质子交换膜燃料电池微扩散层孔隙结构与渗透率的孔隙尺度模拟

运用基于球体的模拟退火方法和动态颗粒堆积模型数值重建了微扩散层(MPL),其中前者更能准确地反映多孔介质的孔隙特性.利用具有多反射固体边界的多弛豫时间格子玻尔兹曼方法模拟了重建的微扩散层内的单相流动.系统地分析了碳相体积分数、聚四氟乙烯(PTFE)载量、孔隙率和PTFE分布方式对微扩散层孔隙结构和渗透率的影响.结果表明:微扩散层渗透率随碳相体积分数和PTFE载量的增加而减小,且PTFE的分布方式影响微扩散层的孔隙结构和渗透率.KC关联式低估了MPL的渗透率,通过拟合计算数据提出了预测MPL渗透系数的关联式,预测结果与孔隙尺度模拟结果的相对误差小于12%.     

基于真实孔隙空间分布的酸蚀蚓孔扩展规律数值模拟研究

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。     

生物医用开孔泡沫锌的制备及力学性能

采用自制的真空渗流铸造装置制备开孔泡沫锌材料。运用压缩测试研究了孔隙参数对其压缩性能的影响。结果表明,开孔泡沫锌孔的形状呈近球形,孔洞相互连通为开孔结构,孔隙结构三维连接良好,与人骨松质骨的孔隙率和孔隙结构匹配程度较高。开孔泡沫锌准静态压缩性能的主要影响因素为材料的孔隙率。随着孔隙率的增加,材料的弹性模量、抗压强度均降低,应力平台延长。所制备的开孔泡沫锌材料的抗压强度高于人骨松质骨的抗压强度,弹性模量与人骨松质骨的弹性模量相匹配,满足移植材料的要求。     

A区块二类油层与主力油层孔隙结构差异

本文针对A区块的实际情况,通过压汞数据得出的毛管压力曲线,分析了表征二类油层与主力油层孔隙结构特征的各项参数,研究了不同孔隙半径区间的孔隙体积、孔喉比及渗透率贡献分布特点,给出了二类油层与主力油层孔隙结构的差异。研究结果表明,与主力油层相比,二类油层除具有低孔低渗的特点之外,其它主要差异为：平均孔隙半径较小,中值压力较大,60%以上的孔隙体积分布在小孔道中;孔喉比为4.8-64.8,是主力油层孔喉比的4倍以上,最大达20倍以上,孔喉分布不均匀。     

发泡多孔介质对泡沫粒径的影响

通过泡沫粒径测量实验和发泡多孔介质的恒速压汞实验研究不同长度、不同孔隙结构发泡多孔介质的发泡效果,确定泡沫粒径的最小表征单元和泡沫生成稳定时需要的"扰动单元"数量。结果表明:当单幅图像中的泡沫数量高于120时,泡沫粒径的变异系数将趋于稳定,能够消除泡沫粒径的影响;采用扰动单元和扰动单位的概念能更能准确地从泡沫产生机理上评价发泡多孔介质的发泡能力,且当扰动单元数量达到100±20个时,泡沫的变异系数小于0.5,泡沫的粒径均质程度较好;泡沫平均粒径约为主流喉道直径的1.23~1.51倍,均小于平均孔隙直径,在相同的多孔介质中一旦产生能够起到较好的封堵作用。     

孔隙空间分布规律对酸蚀蚓孔扩展规律的影响

酸蚀蚓孔发育扩展规律除了与注入条件、酸液类型、温度和岩石类型有关外,还与孔隙度大小和孔隙空间分布规律有关。本文研究了普光气田岩心孔隙空间分布规律对蚓孔扩展的影响。采用CT扫描岩心得到孔隙度的三维分布,分析孔隙空间分布规律,然后进行岩心酸化流动实验,得到蚓孔突破岩心需要的酸液孔隙体积倍数,实验完毕后再用CT扫描蚓孔形状。通过对比实验前的孔隙度分布和酸化后的蚓孔形状、分析岩心孔隙度和蚓孔突破岩心需要的酸液孔隙体积倍数间的关系,得到孔隙空间分布规律对蚓孔发育扩展的影响。研究发现,蚓孔趋于沿大孔道分布的地方扩展,蚓孔突破岩心需要的酸液孔隙体积倍数随孔隙度增加而降低,对于普光气田I和II类岩心,突破孔隙体积倍数高的约4,低的约0.4,大多在1左右,较致密的III类岩心在实验压差下没形成蚓孔。     

填充金属泡沫铜对相变材料在半圆柱容腔中传热机理的研究

为研究不同金属泡沫铜填充率下金属泡沫铜对石蜡融化过程的传热规律，设计并搭建了一套可视化蓄能实验装置，并建立了对应的数学传热模型，分析了不同填充率下复合相变材料在融化过程中温度分布、固液相界面、速度矢量、液相分数和平均Nu的变化，得到了不同填充率下金属泡沫铜对石蜡相变过程的强化传热机理，并进行了实验验证。结果表明：当金属泡沫铜的填充率从0增大至1.28%时，复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短至830 s,较纯石蜡减少了7.88%,而当泡沫铜填充率为1.28%时，石蜡内部温度为12.6 K,梯度最小；平均Nu从24.89下降到3.27,下降了86.9%。由模拟结果可得，填充率为0.43%、1.28%的复合相变材料液化速率较纯石蜡分别提高了1.61%、7.11%,这说明金属泡沫铜的填充率越大，强化传热效果越好。     

通孔金属泡沫强化蓄冰实验研究

为了研究通孔金属泡沫内嵌相变材料凝固过程特性及泡沫材料孔结构参数对凝固过程的影响,搭建了固液相变传热可视化测量系统,利用该系统就通孔铜泡沫强化蓄冰过程开展了实验研究。实时观测了凝固相界面的瞬态移动过程,测量了金属骨架表面和内嵌相变介质的实时温度,研究结果表明:铜泡沫可有效改善蓄冰后期传热恶化现象,大幅减少蓄冰时间,加入铜泡沫后,结冰所需时间与纯水工况相比减少为48.86%(孔密度为1 181m~(-1),孔隙率为0.90)和60.97%(孔密度为1 181m~(-1),孔隙率为0.97);铜泡沫的孔隙率对结冰过程影响较大,孔隙率为0.90的铜泡沫比孔隙率为0.97的铜泡沫中水完全凝固时间减少20%,而孔密度对结冰过程影响可忽略不计。可视化结果表明,未凝固相局部自然对流导致凝固相界面发生倾斜,呈现下部略快于上部的凝固界面。     

单分散圆盘堆积的Voronoi统计模型

研究随机堆积的几何结构和特征对于理解颗粒物质、泡沫、胶体等无序体系的宏观物理性质有重要意义。结合实验与计算机模拟，人们对不同形状、不同维度的颗粒形成的随机堆积进行了探究。理论方面，人们提出了一些基于统计几何、平均场近似或随机过程的模型分析处理随机堆积的体积分数、平均配位数等问题。不过由于堆积结构的约束条件复杂、无序的程度难以严格定义等原因，即使是单分散圆盘堆积也很难进行严格地分析和计算。对于随机密堆积的体积分数，不同的研究中给出了不同的结果。本文提出Voronoi统计模型对单分散圆盘堆积的几何特征进行理论研究。采用Voronoi网描述堆积的几何构形，导出一般情况下二维Voronoi网的面积公式，利用排斥圆和定向Voronoi圆给出了几个确定刚性圆盘间Voronoi近邻关系的定理。然后讨论平衡稳定堆积，利用接触关系对Voronoi元胞的影响，导出对称Voronoi元胞的体积分数与接触数的关系、Voronoi元胞面积及几何配位数关于接触线夹角的公式。最后，利用Voronoi网的统计分析导出平均几何配位数、平均约化自由体积关于接触线夹角概率分布的积分公式。具体的理论计算结果表明，Vorono...     

气体分布板开孔结构对流化床干燥性能的影响

针对惰性粒子流化床干燥器，以洗衣粉悬浮液为对象，先后进行了气体分布板开直孔和开斜孔的流化干燥实验。通过测定干燥器的流体力学特性曲线，以及在相同进料量、进风温度、进风速度或惰性粒子直径条件下的体积传热系数曲线和热效率曲线，考察和分析了气体分布板两种不同的开孔结构对干燥器流体力学和传热性能的影响。结果表明，气体分布板开斜孔的床内气流阻力要高于开直孔的气流阻力，但其体积传热系数和热效率相对较高，即斜孔较直孔更加有利于床内传热。在此基础上，对惰性粒子流化床干燥器的生产调节措施进行了初步探讨。     

泡沫铜内空气流动特性的研究

泡沫铜内流体动力学特性对其换热性能影响非常重要。为充分利用泡沫铜的换热性能,通过实验研究了泡沫铜的孔隙率、孔密度对空气流过泡沫铜的压降、渗透系数、惯性系数、雷诺数的影响,以及雷诺数和摩擦系数之间的关系。实验结果表明压降是随着泡沫铜的孔密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;渗透系数是随着泡沫铜的孔密度增大而减小,随着孔隙率增大而增大;惯性系数则是随着泡沫铜的孔密度增大而减小,孔隙率的变化对惯性系数则影响较小;而雷诺数约为15~20以下时,摩擦系数是随雷诺数增大而增大。     

高孔隙率泡沫金属对相变蓄热的强化研究

在相变材料中填充高孔隙率泡沫金属能有效改善相变材料的传热性能。主要研究了填充高孔隙率泡沫铝后对石蜡导热系数的影响,利用Fluent及其前处理软件Gambit建立模型,并模拟结果。结果显示加入泡沫铝能使温度分布均匀,缩短相变时间,提高储热效率。     

金属泡沫管内强制对流换热的数值模拟

对空气在金属泡沫管内的强制对流换热进行了二维数值模拟.动量方程采用BrinkmanForchheimer扩展达西模型,能量方程采用考虑流体和固体局部不平衡的二方程模型,并用金属泡沫方形通道的试验数据验证了程序的正确性.模拟结果表明:金属泡沫管的努塞尔数随孔隙率的减小或孔密度的增加而增大,且随流体和固体导热系数比值的减小而增大;金属泡沫管的强化换热效果十分明显,但其压降远大于光管.数值模拟结果与相关文献的结果符合较好.     

基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性研究

针对传统斯特林机加热器加热管管外出现“热点”现象,提出斯特林机的多孔介质型加热器,以提高加热管外传热平均温度。通过改进纽曼与包克附壁射流模型,提出斯特林机加热器多孔介质模型。通过本多孔介质模型下流动传热特性与Fu x.方程下的对流换热特性对比、同时分析不同流速与孔径下的加热管换热系数,验证出：在附壁效应下,多孔介质模型对碳化硅等大孔径、内部结构均匀且形状变化平滑的泡沫型多孔介质有较好的拟合特性。     

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。     

圆形径向梯度表面能材料表面的凝结换热系数

在均质表面上的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面上的液滴分布和凝结换热特性,得到了圆形径向梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式．在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响．     

真空膜蒸馏NaCl水溶液脱盐过程模拟研究

在尘气模型的基础上建立了真空膜蒸馏NaCl水溶液过程的传质传热机理模型,并用膜孔径分布函数代替膜平均孔径值,首次实现了孔径分布与膜蒸馏机理模型的有效结合.与平均孔径模型相比,随温度变化的通量模拟结果与实验数据吻合良好,证明了所建模型的实用性.在此基础上,探讨了操作条件和孔径分布函数的主要参数对蒸馏过程的影响.模拟结果表明,通量随进料温度和流量的增加而增大,随料液中NaCl浓度的增大而减小;膜的平均孔径越大,通量越大;在平均孔径相同的情况下,膜孔分布越密集,通量越小.     

介孔氧化铝空心球的制备及表征

以掺氮碳球为硬模板,F127为软模板,廉价的Al(NO3)3·9H2O为铝源,成功制备出具有介孔结构的氧化铝空心球。通过SEM,N2吸附-脱附,XRD,FT-IR表征显示,其粒径大小均一,均在500nm左右;壳层具有蠕虫状的介孔结构,且主要为无定型结构的氧化铝;介孔孔径为17nm,比表面积为153m2/g,孔容为0.67cm3/g。详细讨论了介孔氧化铝空心球的形成机理。     

泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究

利用改进电镀法制备了新型的泡沫金属铜微孔表面,通过扫描电子显微镜（SEM）测定泡沫铜上微孔表面的微观结构,实验以去离子水为工质,研究了光滑表面和微孔表面的池沸腾传热特性,获得了光滑和微孔表面的池沸腾传热曲线。研究结果表明,在相同的热流密度条件下,微孔表面的汽化核心在核沸腾区密度较大,可有效降低壁面初始沸点的过热度,显著提高池沸腾的换热系数,证明该表面可用于半导体制冷系统等大型功率电子器件散热。     

Infrared experiment on the wall temperature distribution for a particle packed channel with constant heat flux

With constant heat flux, wall temperature distribution for a particle filled channel was measured using infrared thermal vision technology. It was found that nonuniform relative high-temperature regions were randomly distributed on the heating wall, possibly due to the lower flow velocity, or even due to the blocked flow near the points where particles contact with the heating wall directly. Not only porosity but also the size and shape of the pores are changed in the wall region of particle-packed structures, because of the limitation of the wall, and the changes affect largely the fluid flow and heat transfer. The transition of the flow pattern in pores can be inferred according to the variation of Nu with Re, where the area weighted wall temperature is adopted to calculate the Nu.