关键词： 孔隙尺度   气体扩散层   格子Boltzmann模型   渗透系数   弯曲度   毛细压力   动态特性  

摘要： 随着清洁替代能源研究的发展,质子交换膜燃料电池已经成为氢能源利用的理想能源转换装置。在质子交换膜燃料电池所发生的各种传递现象中,燃料组分的输运和水管理始终是关系着电池性能和及其可靠性的关键问题,然而,以前的宏观数值模拟因其局限性,不能精确的描述这些传输现象。本研究论文主要针对这些问题,在孔隙尺度上对气体扩散层及气体微通道内的单相和两相传输现象进行了研究。 本研究论文以揭示与碳纸扩散层多孔介质有关的流动和传输机理为目标,以介观尺度的格子Boltzmann模型为理论研究方法,辅以必要的实验测量,探讨气体扩散层的微观结构以及润湿特性及其分布对气液传输的影响,以弥补宏观模型和实验观测在微观定量研究上的不足和缺陷。主要的研究内容包括了碳纸气体扩散层内的单相流动、碳纸扩散层内液体水的动态传输特性以及相对渗透系数和毛细压力-饱和度关系、气体微通道中液体水在扩散层表面上的动态传输特性。具体的研究内容和结论如下: 1.碳纸扩散层各向异性渗透系数研究。数值构建了碳纸多孔材料的三维孔隙结构,并采用单相多松弛格子Boltzmann方法获得了压缩以及PTFE处理后的碳纸扩散层在孔隙尺度上的详细流动信息,结果表明:碳纸扩散层的渗透系数和弯曲度表现出明显的各向异性特性,其中in-plane方向的渗透系数大于through-plane方向渗透系数,而弯曲度正好相反;压缩引起的碳纸扩散层渗透系数的变化依然能用Kozeny-Carman半经验关联式和∧-base理论公式进行合理的预测,但是由于PTFE处理后的碳纸不具有单一的纤维结构,导致这些公式在这种情况下不再适用;Bruggeman方程计算的碳纸弯曲度正好处于in-plane和through-plane弯曲度之间,表明此方程仅仅考虑了多孔介质弯曲度的各向同性的宏观平均效果;分形理论模型预测得到的碳纸扩散层的through-plane渗透系数与Kozeny-Carman半经验关联式接近,但却不适用于in-plane方向和PTFE处理后的碳纸渗透系数的预测。 2.碳纸扩散层内气液两相传输特性研究。采用多相自由能格子Boltzmann方法,对碳纸扩散层中液体水的传输机理以及扩散层孔隙结构和润湿特性对水传输的影响进行了研究;从孔隙模拟的角度,获得了碳纸扩散层内两相传输的相对渗透系数和毛细压力与水饱和度的关系曲线,并将所获得孔隙模拟结果与经验公式以及实验测量进行了比较。研究结果表明了碳纸扩散层的润湿特性在液体水的动态传输过程中所扮演着重要角色。在均匀润湿的情况下,碳纸扩散层的疏水性越强,水的传输越明显的表现为毛细指进的特征;而在疏水性不强时,水的传输表现为稳态驱替的特征,这种情况容易发生扩散层的水淹。在非均匀润湿的情况下,液体水选择亲水的路径进行传输,保留疏水孔用于气相传输,这种布置能更加有效的排出催化层的生成水,从而最大程度的利用更多的有效孔隙传输气体反应物,降低燃料电池的质量传输损失。此外,本文通过孔隙模拟获得的PTFE疏水处理的碳纸扩散层的Drainage和Imbibition毛细压力-饱和度关系曲线也较好的吻合了实验测量值,并充分体现了碳纸扩散层所具有的亲水和疏水孔隙共存的特征。根据研究结果拟合的碳纸扩散层毛细压力-饱和度关联式,相对于标准Leverett函数,能更加有效的对碳纸扩散层的毛细压力做出预测。 3.疏水碳纸扩散层表面上液滴的动态特性研究。研究了液体水通过碳纸扩散层中的微孔隙,在扩散层表面上浮现、生长和最后脱离的动态过程,探讨了微通道中的气体流速以及扩散层表面的疏水程度对液滴脱离方式和液滴断裂大小的影响。研究结果证实了液滴与扩散层内部液体水传输孔隙间连接的表面张力是影响液滴脱离扩散层表面的主要因素,且液滴的脱离方式与通道内的气体流动剪切力有关。此外,本文所提出的基于液滴宏观力平衡的分析模型,对液滴在气体微通道内形成的大小以及断裂后的液滴在疏水扩散层表面上的运动速度也都给出了合理的预测结果。 本文的研究在微观孔隙尺度上揭示流体在质子交换膜燃料电池气体扩散层内以及扩散层和气体通道界面上的流动和传质机理,为优化质子交换膜燃料电池的水管理和燃料组分传输策略提供帮助,同时也为质子交换膜燃料电池系统模型的开发提供重要的理论依据。

关键词： LCM工艺   渗透率   数值模拟   单胞  

摘要： 复合材料液体模塑成型工艺(Liquid Composite Molding, LCM)是一种先进的成型技术。凭借其自身在经济和生产质量方面体现出的优越性,LCM工艺已经被广泛应用于汽车制造、航天业、运输业等领域中。通过计算机模拟技术对充模过程进行模拟,可以预先掌握树脂在增强材料中的浸润规律,从而有效的减少成型中干斑和气泡等质量缺陷的形成,提高复合材料制品的质量。纤维织物的渗透率是进行充模模拟所需提供的重要工艺参数,渗透率数值预测的准确度决定了充模模拟过程的真实性和正确性。 目前,对渗透率的测量主要是利用实验的方法来实现,但是实验法测试渗透率耗时费力。针对实验法测试渗透率的缺陷,本文利用数值模拟的方法对纤维织物的渗透率进行了计算。 首先,构建模拟思想,研究了树脂在纤维织物中的流动实质,提出模拟的简化假设,对纤维织物中周期性单胞结构进行分析,确立单胞中树脂在纤维束间和纤维束内流动的控制方程,在模拟过程中考虑了树脂在纤维束内的流动。 然后,利用有限元软件建立了纤维增强材料中周期性单胞的几何模型,输入模拟参数,施加合理的边界条件,对单胞模型进行数值计算,得到了压力和速度结果分布图。结合单胞中不同区域的结构形式、孔隙率、流动阻力大小,对压力和速度结果图进行了分析,证明了计算结果的合理性。编写相应的计算命令流,对计算结果进行后处理得到增强材料的渗透率数值,并与实验测试结果进行对比,发现二者结果接近,从而证明了利用数值模拟方法对纤维织物渗透率进行预测的有效性。 最后,通过数值模拟的方法研究了注射压力、纤维体积含量以及织物结构对渗透率的影响。发现渗透率模拟结果不受注射压力的影响,因织物结构的变化而发生改变,随纤维体积含量的升高而减小的结论。通过理论分析,证明了这些结论的正确性,并进一步验证了数值模拟方法的有效性,并对毛细压力、边缘效应等影响渗透率的因素进行了讨论。

关键词： LBM   CPL   孔隙尺度   多孔介质   毛细芯   蒸发器  

摘要： 多孔介质中能量,动量和质量的传递现象遍及于工业生产的各个领域,例如：石油开采,食品、药材和农产品对流干燥;各种工业换热设备中的多孔材料里的蒸发以及毛细抽吸过程等,对其内部流动传热过程的深入研究有着十分重要的意义。 格子Boltzmann方法(LBM)是一种基于统计演化分布函数的介观方法,已经成功模拟了大量流体的流动和相关的输运现象。通过Chapman-Eenskog展开,可以证明该方法与N-S方程是相容的。格子Boltzmann方法最大的优点是可以方便地处理粒子间的相互作用以及具有复杂几何结构的边界条件。 本文以毛细泵回路(CPL)系统的蒸发器为研究背景,结合LBM和多孔介质构造算法,从孔隙尺度模拟多孔介质内的各种传热传质现象,特别地对多孔介质内伴随着蒸发相变过程的流动换热现象进行模拟,进一步从孔隙尺度理解多孔介质内的流动传热机理,为各种具有多孔结构的热控装置,特别是CPL蒸发器等,提供更好的理论指导。主要工作包括： 1.2D,3D随机多孔介质计算机重构 分别采用堆叠法和数学统计方法构造了二维和三维随机多孔结构。前者主要是采用QSGS生长法,直接在计算区域内生长出随机的多孔介质,后者主要是根据实际蒸发器内多孔毛细芯的端面SEM照片,通过图像分析理论得到孔隙率、孔径、相关性等数学特征,再通过一定的空间拉伸得到与实际二维切片具有类似统计特性的三维随机多孔介质。 2.多孔介质内相变传质过程的孔隙尺度模拟 建立了描述相变传质过程的多相格子Boltzmann模型,计算分析了蒸发时气泡形成,长大,融合的过程,得到了相变过程中的液相和气相质量变化的曲线。通过在上述多相格子Boltzmann模型中加入特殊的力项,借以区分亲水与疏水性物质,结合图像处理所得到的多孔介质,模拟了二维多孔介质内蒸发相变以及气泡形成的过程,分析了气泡在多孔介质内的产生,长大以及融合过程。3.多孔介质内多相复杂导热过程的孔隙尺度模拟 采用多松弛时间表征具有不同导热系数材料的方法,建立了D3Q7三维多相格子Boltzmann导热模型。采用QSGS以及数学重构法得到三维随机多孔结构。计算模拟了毛细芯内从加热到内部达到饱和态的过程。分析了不同热负荷,不同孔隙率等对多孔介质导热过程的影响,得到了模拟结构下,芯体内开始达到饱和点的时间的拟合公式。同时采用该LBM导热模型计算了各种多孔介质有效导热系数这一重要的物性参数,分析了有效导热系数随着孔隙率,孔径等结构参数的变化。 4.蒸发器内流动与换热的孔隙尺度模拟 建立了用于描述二维和三维流动与传热耦合过程的双分布函数格子Boltzmann模型,构造了蒸发器整体结构,包括蒸发器外壳,蒸汽槽道以及多孔毛细芯。采用上述LBM结合构造出的结构,探索性地对伴随相变过程的蒸发器内的流动传热机理进行了研究。模拟出了一些传统的数值方法所得不到的现象。 5. CPL环路系统的数值模型研究 基于LBM计算得到了循环工质的热力学特性方程,建立了描述CPL系统热力学和动力学特性的瞬态模型,利用该模型分析了系统启动过程,分析了不同热负荷,储液罐温度波动等对系统运行特性的影响。

关键词： 流体饱和多孔隙介质   多参数反演   小波多尺度-正则化高斯牛顿法  

摘要： 将小波多尺度方法和正则化高斯牛顿法相结合,充分利用两种方法的优点,以小波尺度分解作为引导算子确保反演算法的搜索路径,在每一个分解后的尺度上采用正则化高斯牛顿法作为求解算子以解决反问题的不适定性问题,构造了小波多尺度-正则化高斯牛顿法,有效地解决了流体饱和多孔隙介质多参数反演过程中的局部极值和不适定性的问题.通过与传统的正则化高斯牛顿法数值比较,显示了小波多尺度-正则化高斯牛顿法法是一个大范围收敛方法.数值模拟的结果验证了方法的有效性和可行性.

关键词： 多孔介质   网络模型   湍流   数值模拟  

摘要： 为进一步研究大孔隙率内的湍流特性对多孔介质内输运和燃烧过程的影响,提出多孔介质的一种二维孔隙网络模型.该模型由一系列圆形孔隙体和长方形喉道互相连接而成.采用标准k-ε模型模拟孔隙网络内的微观流场,利用体积平均方法将微观流场计算结果转换为宏观流场的信息,从而可确定宏观模型中修正项系数的值.计算结果与文献[3]提出的模型吻合较好.

关键词： 表层土壤孔隙率   土壤粗糙度   地面激光扫描仪  

摘要： 针对当前精细农业对农田信息快速采集的需求,本研究提出了基于土壤粗糙度预测表层土壤孔隙率的方法,而采用何种量化指数表征土壤粗糙度是深化研究的关键.本文首先系统总结了几种已有的衡量土壤粗糙度的量化指数,进而提出一种新的基于小尺度的土壤粗糙度指数Rd.根据对4种不同耕作方式下应用地面激光扫描仪获取的原始试验数据进行初步处理,并将4种粗糙度量化指数与表层土壤孔隙率的相关性做了比较研究,得出了两个重要结论:(1)与其它粗糙度量化指数相比,Rd与表层土壤孔隙率的相关性最高(R2=0.752);(2)基于激光扫描方法快速分析表层土壤孔隙率具有潜在的应用价值.

关键词： 岩土体   孔隙体积   颗粒体积   孔径   粒径   分形模型  

摘要： 以Sierpinski垫片和Menger海绵模型为基础,提出了由孔隙体积分形模型、颗粒体积分形模型及孔径或粒径分布分形模型组成的两大类岩土体分形模型,指出了模型间的内在联系.通过比较与分析,发现该两类岩土体分形模型能将国内外岩土体分形模型统一起来,从而形成了两类统一的模型.Katz对砂岩的实验结果表明砂岩的分形特性可采用第一类分形模型表示,以软黏土微观孔隙数据为基础,证明了软黏土满足第二类分形模型.

关键词： HYDRAULIC-PROPERTIES   IMAGE-ANALYSIS  

摘要： The pore size distribution is widely used to assess the physical quality of soil as an attribute affecting many chemical and biological processes within the soil. These data are commonly inferred indirectly through physical measurements such as water retention curves and Hg porosimetry. Digital image processing and analysis can provide a more direct route to acquire these data. Individual imaging approaches are typically limited, however, in terms of the range of pore sizes that can be identified. As soil processes occur across various scales, a multiscale approach is required to characterize the complexity of their function, which suggests that image data collected by various means must be integrated to allow a holistic understanding. We have developed a simple method for combining pore size distributions of soils acquired by various imaging techniques at different scales to produce a more useful data set for characterizing, assessing, and modeling soil processes. This method is illustrated with a set of local pore size distributions derived from three different image acquisition techniques.

关键词： 石油地质   储层岩石   孔隙尺度   渗透率   数字岩心   格子-BoItzmann  

摘要： 流体的渗流是一种十分常见的自然现象,在许多工程领域都有应用,如化学工程、地下资源开采、农田水利、地下土壤污染防治等。石油工业领域中,人们关注油或油水在储层岩石这种孔隙介质中的流动。本文采用数值模拟的方法,用格子-BoItzmann这一计算流体流动的数值方法计算毫米尺度的数字岩心的渗透率。同时本文研究了如何用各种方法得到三维数字化岩心,其中包括用实际岩心铸体薄片结合多点地质统计学的方法得到三维数字岩心。由于用多点地质统计方法得到的三维数字岩心可以更有效的发现长程的连通孔隙,因此计算的渗透率更加准确。格子-BoItzmann方法不仅可以模拟储层岩石中的单相流体流动,还可以模拟两相流体的流动。本文最后用格子-BoItzmann方法模拟了二维孔隙介质中油水两相流体的驱替与吸入,计算了相对渗透率,结果说明用这种数字岩心方法计算相对渗透率是可行的。

关键词： Kozeny公式   自然对流   多孔介质   代表元(REV)尺度   孔隙尺度   格子Boltzmann方法  

摘要： 多孔介质内流动和传热作为流体力学和传热领域的重要现象,一直是多孔介质相关研究中最基本的问题之一。大量文献表明,尽管人们已经对这类问题有深刻理解,但受制于多孔介质极端复杂微观孔隙结构及其他研究过程中面临的实际困难,即使对其中最基本的问题如渗透率与孔隙结构参数的关系等依然没有被很好地解决。深入理解这些现象背后的规律依然面临重大挑战。 目前,和其他领域的科学研究一样,由于计算机技术的飞速发展,多孔介质领域的研究也有三类最基本的手段,即实验法、解析法和数值模拟法。相比前两种传统的方法而言,数值模拟方法具有许多先天的优势。如相比传统实验,这种方法实验具有周期短,耗费小和不受环境影响的特点;又如,相比解析法,它既适合机理研究,又可直接对解析法所得的理论模型进行精确验证。因此,这种方法自产生以来就受到广泛关注并得到极大发展。目前,有关多孔介质流动和传热问题的数值模拟研究按考察尺度的大小主要分为REV尺度和孔隙尺度两种。由于多孔介质的复杂性,传统数值方法（如有限体积法、有限差分、有限元）在研究过程中尤其是孔隙尺度的研究中有诸如边界处理复杂,程序实现困难、并行效率低等缺点。国际上最近十几年发展起来的格子Boltzmann方法由于其具有和其他基于求解宏观连续方程的传统数值方法本质的不同介观粒子背景,其在多孔介质孔隙尺度模拟中被证明具有许多独特的优势,能有效克服上述传统数值方法的一些不足。正是基于这种考虑,本文才利用格子Boltzmann方法对多孔介质流动和传热中最基本的问题进行研究,期望借助于它加深人们对这些问题的认识。 本文工作主要包括模型参数的估计以及宏观REV模型适用性的评估两个部分: （1）对于模型参数的估计,论文详细地考察了渗透率与多孔介质微观结构参数的关系。 首先,论文针对多孔介质的毛细管模型考察了弯曲率对渗透率的影响。研究表明,Kozeny公式所预测的弯曲率的平方与渗透率一定条件下的反比关系对于不同毛细管模型都是近似成立的。相比常用的几何弯曲率,使得Carman-Kozeny公式成立的弯曲率更倾向于使用基于真实流线的定义。其次,延续对弯曲率作用的探讨,考察了二维和三维多孔介质填充模型的Kozeny常数构成。论文研究的最大特点是通过增加求解孔隙尺度下扩散问题首次将Kozeny常数中的弯曲率部分分离出来,进而达到可以分析Kozeny常数中弯曲率和形状因子在不同情况下对Kozeny常数的贡献的目的。研究表明,不同情况下Kozeny常数都不是常数,相反,Kozeny常数随着孔隙率的变化可分为二至三个区域。当孔隙率很大的时候,Kozeny常数一般随孔隙呈指数增长,这时形状因子对于Kozeny常数的变化起主要作用;当孔隙变小且低于某个临界值时,一般会存在Kozeny常数的一个平缓变化的区域。对于大多数情况,当孔隙率处于这个区域中的一个更为狭窄的区间时Kozeny常数才几乎为常数,这个区间内弯曲率对Kozeny常数的变化起主要作用。随着孔隙率继续减小,Kozeny常数对于不同的模型要么随着孔隙率减小而减小要么相反。值得指出的是,三维条件下也存在Kozeny常数随孔隙率减小而增大的模型,这个结果澄清了以往认为这种现象只在二维条件下才有的错误认识。研究还表明,填充颗粒的形状、排列方式、尺寸大小和二维三维差别等等不会对上述结论的得出产生定性的影响。 （2）对于宏观REV模型的适用性,论文通过对多种二维孔隙结构情况下多孔介质自然对流的REV模型和孔隙尺度模拟的结果进行对比,进而对多孔介质自然对流的Darcy-Forchheimer-Brinkman模型的适用性进行了微观验证。本文研究的特点是采用直接孔隙尺度模拟所得的渗透率及有效热导率代入REV模型进行计算,避免由于采用经验公式可能得出的错误结论。研究表明,该REV模型在小Ra数,均质条件下才能在定量上预测孔隙尺度下热壁上平均Nusselt数这一重要参数。相对而言,REV模型对于渗透率的影响刻画得最好,对于热导率影响刻画得最差。研究还表明,多孔介质微观孔隙结构变化对于上述结论的得出影响不大。 除此之外,本文还开展了含柱方腔自然对流及浮力影响下串列双柱绕流等其他相关研究工作。针对前者给出了腔体内不同流动和传热模式在Ra数和反映腔体几何结构的一个无量数构成的平面上的分区图。针对后者研究了浮力影响下双柱问题临界距离是否存在以及相关的变化等问题。研究表明,当浮力方向与来流方向相同时,所谓临界距离在所考察的参数范围内不存在。当浮力与来流方向相反时,临界距离一般仍然存在,且比等温条件下的值偏小。值得指出的是,对于等温条件下不存在临界距离的Re=60的情况,浮力与来流方向相反时临界距离也能存在。 总之,本文利用格子Boltzmann方法对多孔介质流动和传热的微观模