关键词： 固液相变   格子玻尔兹曼方法   两区域模型   三周期极小曲面   非均匀多孔介质  

摘要： 相变储能材料具有储能密度大、工作温度变化范围小以及受热时发生固态—液态—固态周期性存储和释放能量的特性,已经应用到建筑节能、电池热管理、太阳能发电等众多领域。然而大多数的相变材料由于导热系数较小,很大程度上影响了其在蓄热和放热过程中的速度,因此提高相变储能材料的导热性能具有重要的意义。在相变储能材料中加入高导热性能的骨架材料,为解决相变材料这一不足提供了有效方式。本文采用三维格子玻尔兹曼方法(LBM),在分析固液相变过程和相界面发展、演化规律,以及多孔介质渗流和多相流理论的基础上,建立了描述糊状区的两区域模型,即在糊状区中低含液率区域,采用扩展达西渗流模型;在糊状区中高含液率区域,采用多相流模型。并对建立的数学模型进行了验证,验证结果与经典文献有很好的一致性。基于建立的两区域模型,首先对腔体内的纯相变材料融化蓄热过程进行了数值模拟。结果表明:1)随着无量纲参数Ra数的增加,腔体内自然对流引起的热浮升力增加,糊状区发生弯曲,并出现上窄下宽的形状,相变材料融化速率提高;2)随着Ste数的增加,腔体内相变材料自然对流换热能力增强,在相同的时间下,融化速率越快;3)随着相变温度半径θR的增加,糊状区逐渐变厚,相变材料融化速率逐渐变慢,但θR对腔体内相变材料的传热影响不大。在分析纯相变材料融化蓄热的基础上,采用三周期极小曲面方法(TPMS)生成了均匀和非均匀固体骨架物理模型,把固体骨架物理模型添加到相变材料中,基于孔隙尺度分析骨架对固液相变过程以及糊状区发展、演化的影响。结果表明:1)骨架导热系数越高对相变材料融化蓄热影响越大,当导热系数比为10、50、100工况下,融化时间分别缩短了 12%、28%、31%;2)多孔介质复合材料孔隙率越低,复合相变材料的有效导热系数就越高,其融化蓄热速率也越高,在孔隙率为0.95、0.90、0.85的工况下,融化时间分别缩短了 13%、18%和24%,相变温度场的均匀性也随之增加,但骨架的添加一定程度上削弱了相变材料的自然对流;3)非均匀多孔介质的添加不仅加快了融化速度,而且使腔体内温度场分布更加均匀。

关键词： 含铀砂岩   全尺度孔径分布   酸法浸出   孔隙结构演化   氮气吸附   核磁共振  

摘要： 含铀砂岩孔隙结构包含孔隙-裂隙双重介质,具有强烈的非均质性,这种复杂的特性对溶浸液的运移和铀浸出都有着重要的影响。因此,本文以伊犁盆地某铀矿床的含铀砂岩为研究对象,通过文献调研、现场取样和资料收集,结合多种室内岩石物理化学分析和酸法铀浸出实验,综合研究了此类含铀砂岩矿物组成、微纳米级孔径分布特征、非均质性以及各孔隙类型对孔隙度和渗透性的影响。并分析了在酸浸过程中,含铀砂岩微观孔隙结构演变特征及其主要控制因素,从而为提高含铀砂岩的铀浸出率和制定合理、高效和绿色的开采方案提供理论指导,为地下水对碳酸盐岩类地基和隧道工程的影响分析提供参考。主要研究内容与结论如下:(1)融合氮气吸附和核磁共振实验,获得含铀砂岩的全尺度孔径分布曲线。约60 nm和1μm孔径的粒间孔是该含铀砂岩的主要孔隙类型,控制孔隙度的大小,且其累积孔体积与岩石渗透性呈正相关。而溶蚀孔与其渗透性无明显相关性,但影响砂岩型铀矿床的采收率。(2)通过分析砂岩的微观孔隙非均质性和层间非均质性,该砂岩不同孔隙结构参数相对偏差变化趋势不一致,孔隙形态差异大且多变。砂岩孔径越小,微观孔隙非均质性越强。砂岩间孔径分布差异越大,含铀砂岩层的层间非均质越强。这种层间的非均质性导致岩层水平方向的渗透率变化,为合理设置井型井距参数提供依据。(3)开展含铀砂岩酸法浸出实验,该类铀矿床浸出过程中的浸出液铀浓度遵循指数函数规律。结合孔隙度变化过程分析,可将酸法浸出过程分为三个阶段。第一和第二阶段为表面化学反应控制的沉淀物堵塞,其中第一阶段是铀置换的主要完成阶段并伴随着CaSO饱和沉淀,第二阶段主要为Fe(OH)和Al(OH)的析出。第三阶段为物理扩散控制的微小颗粒堵塞。通过不同阶段的堵塞机制和主控因素,可精确制定防堵措施。(4)分析每个浸出阶段孔径分布的变化规律,第一阶段产生大量的溶蚀孔,小孔径粒间孔被沉淀物堵塞,孔间连通性减弱,阻碍了溶浸液流通。第二阶段粒间孔和溶蚀孔的数量皆增加,渗透性有所提高。第三阶段粒间孔发生扩展-贯通,但部分溶蚀孔被微粒堵塞,总孔容减小,最终导致浸出液中溶质的运移速度减缓,影响铀浸出液回收。

关键词： 地震勘探   频散   衰减   全频段   多尺度   孔隙介质  

摘要： 实际的油气储层和海底介质都是典型的孔隙介质。地震勘探和声学探测技术分别是油气资源勘查与海底调查的重要手段。弹性波的频散和衰减在孔隙介质波传播过程中尤为突出,更是油气地震预测及海底底质参数声学反演所需的重要属性。因此,对孔隙介质的弹性波传播规律进行研究,具有重要的科学与现实意义。弹性波在孔隙介质中传播时发生频散和衰减的主要原因是孔隙介质中固相与流相的相对运动造成,主要包括宏观全局流动,微观喷射流动及中观局部流动。本文将孔隙介质中三种尺度流体流动对弹性波传播的影响综合到一个理论模型当中。模型将孔隙介质等效表示为“十字型”结构,由固体骨架和两种孔隙流体组成,其中“十字型”内部和外部分别由不同性质流体饱和。基于弹性动力学机制,从基本的势能,动能和耗散函数出发,推导了该模型的波动方程,应用平面波分析法得到了弹性波的复波数,得到了三类波速度和逆品质因子的解,最后通过数值计算,分析了不同参数条件下,弹性波传播速度和衰减等传播特征。油气地震勘探的弹性波为低频,频率范围一般在5Hz至2kHz之间。而海底声学探测技术所采用弹性波频率一般为5kHz到数百kHz。因此,本文研究了1～10Hz频段内不同物性参数时弹性波的频散和衰减特征。

关键词： X-CT   准饱和   圈闭气体   孔隙尺度   地下水  

摘要： 地下水中如果存在圈闭气体则被称为准饱和状态。圈闭气体的存在会极大的影响含水层的水力学性质。目前对于准饱和圈闭气体的形成和演化还没有充分的理解,从微观尺度研究准饱和介质中圈闭气体的影响因素、形成过程和逃逸过程,具有重要的科学与实践意义。本文利用X-CT技术开展了圈闭气体的微观特征、毛细带和准饱和带的气相的对比以及圈闭气体逃逸的微观观测,旨在深入地理解圈闭气体的影响因素、形成过程、逃逸条件与过程。论文主要取得了以下成果:(1)对准饱和状态下3种不同粒径和粒度样本的观测,介质的粒度均匀性好、粒径小有利于断开方式的圈闭气体形成,所圈闭的气泡数量更多、气泡的尺寸分布更广;孔隙配位数大、孔喉直径小和孔隙腔喉比大的介质,更容易形成以断开(“snap-off”)方式的圈闭气体,并且其圈闭气体饱和度更大。(2)准饱和带和毛细带气相微观研究表明,在水位上升时,毛细带是圈闭气体前锋,准饱和带中圈闭气体绝大部分是在毛细上升过程中形成的。(3)不同真空度下,圈闭气体的逃逸过程中,孔隙中小气泡与大气泡相比先一步逃逸,并且在逃逸时部分气泡会破裂并形成多个小气泡,也有少量气泡聚合更大的气泡;气泡开始大量逃逸时的抽提压力需达到80 Kpa,并且在抽提压力达到95Kpa时仍有大量气泡未从孔隙中逃逸。另外,对气泡逃逸临界毛管力的计算得出,圈闭气体的逃逸阻力是于束缚圈闭气体的最大毛管力的3-5倍。

关键词： 格子Boltzmann方法   多孔介质   气泡动力学   润湿性梯度结构  

摘要： 多孔介质中气泡的输运调控广泛存在于自然界及工程中的各个领域。合理配置多孔介质结构参数,可以加快气泡在多孔介质中的运动速度,从而强化气液两相流动与换热过程,对优化过程背景有着重要的意义。然而目前研究者更多关注于气泡运动特性本身,并针对较为简单的通道结构或绕流物时两相流动开展研究,基于多孔介质结构和润湿特性的调控对气泡输运特性的影响研究较少。格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann method,LBM）作为一种介观尺度的模拟方法,在处理复杂边界问题以及多相流过程中具有独特的优势。本论文以毛细输运过程为背景,通过LBM在孔隙尺度对多孔介质中气泡的输运特性进行了研究。分析了在维持一定毛细压力的同时,通过设计孔道结构和调控润湿性等方法,使气泡能够更快速地通过多孔介质层。论文的主要工作包括以下方面:根据格子Boltzmann伪势模型建立了多孔介质内的流动模型。通过对Maxwell构造理论、流体表面张力、壁面润湿性、气泡上升过程的形貌特征等算例,对模型进行了验证,模拟结果与已有文献吻合较好。针对气泡通过多孔介质的运动过程,分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡输运过程和流场的影响。综合权衡气泡通过多孔介质所用时间、与壁面接触面积以及孔道毛细压力等因素,获得了多孔介质的孔隙率设计范围及孔道排布方式的选择依据,并发现壁面润湿性对气泡运动特性有着显著影响。还获得了在实际输运过程中,可以使气泡存在一定的水平方向初速度,从而能够更快地脱离多孔介质的策略。针对复杂多孔介质中气泡的输运调控,首先模拟了润湿性梯度表面上气泡的运动过程,证明了润湿性梯度结构可引导气泡的自发运动,并分析了不同润湿性梯度以及气泡尺寸对气泡自发运动过程的影响。并基于此,设计了两种润湿性组合结构,探究不同孔隙率及润湿性差异下气泡的输运特性。此外,将润湿性组合结构改进为润湿性梯度多孔结构。研究了不同润湿性梯度对气泡输运过程的引导作用,得到了最适宜毛细输运过程的多孔结构。并通过对气泡进行受力分析,说明了润湿性梯度结构对气泡的引导作用以及气泡运动过程中阻力减小的原因。为毛细输运过程中的孔道设计提供了相关理论基础与设计依据。

关键词： 高含水期   N-S方程   剩余油   提高采收率   渗透率   孔隙尺度  

摘要： 水驱是开发油气资源的重要手段,我国超过70%的油气资源通过水驱采出。此外,中国东部多数油田都已经进入高含水期甚至特高含水期,但油田整体采出程度仍然较低。由于高含水期剩余油的“非连续”分布,基于达西定律发展而来的油水两相渗流理论已无法准确描述孔隙尺度的两相流动过程。本研究基于Navier-Stokes(N-S)方程的微观两相流模型,在孔隙尺度研究油水流动状态及规律,以揭示非连续油相在孔隙尺度的运动规律及其动力学机制。主要结论如下:首先,通过研究单一粗糙喉道内的水驱油过程,发现理想光滑喉道内的水驱油流量显著偏高,喉道壁面粗糙性对于水驱油过程存在显著影响。壁面粗糙性会促进注入水粘性指进现象的形成,导致较低的采收率及较早的见水时间,并分析了壁面润湿性、毛管数大小及粗糙度等因素对粗糙喉道内油水两相流动的影响;其次,构建了复杂二维多孔介质模型用以研究高含水期剩余油分布及其形成机理,并在孔隙尺度探究表面活性剂驱、聚合物驱提高采收率机理及其影响因素。结果表明孔隙结构、壁面润湿性以及毛管力是影响高含水期剩余油分布与类型的主要因素。表面活性剂驱的低界面张力特性在提高洗油效率的同时也会提高微观波及系数,但其提高采收率的同时也会缩短无水采油期。聚合物驱通过减小不同尺寸喉道内的动阻比来提高波及系数。此外,表面活性剂提高采收率的效果与其使用时间存在密切相关性;第三,通过研究微观多孔介质内的水驱油过程建立了相对渗透率与微观油水分布之间的联系,结果表明水驱特征曲线在高含水期上翘的内在原因是水驱进入高含水期后,多孔介质内的剩余油由连续相变为非连续相,流动过程存在卡段、变形及滞留等过程,油相流动能力快速下降。壁面润湿性、油水粘度比及多孔介质非均质性对于水驱特征曲线在高含水期上翘时的临界含水率均有影响。本文基于N-S方程在孔隙尺度研究油水两相运动规律,并构建了微观油水分布及宏观多孔介质相对渗透率间的关系,为高含水油藏开发及相关油藏工程方法提供了理论支持。

关键词： 甲烷水合物   格子Boltzmann方法   分解   孔隙尺度   多场耦合   渗透率变化  

摘要： 天然气水合物是一种资源量丰富的潜在能源,天然气水合物藏开发是存在相态变化的多组分多相、非等温渗流过程。对多孔介质中甲烷水合物分解的基本认识对天然气水合物资源的开发利用和海底斜坡稳定性评价具有重要意义。在本文中,建立了一种基于格子Boltzmann方法的多孔介质中耦合非等温多物理化过程的反应输运孔隙尺度框架。该反应输运框架结合了甲烷水合物分解动力学模型,单相流动格子Boltzmann模型,传质格子Boltzmann模型和共轭传热格子Boltzmann模型。采用多个基准问题案例对该模型进行了验证,之后,利用该模型研究孔隙充填型水合物和颗粒包裹型水合物的吸热分解过程。分析了温度场、入口温度、入口压力对甲烷水合物分解过程的影响。此外,还采用线性回归分析渗透率、孔隙度、迂曲度和水合物饱和度的变化关系,建立渗透率变化模型,为宏观研究提供理论指导。研究结果表明,该模型能够很好的捕捉甲烷水合物分解过程中耦合的非线性非等温多物理化学过程,包括水合物固有分解动力学,气体流动,传质,相变传热以及共轭传热。较好的描述了不同水合物赋存状态下甲烷水合物分解的相态变化和孔隙结构演化,并对水合物分解前缘的演化和温度分布有了一定的认识。增大入口温度能够加速甲烷水合物分解过程,同样,降低入口压力也能加速甲烷水合物分解过程。另外,不同赋存状态水合物的归一化渗透率模拟结果与文献研究结果一致,这也说明了基于格子Boltzmann方法的水合物反应输运模型在水合物孔隙尺度生成/分解研究中具有广阔应用前景。

关键词： 复合材料大型构件   孔隙缺陷   多尺度分析   基体-纤维单胞模型   失效分析  

摘要： 先进复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、性能可设计等优势,自19世纪60年代起逐步成为了航空航天装备中重要的结构材料。随着高端航空航天装备中复合材料用量的提升,复合材料结构的尺寸越来越大,其典型制造缺陷如孔隙、分层等更为多发,且缺陷尺寸与结构尺寸间存在明显差异,因此复合材料制造缺陷对大型复合材料构件及整体装备的承载能力影响十分关键。与此同时,复合材料越来越多的应用在复杂环境中,基体和纤维在热载荷作用下会因为热不匹配而产生细观应力,从而导致结构的失效,因此热-力耦合载荷下复合材料结构的失效分析问题也受到越来越多的关注。传统按均质材料简化的宏观复合材料分析方法难以应对结构多尺度特征带来的挑战,需要借助多尺度分析方法开展结构分析。复合材料的多尺度分析方法核心在于不同尺度模型的建立,以及不同尺度间的尺度联接关系。具体来说,对于含典型缺陷的大型复合材料构件,一般包含基体-纤维尺度、孔隙尺度、宏观复合材料结构尺度三个尺度。发展含缺陷复合材料多尺度分析模型的关键问题就在于如何建立上述三个尺度上材料力学模型,并通过高效、高精度尺度联接关系实现整体复合材料结构的多尺度分析。本论文在不同尺度上分别建立了基体-纤维尺度分析模型,孔隙和分层的缺陷分析模型,并建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,实现了包含孔隙和分层缺陷大型复合材料构件的多尺度分析。论文主要内容如下:1.基体-纤维尺度力学分析:为在基体-纤维尺度预测复合材料的细观失效,本论文采用Puck失效平面假定,在失效准则引入了与失效机理相关的失效角度,建立了基于失效平面上应力状态特征的跨尺度失效准则。同时,基于细观力学方法建立了基体-纤维尺度的细观单胞模型,并通过与WWFE(World-Wide Failure Exercise)中试验结果的对比证明了该方法的准确性。本论文还研究了热应力导致的“压缩滞后”效应的产生机理并提出该效应的预测方法,分析了不考虑该效应会导致的预测误差,结果表明:以LaRC 03准则为例,不考虑该效应会引起对于失效强度的高估。2.制造缺陷的分析模型:复合材料中存在大量的制造缺陷,例如孔隙缺陷和分层缺陷。现有的孔隙缺陷描述模型尚不完善。本论文给出了孔隙几何特征的一般性约束条件,并分析了目前孔隙缺陷描述模型不合理的原因。本论文提出采用四个比例参数以及与工艺历程相关的孔隙尺寸信息,建立了孔隙形貌的描述方法,同时基于细观力学有限元法建立了孔隙尺度的单胞模型并开展力学分析,与已有的两参数孔隙描述方法的对比表明,本文提出的方法能够描述范围更广的孔隙形貌,同时更符合孔隙形貌的实际情况。针对复合材料分层缺陷,本论文根据已有研究选择了内聚力模型和VCCT(Virtual Crack Closure Technique)方法作为分层分析模型,对典型的复合材料结构开展了失效分析。在进行复合材料分层失效分析的同时,为了考虑分层可能产生的复杂形貌,本论文提出了一种分形内聚力模型。3.制造缺陷的影响规律:基于这些模型和方法,本论文讨论了孔隙、分层缺陷对复合材料材料性能和结构性能的影响规律。针对孔隙缺陷,本论文获得了孔隙形貌、孔隙体分比与含孔隙复合材料弹性模量、强度间的映射规律。与此同时,本文分析了已有研究中采用试验确定孔隙缺陷影响的不足之处,以及可能引起的误差。结果表明:孔隙的形貌对材料力学性能有重要的影响,应和孔隙体分比一样作为独立的参数进行考虑。针对分层缺陷,本论文讨论了分层缺陷对典型单加筋结构力学性能的影响规律,预测了结构压溃载荷、结构局部屈曲载荷和分层起始扩展载荷,并分析了分层位置对结构失效载荷造成不同影响的机理:分层位于不同位置时其前缘应力状态是造成分层对结构失效载荷影响不同的原因,分层位于反节点线时,结构更容易失效。4.大型复合材料构件多尺度分析:大型复合材料构件多尺度分析需要兼顾计算效率和预测精度,本论文建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,以及相对应的渐进损伤分析的刚度折减关系,提出了能够考虑不同尺度制造缺陷影响的大型复合材料构件多尺度分析方法。以复合材料盒段结构和低温复合材料贮箱为例,考虑上述两种典型结构的轴压失效和泄漏失效等典型失效模式,分析了这两种结构的失效规律,验证了本论文提出的多尺度分析框架的有效性。

关键词： 柴油机颗粒捕集器   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   传质传热   再生燃烧反应  

摘要： 柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter,DPF）作为新一代柴油发动机尾气后处理装置,其凭借自身独特的多孔结构,对废气中的碳烟颗粒物进行捕集,能有效的减少颗粒污染物排放。DPF在捕集颗粒和再生控制中会涉及到复杂多相流动、传热、传质及化学反应等复杂过程。为了进一步提高DPF捕集效率,有必要系统的了解DPF内部的物理及化学传输特性。本文基于新型的格子Boltzmann方法,开发DPF孔隙尺度数值计算模型,深入研究碳化硅过滤器薄壁中的微纳米尺度气固两相流动,传质传热及再生燃烧化学反应过程。首先,采用格子Boltzmann方法中的不可压D2G9模型对DPF单通道内的流场及压力分布进行了模拟,并详细讨论了入口流速、孔隙结构,过滤器厚度对单通道内流场及压力分布的影响。研究结果表明:低入口流速下,DPF通道内的压力分布均匀;高入口流速下,低孔隙直径的通道内的气流倾向于从通道末端穿过过滤器壁;过滤器壁厚越大,前后端压力差越大。然后,基于元胞自动机概率模型设定适用于DPF中颗粒运动规则,并与格子Boltzmann模型进行耦合,利用验证后的耦合模型对壁流式DPF单通道内的气固两相流动及颗粒沉积特性进行数值模拟。研究结果表明:低流速下,气流对颗粒运动的影响较小,颗粒运动主要以扩散机制为主,且颗粒在通道内的沉积分布比较均匀;高流速下,颗粒运动主要以惯性机制为主,颗粒主要沉积在通道的中后段。过滤器的平均孔隙直径越小,颗粒更容易沉积在过滤器前端壁面,易形成滤饼层。最后,根据电子显微镜（SEM）扫描的Si C-DPF薄壁微观结构,利用四参数随机生成法重构了高精度Si C-DPF薄壁的二维三相数字模型,并使用格子Boltzmann方法对上述构建Si C-DPF薄壁数字模型进行多场耦合模拟计算,重点分析气体流动,传质传热,化学反应及固体热传导。研究结果表明,该模型可以高效的捕获孔隙尺度下的再生燃烧现象,并可以预测控制再生燃烧的各种机制。就氧气的利用率及稳定的燃烧温度而言,扩散控制更适合再生燃烧,即低Pe数和高Da数。综上所述,本文通过数值模拟方法,对DPF孔隙尺度下的复杂多相流动、传热、传质及化学反应等过程进行了相关讨论分析,克服了试验微观可视化的局限性,为提高捕集效率,优化再生控制、降低DPF生产成本的具有重要的理论和实际工程意义。

关键词： 毛细芯   弯月面   传热传质   蒸发相变   孔径分布  

摘要： 随着科学技术的迅速发展,电子器件逐渐区趋于小型化及功耗增加,单位面积产热急剧增加,传统的散热装置已经不能满足高热流电子器件散热的需求。环路热管作为一种优良的两相传热装置,具有良好的应用前景。毛细芯作为环路热管的核心部件,通过其毛细抽吸力作用,为两相蒸发界面提供液态工质,实现工质在环路热管内的循环。研究毛细芯气-液相变界面特性对理解环路热管内部传热以提高其传热性能有着重要意义。本文根据蒸发毛细弯月面划分的三个区域:非蒸发区、薄液膜蒸发区和宏观蒸发区,分析了毛细弯月面传热传质的特点,并对各区域的液膜长度、传热传质量、弯月面蒸发过程中的各参数进行了数值计算。薄液膜区作为弯月面蒸发最剧烈和复杂的区域,显著影响着毛细芯内弯月面的传热传质。根据增广Young-Laplace方程,考虑壁面以及界面压差对蒸发传热的影响,预测蒸发弯月面形状。根据质量守恒和传热方程建立物理模型,通过C语言对不同工况下薄液膜区的蒸发质量流率、液体流速、蒸发热负荷等参数进行数值求解分析。在数值计算的基础上,通过对多孔径毛细芯的孔径进行正态分布处理,计算了此种条件下毛细芯两相界面的蒸发热负荷,相对孔径均匀分布下毛细芯蒸发传热量更高。因此,通常粉末烧结毛细芯由于其正态分布的孔径特点,相对于均匀孔径的毛细芯性能更优,得到更广泛的应用。但是数值计算得出的热负荷相对实验条件下的更低,分析这是由于实验中毛细芯相界面可能发生延伸增加了传热面积,通过分析界面深入毛细芯可能带来的蒸发面的增加,引入界面延展系数,建立微观数值计算与宏观实验间的联系。