多孔介质有效导热系数的分形物理模型和相应的有效导热系数计算公式,基于MATLAB数值分析显示模型计算结果与实验测量值具有较好的一致性,并通过该模型探讨了相关微观参数对多孔介质有效导热系数的影响,结果显示弯曲度分形维数、孔隙率与多孔介质导热系数呈负相关,固液相占比、饱和度、固相基质边长与多孔介质导热系数呈正相关,当孔隙率大于78.4%时,导热系数较小的孔隙相对多孔介质有效导热系数影响较大。     

非饱和多孔介质中耦合传输过程的改进模型

基于湿分迁移温度效应的“表面张力-粘滞流”理论,对Liu等提出的非饱和多孔介质中热、湿、气耦合运移的“六场-相变-蒸汽扩散模型”进行了改进,得到了新的数学模型．除了考虑毛细力、惯性力、粘性力、达西阻力、重力以及气液之间的相互作用力和相变之外,改进模型中还反映了多孔介质水分运移的温度效应．与其他经典模型相比,提出的改进模型的最大特点是它在水势、水力传导系数和水的扩散系数中直接反映温度效应,而不需要增加新的反映温度效应的附加项．因此,该模型应用起来更为方便．     

各向同性多孔介质中Kozeny-Carman常数的分形分析

Kozeny-Carman(KC)方程是多孔介质渗流领域最著名的半经验公式,长期以来,KC方程及其推广形式被广泛用于估算多孔介质的渗透率.但是,方程中的KC常数是一个没有确切物理意义的经验常数,且被证明并非一个常数值.天然多孔介质中的孔隙分布往往表现出自相似的分形标度律.因此,根据多孔介质的分形特征利用微观几何模型计算了各向同性多孔介质的有效渗透率,并进一步推导了KC常数的解析表达式.结果表明,KC常数是由多孔介质的微结构决定的,是孔隙率和分形维数的函数,且随着孔隙率的增加而增大.     

牛顿流体在充满多孔介质圆管内的结构流特征

引入研究多孔介质流体流动的体积平均方法和体均原理,采用Darcy阻力经验公式和Forch-heimer修正,得到了多孔介质内流体流动的Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律.提出了牛顿流体在充满多孔介质管道内的结构流概念,并通过边界层动量积分计算证实了流核的存在,获得了流核流速和流核半径的计算结果;分析了Darcy数和惯性参数对速度剖面的影响程度.     

固体流体导热系数对多孔介质内传热影响研究

以多孔介质内固体导热系数ks、流体导热系数kf相互影响多孔介质传热为研究对象,对多孔介质内无量纲温度、速度、高温壁面努谢尔数Nu、平均努谢尔数Nu和ks/kf、瑞利数Ra间关系进行研究;采用差分法对数学模型进行离散化处理,应用高斯–赛德尔方法迭代求解,对网格的独立性和计算过程进行了验证,得到了多孔介质传热一些基本数据,分析了无量纲温度、速度随ks/kf、Ra的变化规律.研究结果表明:ks/kf改变多孔介质内温度和速度的变化,ks/kf值大,温度梯度和速度梯度在壁面附近大,温度梯度和速度梯度在无量纲长度0.2~0.8范围内很小;当ks/kf很小时,多孔介质内对流作用较弱,ks/kf1以后,Nu随着ks/kf逐渐增大,对流作用增强,它成为热传输的主要动力,ks/kf对多孔介质内对流作用的增强、削弱是非常关键的,为强化传热可提高ks/kf值,为削弱传热可降低ks/kf值;在工农业生产中加热多孔介质类物质热量应集中在下部有利于热量高效利用.     

含湿多孔介质传输机理模型系数的确定

从传输机制出发，建立了考虑胀缩效应的含湿多孔介质内部多种输运现象的机理模型，结合解吸等温特性与Ｋｅｌｖｉｎ方程，利用改进的Ｄａｒｃｙ定律推出了液相质传递系数等参数的数学表达式。还将一般分子扩散和Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散有机组合，应用改进的Ｆｉｃｋ定律，获得了气相质传递系数等参数的表达式。本模型中各参数物理意义明确，易于确定。     

多孔介质微观孔隙结构分形特征及分形系数的意义

依据孔隙结构的球体模型和毛管束模型,推导出两种模型的孔隙体积表达式和两种模型分形维数间的关系式。计算结果表明,基于毛管束模型的分形维数总比基于球体模型计算的分形维数小1,分形系数的物理意义在于它反映了孔隙的发育程度。基于毛管束模型,利用压汞数据计算了西峰油田长8储层多孔介质微观孔隙的分形维数,同时给出了分形维数与孔隙度、渗透率等地层参数的关系曲线。分析结果表明,该区孔隙结构具有分形特征,分形维数为1～2。分形维数越大,多孔介质微观孔隙分布的非均质性越强;分形系数越大,孔隙越发育,储层物性越好。     

多孔介质中溶质运移的尺度问题

本文简述了多孔介质中的溶质运移的尺度效应,引起尺度效应的主要原因;尺度效应的分类;尺度效应的分形特征及其国内研究现状及展望。     

多孔介质微观结构的随机动力学构建方法

针对多孔介质建模的复杂性,从随机动力学的朗之万方程出发,引入概率的影响,建立构造随机多孔介质的微观生长模型.通过不同的初始固相分布,该模型可以演化出各种不同性质的多孔介质微观结构.由于考虑了颗粒之间的作用力,模型生成的多孔介质与自然界真实的多孔介质更为接近,存在连通和不连通的孔隙结构,孔道迂回曲折.通过对多孔介质微观流动的数值模拟,验证该模型的实用性、可行性.     

变系数多孔介质单相流方程弱解的存在性

主要研究变系数多孔介质单相流方程弱解的存在性。首先建立与原方程等价的拟抛物方程的Dirichlet问题,然后利用粘性法构造其逼近方程,并通过上下解方法证明拟抛物方程粘性解的存在性,最后利用能量方法得到拟抛物方程的粘性解是其弱解,证明了变系数多孔介质单相流方程弱解的存在性。     

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.     

多孔介质中微观力的作用及渗流模型

在现有微尺度流动实验和理论认识的基础上,建立了包含范德华力、静电力、空间位型力、表面张力等微观力的特性方程,分析了影响多孔介质中流体流动的微观力种类和作用范围.通过建立考虑微观力作用的圆管流动数学模型,构造了考虑微观力作用的多孔介质的毛管束网络数学模型,推导了考虑微观力作用的相对渗透率模型.通过模拟分析阐明了微观力在多孔介质壁面上的作用及对渗流的影响.模拟结果表明微观力在细小孔隙流动中不可忽略.     

层状多孔介质方程的平衡解

主要研究层状多孔介质中渗流问题在平衡状态下各种边值问题的平衡解的存在性,揭示了层状介质渗流问题解的一些独特的性质。     

多孔介质微观孔隙结构分形特征及分形系数的意义

依据孔隙结构的球体模型和毛管束模型 ,推导出两种模型的孔隙体积表达式和两种模型分形维数间的关系式。计算结果表明 ,基于毛管束模型的分形维数总比基于球体模型计算的分形维数小 1,分形系数的物理意义在于它反映了孔隙的发育程度。基于毛管束模型 ,利用压汞数据计算了西峰油田长 8储层多孔介质微观孔隙的分形维数 ,同时给出了分形维数与孔隙度、渗透率等地层参数的关系曲线。分析结果表明 ,该区孔隙结构具有分形特征 ,分形维数为 1～ 2。分形维数越大 ,多孔介质微观孔隙分布的非均质性越强 ;分形系数越大 ,孔隙越发育 ,储层物性越好。     

基于二维微流控模型的多孔介质渗透特性

多孔介质材料内部孔隙通道复杂,为了在孔隙层面上研究多孔介质材料的渗透特性,利用微纳加工技术制作的不同孔隙结构的PDMS微流控芯片,芯片内部规则排列的圆形微柱构成二维通道网络.首先,在微流控芯片的一端使用精密注射泵施加一定流量梯度的无气水;其次,使用压力传感器测量芯片两端的压力响应;最后,利用达西定律计算出不同结构的微流...     

有效应力下多孔介质微观结构的分形特征

以分形几何理论为基础,建立了有效应力的分形计算模型,分析和讨论了多孔介质微观结构和有效应力之间的关系,从微观角度上揭示有效应力对多孔介质孔隙结构的影响规律。研究结果表明:有效应力的分形计算模型可以描述有效应力与多孔介质微观结构之间的关系;随着有效应力的增大,多孔介质的分形维数呈指数增加,孔隙度呈指数递减,多孔介质中孔隙数呈指数递减趋势,孔隙平均半径呈减小趋势。     

多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究

多孔介质中化学作用对溶质运移具有重要影响.为了揭示反应性溶质运移机理,保持多孔介质不变,以胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例,分别开展了非反应及反应条件下不同流速溶质运移实验和数值模拟研究.主要结论如下:①改进的反应性对流弥散模型能模拟双分子反应中溶质运移行为;模型可行,具有较高的精度;0.4mL/s和0.8mL/s流速下生成物峰值浓度相对误差分别为1.2%及0.8%.②利用对流弥散模型可以评估非反应物运移弥散系数,可为反应性溶质运移弥散系数识别提供技术参考.③随流量增大,模型参数m减小,而β0则增大;此外,同一物质在保持相同流量下,作为反应物出现时,其弥散系数略高于非反应物质的弥散系数,其作用机理有待进一步研究.     

基于多孔介质模型的储层裂缝孔隙度计算方法

针对裂缝性储层裂缝孔隙度定量计算的难题,提出了一种基于多孔介质模型的储层裂缝孔隙度计算方法。通过定义孔隙纵横比谱函数表征岩石裂缝分布特征及对岩石宏观岩石物理特征的影响,并代入多孔介质模型中,建立含裂缝条件下多孔介质模型。理论正演表明,孔隙纵横比谱分布特征与岩石体积模量变化一一对应,通过建立岩石模量反演函数,利用现场阵列声波测井资料实现孔隙纵横比谱定量反演,进而计算裂缝孔隙度。应用结果表明,计算的裂缝孔隙度能够较好地反映储层裂缝发育情况,与电成像测井计算结果吻合较好,文中方法所计算的裂缝孔隙度符合实际生产情况,为裂缝孔隙度计算提供一种新的途径,扩展了阵列声波测井应用范围。     

边界退化的多孔介质方程

考虑带对流项的多孔介质方程:ut=div(ρα▽um)+∑N i=1bi(um)/xi,(x,t)∈QT=Ω×(0,T).假设对任意的i∈{1,2,…,N},bi(s)是C1函数,且存在常数β,c,使得bi(s)≤c s 1+β,b′i(s)≤c sβ.应用抛物正则化方法,得到了该方程在条件0α1时初边值问题解的存在唯一性.