关键词： 热障涂层   多尺度孔隙结构   热导率   力学性能  

摘要： 热障涂层应用于航空发动机、燃气轮机等高温部件的热防护,需具备高隔热性能和良好的力学性能。大气等离子喷涂制备的热障涂层中难以避免出现孔隙,封闭的孔隙是不良的热导体,可以显著降热导率,提高隔热性能。小孔隙可以缓解热障涂层的应力,从而减小应力集中。大孔隙会在一定程度上降低其抗变形能力。因此,本文拟通过在热障涂层中引入微/纳米多尺度分布的孔隙结构(纳米、微米、数十微米),在保证高隔热性能的同时提高其抵抗变形的协调能力。同时,根据两机实际工况,研究涂层在1000℃、1050℃、1100℃下服役不同时间后组织性能变化,阐明多尺度孔隙结构热障涂层长期高温下组织和热力学性能的演变机制。取得以下重要结果:(1)通过在8YSZ中加入5 wt.%的YbO和5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%的GdO,探究复合陶瓷的热物理性能。优化确定了5 wt.%YbO和10 wt.%GdO加入量的复合陶瓷综合性能最佳。因此,选择其作为陶瓷粉末制备热障涂层。(2)利用Ansys workbench有限元软件,模拟微/纳米多尺度孔隙的热障涂层在不同温度下服役不同时间后热导率的演变机制以及不同载荷下的压入特性。结果表明涂层的热导率随着测试温度的升高呈现下降趋势,随着孔隙率的增加而降低,随着服役时间的延长而升高,直到服役时间为60天后性能趋于稳定。在涂层中引入不同尺度孔隙后,尽管硬度、弹性模量会下降,但是断裂韧性有所提高。(3)通过陶瓷粉末和聚丙烯造孔剂的混合,喷涂具有微/纳米多尺度孔隙结构的热障涂层。研究表明孔隙呈现微/纳米多尺度分布,并且随着服役时间的增加微小封闭孔隙逐渐消失,较大孔隙联结,当服役时间到达60天后趋于稳定,GdO和YbO的加入可以提高8YSZ的稳定性。(4)利用激光闪光法,研究多尺度孔隙结构热障涂层高温下长期服役后热导率的演变机制。研究发现热障涂层的热导率随着温度的升高而下降,随着聚丙烯粉末含量的增加而降低。热障涂层的热导率随着服役时间的增加而增加,直到服役时间到达60天后趋于稳定。实验测试的热导率演变机制与有限元模拟一致。GdO和YbO的加入可以降低热导率,并且提高热障涂层的抗烧结性。(5)利用纳米压痕方法,研究多尺度孔隙结构热障涂层高温下长期服役后力学性能的演变机制。研究发现随着造孔剂含量的增加,硬度、弹性模量呈现下降趋势,断裂韧性呈现上升趋势。随着高温服役时间的延长,硬度、弹性模量增大,断裂韧性下降。当服役时间到达60天后趋于稳定。

关键词： 相变储热   格子Boltzmann   多孔介质   强化传热  

摘要： 相变储能作为一种新型储能方式因其具有潜热大,相变温度变化小等优势且能解决能源利用在强度、时间和空间上不匹配的问题而受到广泛关注。然而目前相变材料的导热系数普遍较低,导致了相变储能系统储放热效率低,因此强化相变材料的导热,提高储能系统换热效率尤为重要。根据相变材料的固液相变传热特性,在相变材料中填充高导热的多孔介质是提高相变材料等效导热,强化储能系统传热的有效方式,本文使用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质复合相变材料的固液相变过程,并通过改变多孔介质的孔隙率,分布规则以及Rayleigh数的大小来研究其对相变储能系统固液相变过程的影响。此外,本文还构建且验证了基于中心距格式的多松弛格子Boltzmann固液相变模型,进一步提高了固液相变模型在应对大Rayleigh数、粗网格以及低Prandtl数等条件下的计算精度。本文主要研究内容和结论如下:(1)针对方形相变储能系统,建立了固液相变格子Boltzmann传热模型,并研究了扇形多孔介质的孔隙率、填充角度对储能系统传热性能的影响。结果表明,加入多孔介质能够有效提高传热效率并扩大潜热的作用,从储能系统底部开始填充多孔介质能够有效强化底部传热,缓解腔体顶部热量积聚,提高储能系统整体传热速率,在高Rayleigh数下,加入180°多孔介质的完全熔化时间要小于加入270°的多孔介质,而评估参数也说明了在这种情况下210°是能平衡强化传热性能和能量储存密度的多孔介质最佳填充角度。(2)针对环形储能相变储能系统,建立了具有曲线边界的格子Boltzmann固液相变传热模型,考虑了4种不同的梯度孔隙分布多孔介质类型和3种均匀孔隙率多孔介质对储能系统传热的影响,并综合分析了储能系统中热传导和热对流协同作用下最佳孔隙分布多孔介质类型。相较于纯相变材料,再加入孔隙率为0.5的均匀多孔介质后相变材料的完全熔化时间缩短了80.6%。在此基础上,相较于其他孔隙分布的多孔介质,孔隙分布为Type3型的多孔介质具有更高的强化传热效果和储能密度,在高Rayleigh数下,强大的对流换热会削弱多孔介质强化导热的作用,因此充分考虑多孔介质的高导热和自然对流引起的对流换热的共同作用对储能系统提高换热效率尤为重要。(3)针对现有固液相变模型在粗网格、高Rayleygh数或者低粘度情况下计算精度较低的问题,本文将所建立的中心距多松弛格式格子Boltzmann固液相变模型且应用于孔隙尺度下的固液相变过程,研究了三种模型在应对不同条件下的固液相变问题时的计算精准度与稳定性。在面对方腔熔化自然对流问题时,相较于256×256的网格系统,单松弛模型,多松弛模型与中心距多松弛格式模型在应用64×64的网格系统时相对误差为0.238%,0.019%和0.014%。在此基础上,本文还研究了中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在应对孔隙尺度下相变材料的熔化过程时的准确性。当Rayleigh数为5×10时或者Prandtl数为0.005的条件下采用单松弛模型会导致非物理现象的热量传递的发生,而采用中心距多松弛格式模型能够有效缓解相界面效应,得到清晰的固液相界面。中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在处理强自然对流与低粘度条件下的固液相变问题时能够展示较强的稳定性与精准度。(4)针对流动换热相变储能系统,本文建立了填充有梯度孔隙率多孔介质的格子Boltzmann流动换热固液相变模型,通过改变对流换热储能系统中的多孔介质孔隙分布以及Rayleigh数的大小对流动换热相变储能系统固液相变的影响。加入梯度孔隙分布的多孔介质能够在强化相变材料热传导的同时充分利用自然对流引起的对流换热,从而综合强化相变材料的传热速率,缩短其熔化时间。相对于纯相变材料,加入孔隙分布为type1的均匀多孔介质后熔化时间缩短了58%,而加入孔隙分布为type4的多孔介质后熔化时间缩短了63.5%。在此基础上,采用梯度孔隙分布的多孔介质会强化传热,增大潜热比,降低热积聚,再加入孔隙分布为type7的多孔介质后,最大潜热比由80.8%上升到84.5%。此外,在高Rayleigh数情况下,强大的对流换热会削弱多孔介质的强化传热效果,要根据具体的工况选择合适孔隙分布的多孔介质从而充分利用热传导与对流换热,提高储能系统换热效率的同时使温度分布更加均匀。

关键词： 三维重构   孔隙网络模型   多尺度孔隙   孔隙连通性   致密储层  

摘要： 为了研究致密油储层的三维孔隙结构,以鄂尔多斯盆地延长组S113井粉砂质页岩样品为研究对象,采用XRD衍射实验、TOC测试、岩石热解实验、FE-SEM、氮气吸附和高压压汞实验对该井样品的矿物成分、有机地化特征、孔隙类型和孔隙结构参数等储层特征进行评价。然后选取有代表性的样品进行微米CT、纳米CT和FIB-SEM等多尺度扫描实验,并对扫描结果进行图像预处理、图像分割、孔隙网络模型构建、孔隙结构定量计算以及绝对渗透率模拟,从而对致密储层样品进行三维孔隙结构多尺度表征。研究区致密油样品以黏土矿物层间粒内孔为主。样品经过抽提后S和S的大幅下降表明较大的可动油比例;抽提前后氮气吸附结果指示样品中可动油主要存在于2～4 nm和60～100 nm范围的孔隙中。基于最大球算法和中轴线算法两种算法提取了致密油样品的孔隙网络模型。通过对比这两种孔隙网络模型,发现基于最大球算法的孔隙网络模型展示的三维孔喉空间信息和孔隙喉道定量参数更全面,准确性更高。以基于最大球算法的孔隙网络模型为基础,计算了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间的孔隙、喉道大小以及配位数等孔隙结构参数。根据分割的孔隙相数据体,定量计算了孔隙长宽比、圆球度等孔隙形貌参数,并分析了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中不同形貌孔隙的发育情况;同时,定量计算了孔隙方位角和极角,绘制出孔隙方位角和极角的玫瑰图,评价致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中的优势孔隙。总体而言,优势孔隙方向与层理面之间的夹角较小。对比分析了氮气吸附、纳米CT和微米CT三种技术在孔隙测量方面的优势,绘制了典型致密油样品的全孔径分布曲线,计算了微米孔和纳米孔的体积百分比。结合三维孔隙网络模型和连通孔体积百分比定量评价了致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中孔隙连通性,发现在这三种尺度下,尽管非连通孔在数量上都占据绝对优势,但这些孔隙体积都比较小,而连通孔的体积大多较大,这三种技术评价的连通孔体积百分比分别为10.22%、50.75%、90.51%。因此致密油样品的孔隙连通性在FIB-SEM的观测尺度下最好,在纳米CT的观测尺度下居中,在微米CT的观测尺度下最差。在此基础上,构建了孔隙连通性的二维概念模型,以便直观地理解致密油储层岩样的三维多尺度孔隙连通性特征。最后,利用FIB-SEM三维孔隙空间开展了流动模拟,计算典型致密油样品的绝对渗透率为0.41m D,并通过渗流流线场展示了渗流的优势通道。

关键词： 重力   毛细管力   非混相驱替   海恩斯跳跃  

摘要： 多孔介质中的两相流现象普遍存在于工程应用中,如提高石油采收率、土壤环境修复、燃料电池储能技术和地质储层中二氧化碳的捕捉与封存,生物化学等,因此对于两相流动力学的研究受到了国内外广泛的关注。然而国内外学者对于两相流机理的研究大多数是在水平注入方向上进行的,对于重力作用会对驱替过程的流动特征产生什么样的影响还没有一个较为全面的研究。本文通过控制注入方向以及注入流量来改变粘性力、重力以及毛细管力之间的竞争关系。采用微流控可视化系统对均质多孔介质两相驱替过程的流动状态进行观测,分析了不同条件下的无量纲数与流动状态,以及采收率之间的变化关系。使用micro-PIV(micro-particle imaging velocimetry)粒子成像测速系统对孔隙尺度下的两相驱替过程进行观测,对比向上和向下驱替过程中两相界面的推进特征,圈闭残余油的形成过程,以及海恩斯跳跃现象,并且实验通过对速度场的分析量化了流体之间的相互作用。综合两个实验对孔隙尺度两相流动机理的研究结果共同得到以下结论。(1)在垂直向上,向下和水平注入方式下,大注入流量的驱替过程都能得到稳定的驱替前缘。随着注入流量减小,流动稳定性逐渐变差,驱替过程产生指进前缘。低流量下的向下驱替过程存在稳定和不稳定两种驱替状态,且随着注入流量的减小不稳定驱替状态出现的频率增大。与水平和向上驱替过程相比,向下稳定驱替状态的采收率最大,不稳定驱替状态的采收率较小,水平与向上驱替过程的采收率总体相差不大。(2)向上、水平和向下驱替过程的稳定状态转变的临界毛细管数分别为1.4×10,4.44×10和1.4×10,根据孔隙填充理论以及临界毛细管数建立了用来预测不同条件下驱替状态转变的数学模型。结合毛细管数、重力数、邦德数和粘度比构建了适用于不同注入方式的油水两相驱采收率预测公式,为多孔介质内两相驱替过程的研究以及实际工程应用提供参考。(3)向上和向下驱替过程的前缘推进方式并不相同,在向下驱替过程中重力作为推进力加剧了前缘的指进现象,在多孔介质中留下大面积的圈闭残余油。而在向上驱替过程中重力作为阻力阻碍了指进前缘的推进,导致流路从指进前缘的末端向水平,甚至逆流方向进行推进。在向上和向下驱替过程中都发现了海恩斯跳跃现象,在不稳定驱替状态下海恩斯跳跃速度是流路平均速度的3-12倍,而在稳定驱替状态下海恩斯跳跃速度是流路平均速度的2-2.7倍,且海恩斯跳跃现象会对大范围流路的速度产生影响。(4)通过速度场和涡量场对流体-流体和流体-固体之间的相互作用进行可视化,发现由于粘性作用使得流路中间的流速最大,骨架颗粒附近流速最小。以流路中心为对称边界,流路左右两侧呈现出相反的涡量分布,在拐角处的涡量要明显大于流路中的涡量,且涡量的大小随着注入流量的增大而增大。在圈闭油相与水相的界面附近测量得到非零的速度分布,其仅比流路中心速度小一个数量级,并且发现死孔中的流体并非完全静止不动,而是显示出较小的涡量分布,这说明流体-流体之间的相互作用及动量传递是不可忽略的。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   煤堆自燃   孔隙尺度   自然对流   多场耦合  

摘要： 煤堆自燃是一种在全球范围内普遍存在的复杂自然灾害,对经济发展和生态平衡有着严重的威胁。研究煤堆内的流动传热问题对预防煤火,保护能源安全具有重要的意义。煤堆自燃是一种典型的多孔介质流动传热问题,格子玻尔兹曼方法因其物理背景清晰、边界处理简单等优点被广泛应用于多孔介质的流动、传热和反应过程的数值模拟。本文采用多松弛时间的不可压格子玻尔兹曼模型,分别对封闭空间和开放空间中含煤粒多孔层内的反应问题进行了研究。主要研究工作如下:(1)针对规则排列的含煤粒封闭多孔层内的自然对流问题,研究了不同的Rayleigh数、粒径、排列方式和孔隙率对内部流动传热的影响,给出了不同条件下封闭多孔层内部的流场、温度场和流线图,并通过分析对应条件下的对流传热过程总结出了内部升温规律。(2)针对含煤粒多孔通道内流场、温度场和氧化反应的多场耦合问题,研究了不同来流速度、温度、浓度和粒径大小对通道内部流动传热传质过程产生的影响。探究了通道内部温升曲线的变化特征,并给出了不同条件下内部稳态时的流动传热分布云图。本文采用格子玻尔兹曼方法研究了煤堆自燃问题,对含煤粒封闭多孔层及多孔通道进行了微观分析,探究了内部流动传热规律,为预防煤堆自燃提供了理论依据。

关键词： 土壤孔隙结构   生物膜代谢功能   生物膜群落结构   代谢组学   微流控技术  

摘要： 土壤微生物是驱动陆地生物地球化学循环的引擎。活性微生物主要以生物膜的形式存在于土壤环境中,其生物膜形成量、群落结构多样性和代谢功能差异与周围土壤的理化环境密切相关。前人研究表明土壤的空间结构是影响生物膜形成的重要因素。多孔网络结构的理化性质决定了液相流动,影响了细胞的空间分布、群体行为及进化过程。但是前人的研究大部分是基于实际土壤粒径分离和高通量测序技术研究土壤不同粒径团聚体中的微生物群落组成。而由于土壤不透光性和高度的时空理化异质性,土壤孔隙结构对生物膜形貌特征、代谢功能及群落结构等的影响鲜少有研究。为此,本研究采用微流控技术设计并制作四种孔径(20 μm、50μm、100 μm和300 μm)微流控芯片模拟土壤微环境,通过荧光示踪剂及显微成像表征土壤生物膜形成,结合扩增子测序及代谢组学来研究不同孔隙结构对生物膜群落组成的影响。本研究的主要结果如下:显微成像结果显示,土壤菌群的生长过程主要可以分为初始附着、表面定殖、发育成膜、生物膜成熟和生物膜衰亡五个阶段。随着孔径尺寸增加,土壤菌群形成生物膜至成熟的时间也逐渐增加。土壤菌群在小孔径芯片(20μm和50μm)中主要围绕着微柱生长成膜,成熟期能填满孔隙,造成生物堵塞;而在大孔径芯片(100 μm和300μm)中,土壤菌群主要分布在孔隙间,形成团聚体后逐渐连成带状、片状生物膜。胞外聚合物(EPS)组分含量随着孔径尺寸的增加而减少,蛋白在生物膜形成过程中起主导作用。大孔径芯片(100μm和300 μm)中具有呼吸活性细胞数量占比较高,分别为50%与48%。而小孔径芯片(20 μm和50 μm)中微生物对养分的利用更充分,摄取葡萄糖的细胞分别占63%与87%。16S rRNA测序结果表明,孔径大小显著影响土壤生物膜群落多样性。在生物膜成熟期,不同孔径芯片中的生物膜微生物类群存在显著差异。初始菌群中相对丰度最高的优势细菌类群是γ-变形菌纲、放线菌纲和β-变形菌纲。在生物膜成熟期,放线菌纲和β-变形菌纲的相对丰度增加,γ-变形菌纲的相对丰度降低。在20 μm芯片中,最优势细菌类群是放线菌纲,300 μm芯片中的最优势细菌类群为β-变形菌纲。其中,伯克氏菌属的相对丰度与芯片孔隙尺度成正相关。微生物种类数量随着孔径增大而增多。在大孔径芯片(100 μm和300 μm)中,微生物种类数量较多,竞争较激烈,影响了 土壤生物膜的形成。进一步通过代谢组学分析不同孔隙结构对土壤微生物代谢功能的影响,结果显示在土壤微生物生物膜成熟时期的代谢物中,脂类及类脂分子、有机酸及其衍生物所占的比例较多,占26.15%。20 μm芯片中筛选出的代谢物种类最多,50 μm芯片中筛选出的代谢物最少。小孔径芯片(20 μm)中代谢物之间相关性较复杂,存在各类代谢物共同调节,有机杂环化合物和有机氧化合物在共调节中起重要作用。另外,在20、50、100 μm芯片中主要是ABC转运蛋白的代谢受到了扰动,而在300 μm芯片中主要是硫胺素代谢存在显著差异。本研究结果揭示了不同孔隙结构对土壤生物膜形貌与群落特征的影响,为了解微生物在土壤界面上定殖过程及生物膜群落多样性与功能提供理论依据。

关键词： 木棉纤维   杨絮纤维   生物质气凝胶   溢油处理   油/水乳液分离  

摘要： 目前,油类排放带来的环境污染问题成为全球关注的焦点,特别是在船舶航运过程中发生的漏油事故,对水体环境造成了大范围的不可逆破坏。具有超润湿性能的高质量多孔材料由于其高孔隙率、孔隙结构可调控、高吸附容量等特点,被广泛用作油类污染物清理。如生物质气凝胶,具有丰富的原材料、可生物降解性、环境友好性,成为处理油污染物的研究重点。但由于生物质气凝胶其自身较脆的特性以及内部无序的多孔结构及不均匀分布的交联点,缺乏足够的机械性能,极大程度限制了生物质气凝胶材料的实际应用。本课题采用天然中空的木棉纤维、杨絮纤维为原材料,结合生物质材料海藻酸钠和壳聚糖,制备了具有神经血管网络状及类神经元结构的多尺度孔隙超疏水气凝胶,改善了气凝胶的机械可压缩性能,并进一步研究了所制备气凝胶的油液吸附性能和油/水分离性能。由于其孔隙尺度的限制,超疏水气凝胶在分离不相容油/水混合物方面已得到广泛研究及应用,但在分离表面活性剂稳定的乳化油污染物时仍存在重大挑战。本课题提出基于原位振荡的油水乳液破乳机制,通过乳化油滴的动能和形变能之间的转变创造破乳条件,形成水下乳化油的捕获机制,以实现高效率的油水乳液分离。主要研究内容与相应结果如下:选用木棉(KF)和海藻酸钠(SA)为天然构建材料,通过定向冷冻干燥和化学气相沉积得到取向神经血管网络结构的气凝胶(S-KF/SA)。其中SA形成定向的通道结构,KF作为管状毛细管系统交织于SA孔壁中,定向结构的超疏水气凝胶具有垂直于SA孔壁结构的单向可压缩性能,其干湿压缩(应变为60%)的高度回复率分别为96.0%和97.3%,通过挤压后仍具有稳定的吸油容量(为初始的81.1-89.8%)。通过重力驱动S-KF/SA可实现多种油/水混合物分离,并表现出高渗透通量(11503-37963 L·m·h)和高分离效率(99.04-99.64%)。然而当取向结构气凝胶受到平行于孔壁方向的应力时,材料被强制挤压,易导致结构裂纹的产生和更大的塑性变形量,使得轴向压缩成为取向气凝胶的致命弱点。本课题进一步采用杨絮(PCF)和壳聚糖(CS)构造具有管状-片状交织的类神经元双尺度孔隙结构气凝胶M-PCF/CS。气凝胶具有优异的纵向、横向压缩回复性能及压缩循环性能。中空的柔性PCF在气凝胶内部作为第二尺度的微米级毛细管网络,增强了气凝胶对液体的吸收速率,对不同油液及有机溶剂的吸附容量在5-25 s内达到28.8-78.1 g/g。结合真空液泵的辅助作用,可实现从海水中连续分离油水混合物,渗透通量为23052-43956 L·m·h。课题基于原位振荡破乳策略进行水下乳化油滴的捕获,打破了利用2D微孔膜通过“尺寸筛分”进行乳化油分离的思路。利用振荡器的往复高频振荡对水包油乳化液施加动能,水包油液滴在形变过程中为破乳创造条件。S-KF/SA对四种乳液(水包正己烷、水包甲苯、水包柴油、水包豆油)的分离效率达到99.39-99.68%;M-PCF/CS对水包正己烷和水包甲苯的分离效率分别为98.07%和99.11%。以S-KF/SA为例,研究了油液种类、振荡速率、表面活性剂对破乳效果的影响。S-KF/SA对乳液的分离时间随振荡器的振荡速率增加而减少;对低粘度油形成的水包油乳液效果优于高粘度油;对CTAB(阳离子表面活性剂)稳定的乳化液的分离效果优于SDS(阴离子表面活性剂)稳定的乳化液。

关键词： 非饱和多孔介质   多相结构生成   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   有效导热系数  

摘要： 建筑能耗在社会总能耗中的占比飞速上涨,如何降低建筑能耗已经成为当前亟待解决的问题。目前,降低建筑能耗的关键在于降低建筑围护结构的能耗,建筑围护结构所用材料大多属于多孔介质且由于外界复杂的热湿环境,材料内部孔隙常含有水分。然而在实际工程计算中,常忽略建筑材料内的水分,这势必会对建筑能耗计算等产生影响。此外,在模拟计算中,大多数学者提出的模型均以宏观连续介质作为假设,且模型中的参数难以确定或是以实验、经验公式方法近似确定,这难免会使得模型参数与实际情况出现偏差。因此,为了研究多孔建筑材料在非饱和情况下的传热性能,本文基于介观数值模拟方法——格子Boltzmann方法进行了数值研究,具体内容如下:(1)以加气混凝土为例,对材料内部的结构形态、孔隙率、孔径分布等特征参数进行测量分析。基于这些基本参数,采用改进的随机结构生成法构建多孔建筑材料几何模型,并通过相函数矩阵对材料内部不同相进行定义。(2)对格子Boltzmann方法进行了详细阐述,建立了多孔介质二维固-气-液三相导热的格子Boltzmann数值模型,整个过程通过M语言编程实现。接着采用称重法制得不同含湿工况下的加气混凝土试样,分别测量其有效导热系数,并通过实验所得数据对模型进行验证。结果表明:模拟计算值与实验数据的相对误差约为7.6%,该模型能够较好地模拟非饱和多孔建筑材料的传热。(3)模拟分析了含水率、孔隙率、孔径分布等重要影响因素对非饱和多孔建筑材料传热性能的影响。研究表明:不同孔隙率的非饱和多孔建筑材料在不同含水率范围内的有效导热系数的增幅不同,且含水率对孔隙率大的材料的有效导热系数有更为显著的影响。同时,固气导热系数比较小的材料的有效导热系数随含水率增加而增大的幅度更大。相较而言,孔径分布对非饱和多孔建筑材料的有效导热系数的影响较小,孔隙分布均匀且连通孔占孔隙数量比例多时,其有效导热系数稍大一些。(4)数值模型中涉及了固、液、气三相导热系数以及各相所占比例,各相所占比例通过含水率和孔隙率来反映,通过温度云图进一步研究了非饱和多孔建筑材料的传热。结果表明:在孔隙连通性或分布密集的区域,温度场会发生畸变;随着含水率的增加,这一变化逐渐减缓至平缓变化。

关键词： 格子Boltzmann方法   粘性指进   化学反应   固态物质析出   溶解模式   孔隙尺度  

摘要： 反应流体的输运过程广泛存在于自然界与工业应用中,如二氧化碳地质封存、油藏增产、环境污染物处理以及燃料电池等。由于孔隙结构复杂,且流体输运、溶质传输及化学反应之间互相耦合,因此多孔介质内反应流体的输运行为非常复杂。本文从孔隙尺度出发,基于格子Boltzmann方法研究多孔介质内反应流体的混合析出过程以及流-固反应导致的溶解现象,详细分析化学反应对界面组分分布特征的影响以及溶解产物对溶解过程的影响,为实际工程应用提供技术指导及理论依据。论文的主要工作包括:首先采用分层模块化的设计方法,开发了多孔介质中反应流体输运的并行计算程序。通过模拟顶盖驱动方腔流及方解石颗粒的溶解过程,验证了并行计算程序的可靠性,并对计算程序进行了测试,结果表明计算程序具有较好的并行效率。其次基于反应流体输运的并行计算程序,模拟研究了多孔介质内的反应流体粘性指进析出过程,分析了反应速率、成核速率以及聚集速率的影响。结果表明,化学产物、固相组分主要集中在指进界面处,且浓度分布受到反应速率和Peclet数的影响。另外,研究结果表明多孔介质结构会对流体输运过程产生明显影响。最后研究了多孔介质中反应流体驱替过程中的溶解模式。重点分析了五种不同的溶解模式:致密溶解、锥形溶解、优势虫洞、分枝虫洞以及均匀溶解。此外,产物粘性变化会导致溶解模式改变,即分枝虫洞与优势虫洞之间的转变。

关键词： 催化型颗粒捕集器   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   多孔介质   流动传热  

摘要： 柴油机颗粒捕集器利用多孔介质壁面将颗粒物过滤,是行业公认的降低机动车污染物最有效装置之一。但随着装置的长期工作,颗粒物会在过滤体内大量积累,影响机动车性能。为使颗粒物能够在正常排气温度下氧化燃烧,在过滤体表面涂覆催化剂,形成具有被动再生能力的催化型颗粒捕集器。为进一步明确催化型颗粒捕集器在孔隙尺度下流动传热机理,本文使用格子Boltzmann方法对三维重建的催化型颗粒捕集器多孔介质壁面进行流动传热及氧化再生模拟研究。首先,为构建研究所需多孔介质结构三维模型,对催化型颗粒捕集器过滤壁面切割制样,并使用Micro-CT扫描仪进行扫描,再三维重建过滤壁面多孔介质结构模型。编写格子Boltzmann程序并加载结构模型,为确保编程的准确性与正确性,进行了网格无关性验证和程序验证。在本文模拟研究中,均选用格子Boltzmann方法中的D3Q19离散速度模型。模拟研究内容主要包括:(1)不同孔隙率、渗透率、孔隙分布和进气速度对催化型颗粒捕集器内白载体多孔介质结构流动传热的影响;(2)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构流动传热的影响;(3)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构在氧化再生时传热的影响。最后,模拟结果表明:(1)白载体多孔介质结构中,在同样进气速度下,结构孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;在多孔介质入口端,会因速度摩擦产生温升,温升会进气速度的增加而增大;在多孔介质内部流动时,多孔介质内部孔隙分布越均匀,平均速度变化越小。(2)加载颗粒层的多孔介质结构中,颗粒层对多孔介质上方速度场有削弱作用,随着颗粒层孔隙率降低,削弱作用增强;削弱作用会使多孔介质入口端温升减小,当颗粒层孔隙率降低,速度摩擦加剧,温升增大;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质入口端平均速度仍由结构的孔隙率决定,孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;多孔介质入口端平均速度越大,速度摩擦产生的温升越大。(3)加载颗粒层的多孔介质结构氧化再生时,在多孔介质入口端产生温度峰值,随着颗粒层孔隙率降低,氧化再生时温度峰值上升;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质的平均速度最小值越小,高温越易堆积在多孔介质入口端,温度峰值就越高。