关键词： 格子Boltzmann方法   液滴冻结   冻土   孔隙成冰   数值模拟  

摘要： 路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明:土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(soil freezing characteristic curves,简称SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。

关键词： 边底水碳酸盐岩气藏   孔隙尺度   数值模拟   水气渗流   界面追踪   剩余气   驱气效率   提高采收率  

摘要： 边底水碳酸盐岩气藏储量丰富,是目前塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等油气产区重要的开发对象,边底水碳酸盐岩气藏在开发中后期普遍面临水侵影响,将引起驱气效率和采收率下降等问题。为此,首先通过耦合流体流动方程和界面追踪方程,建立了孔隙尺度水气非混相流动模型,然后基于随机生长4参数法生成的非均质多孔介质模拟了水驱气过程,最后明确了剩余气的分布和形成机理,并探讨了微观驱气效率的变化机制。研究结果表明:①剩余气的分布包括盲端剩余气、孔喉间剩余气和簇状剩余气,其比例和规模受微观孔隙结构、润湿性和毛细管数共同控制,通过改变生产压差,打乱原有压力系统及气体膨胀,能进一步动用剩余气,进而提高微观驱气效率;②微观驱气效率与渗流过程密切相关,每一条水相优势通道的形成或扩大都会引起出口含水率的急剧上升并使驱气效率的增速变缓;③气藏微观孔隙结构和润湿性特征是确定的,通过优化毛细管数改变界面推进模式能有效提高微观驱气效率。结论认为,对于实际气井,应基于储层微观孔隙结构和润湿性特征,揭示气水界面推进力学机制的演变规律,进而确定最优毛细管数;明确孔隙尺度水气渗流特征及微观驱气物理机制,有助于指导气藏提高采收率方案的设计。

关键词： 页岩   多尺度   多类型   孔隙结构   多实验联用成像技术   机器学习  

摘要： 准确、全面地认识页岩孔隙结构是精准评估储量和高效开采油气的基础和关键。为此,以渤海湾盆地济阳坳陷古近系始新统沙河街组页岩为例,综合应用包括X射线计算断层扫描、大视域扫描电子显微镜、扫描电子显微镜和聚焦离子束扫描电子显微镜在内的多实验联用成像技术,获取了二维和三维多分辨率页岩微观结构图像,并结合图像处理和机器学习算法,实现了对页岩孔隙结构进行单一尺度与多尺度的同步表征。研究结果表明:①研究区页岩的孔隙空间主要由微裂缝、无机质孔隙、有机质和有机质孔隙组成,且都呈现出多尺度特征。②无机质孔隙类型多样,其中溶蚀孔隙发育丰富;有机质呈现出条状和散块状分布,部分有机质中未发现有机质孔隙。③孔隙半径小于20 nm的占比为25%,20~50 nm的占比为19%,50~100 nm的占比为29%,100~500 nm的占比为14%,500 nm~20μm的占比为11%,20~50μm的占比为2%。④有机质孔隙的连通性弱于无机孔隙,有机质孔隙与无机质孔隙的连通对油气运移起着至关重要的作用,微裂缝主导流体流动通道。⑤孔隙半径小于50 nm的孔隙基本以有机质孔隙为主,孔隙半径介于50~500 nm的孔隙为有机质孔隙和无机质孔隙,孔隙半径大于500 nm的孔隙主要贡献者为微裂缝。结论认为,单一的成像实验无法准确、全面地揭示页岩储层的多尺度微观孔隙结构,通过多种成像技术和机器学习算法的联合使用,能够同时实现页岩孔隙结构在单一尺度和多尺度下的认识和表征,提出的新方法能够准确、全面地获取页岩多尺度孔隙结构信息。

关键词： 膨润土   非饱和土   本构模型   多尺度孔隙结构  

摘要： 颗粒型膨润土材料具有颗粒间孔隙、集合体间孔隙和集合体内孔隙等多尺度孔隙结构特征,传统非饱和膨胀土双孔模型(BExM)难以准确描述其宏观力学行为。在现有BExM模型的理论框架基础上,从颗粒型膨润土材料的三重孔隙结构出发,通过双加载屈服面方程和宏微观耦合效应函数表征膨润土颗粒混合物的多尺度孔隙弹塑性变形行为及其相互耦合关系。通过对比试验数据与模型模拟结果发现,模型可较好地描述非饱和颗粒型膨润土材料的膨胀力特征、膨胀变形特征以及宏微观孔隙结构演化规律。

关键词： 格子Boltzmann方法   脱盐电池   纤维状电极   双离子电化学去离子  

摘要： 世界对淡水资源日益增长的需求与淡水资源日渐减少的矛盾引发了严重的淡水资源短缺问题,但也为海水淡化技术的发展提供了契机。得益于低能耗、可再生、结构简单等特点,电容去离子技术(CDI)已成为替代传统海水淡化技术的有前途的技术。为了提高脱盐性能,有学者提出了基于化学吸附的新型脱盐电池,即利用插层机理将离子存储在电极材料的原子平面间的晶体位点,从而获得了更高的脱盐能力,并且利用电池电极还能将能量回收,降低能耗。脱盐电池的材料选择很大程度上决定了脱盐性能,而电极形态也在一定程度上影响着脱盐性能,本文针对纤维状电极,通过改进的纤维介质随机重构方法进行纤维状电极的随机重构,生成二维以及三维纤维状电极,并基于Lattice Boltzmann Method(LBM)在孔隙尺度对电极内部渗流、传质以及电化学反应进行研究,从孔隙尺度观察初始浓度、入口流速以及电流密度等运行参数,电极孔隙率、纤维直径等结构参数对脱盐过程的影响,主要的工作如下所示:(1)通过对比不同的多孔介质重构方法,选择了适用于纤维状介质的随机重构方法,围绕脱盐电池纤维状电极提出了改进的二维、三维纤维介质随机重构方法,利用改进的纤维状电极重构方法生成了简化的二维纤维状电极以及三维纤维状电极模型。(2)基于简化的二维纤维状电极,选定计算域,基于格子玻尔兹曼方法建立孔隙尺度格子玻尔兹曼模型以研究电极内部孔隙以及纤维内部发生的物理及化学反应,考察了不同结构参数(孔隙率、纤维直径等)对孔隙内部渗流、钠离子浓度分布情况的影响,好差不同运行参数(入口流速,初始浓度)对钠离子浓度分布情况以及脱盐性能的影响。(3)基于三维纤维状电极,建立三维格子玻尔兹曼模型,从孔隙尺度研究脱盐过程中发生的物理以及化学反应,研究了电极内部钠离子浓度分布情况,包括孔隙内部以及纤维内部的钠离子浓度分布情况。并考察了不同电流密度以及孔隙率,纤维直径等因素对孔隙内部和纤维内部钠离子浓度分布情况以及对脱盐性能的影响。通过上述二维以及三维工作得到了脱盐电池纤维状电极内部脱盐机理。

关键词： 降阶均匀化   有限元方法   损伤模型   孔隙缺陷   编织复合材料  

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度、高比强度、结构可设计性、耐化学性能等优势,在航空航天、电子、医疗、交通等多领域内得到广泛的应用。然而在制造过程中,不可避免会产生各种制造缺陷,例如孔隙缺陷。这些缺陷成为影响复合材料力学性能的关键因素之一。同时,三维编织复合材料的力学性能也受到其结构复杂性的影响。基于此,本文以含孔隙缺陷三维编织复合材料为研究对象,分别提出了一种结合理论模型和有限元方法的自微观到宏观的多尺度方法以及一种耦合各个层级的高阶三尺度降阶均匀化方法。此外,建立了损伤模型对三维编织复合材料的损伤破坏行为进行研究。 首先,利用Mori-Tanaka方法和扩展双夹杂方法建立理论模型,对含孔隙纤维束的刚度进行预测,讨论孔隙率、孔隙形状、孔隙位置和界面力学性能对纤维束刚度的影响。同时建立纤维束的有限元模型,通过在基体单元中随机选择满足孔隙率的单元并降低其力学性能来模拟孔隙,并分析几何模型和边界条件对有限元计算结果的影响。然后,结合所建立的理论模型和有限元方法,对三维编织复合材料的刚度进行研究。 其次,为了研究三维编织复合材料的损伤行为,以Hashin失效准则作为纤维束的损伤起始判据,最大主应力损伤准则作为基体的损伤起始判据。采用线性损伤演化模型,并根据Murakami-Ohno损伤模型,编写UMAT子程序实现对三维编织复合材料的损伤分析。对Chamis强度模型进行修改以计算含孔隙纤维束的强度。 最后,详细推导高阶三尺度降阶均匀化理论,并在理论的基础上建立多尺度算法,包括初始化、每个宏观尺度积分点的应力更新和后处理三个阶段。本文在ABAQUS中实现三尺度降阶均匀化方法,自行编程实现高阶三尺度降阶均匀化方法。通过有限元直接计算的结果比较,证明编程计算结果的准确性。然后对三维编织复合材料的宏观结构件进行了线弹性和非线性损伤分析。

关键词： Pore structure  

摘要： This study aims to further investigate the stimulation effect of pulsed ultrasonic excitation on coal pore structures. Using an ultrasonic excitation test system for gas-containing coals, this study conducted ultrasonic excitation tests on coals under continuous and interactive pulses with ultrasonic power of 800 W and 1 000 W. Through low-pressure CO2 adsorption tests, low-temperature nitrogen adsorption tests, and the mercury injection capillary pressure (MICP) tests, this study explored the evolutionary patterns of parameters of various coal pores with full-scale pore sizes, including macropores (> 50 nm), mesopores (2‒50 nm), and micropores ( mesopores > macropores. (2) Compared with those having undergone continuous or no ultrasonic excitation, coal samples that experienced pulsed ultrasonic excitation exhibited increased pore volumes and specific surface areas of various core pores. (3) With an increase in the number of pulsed ultrasonic excitation, the increased amplitude of the pore volume and specific surface area of coal pores increased linearly. Most especially, macropores presented significantly high increased amplitude. Pulsed ultrasonic excitation caused the continuous transformation between the water hammer pressure stage and the stagnation pressure stage, which increased the level of damage to coal pore structures. Developing pulsed ultrasonic emitters, combined with hydraulic technology, can improve the developmental degree of coal pores, coal permeability, and gas drainage efficiency. © 2023 Chinese Journal of Network and Information Securit. All rights reserved.

关键词： 纤维材料   液膜   孔隙尺度   蒸发   热辐射   多相流动  

摘要： 作为一类多孔介质,纤维材料在工业技术中应用广泛。其中,耐高温纤维隔热材料,是高超声速飞行器被动热防护的重要技术手段。但随着高超声速飞行器速度和航程的提高,基于纤维隔热材料的被动热防护技术将难以满足热防护需求,必须探索新的热防护技术手段,例如主动冷却技术。 液体发汗冷却,是一种基于工质汽化相变的高效主动冷却技术,在高性能空天发动机和高超声速飞行器热防护领域有着诱人的应用前景。但目前广泛研究的主动发汗冷却技术,受技术系统复杂性和过程的不稳定性等限制,会增大飞行器热防护系统的设计和应用难度。若将纤维隔热材料与液态工质相变相结合,利用低含湿量的纤维材料形成自驱动的发汗冷却系统,有望构建一种将主被动防热机理巧妙结合、适应性强的轻质化新型热防护系统。 基于上述认识和技术思路,本文以含有湿份的纤维材料为研究对象,对高温和强热流加热下材料内导热、辐射、对流、蒸发的热质耦合输运过程,通过逐层递进的方法,开展了孔隙尺度的分析模型、数值方法和机理特性研究。 流体体积分数(VOF)法被广泛用于求解气-液两相流动和传热问题,但对于蒸发和对流传热传质孔隙尺度求解,还存在虚假流等不适用性。本文通过引入附加作用力替代表面张力、提出蒸发源项的并行计算策略,改进了VOF方法,建立了多相流动与蒸发问题的孔隙尺度精细化VOF求解模型和计算方法,解决了孔隙尺度模拟中的虚假流问题,提高了求解效率。在此基础上,开发了蒸发与对流传热传质的改进VOF法计算源代码。 针对多相流VOF模拟不能给出确定气-液界面、无法与辐射传输模拟耦合的问题,提出了基于VOF求解的流场信息、采用等值线法构建连续的气-液相界面、以此作为辐射传输求解边界的耦合求解技术,实现了纤维材料内孔隙尺度对流、蒸发的VOF模拟与辐射传输的蒙特卡罗射线踪迹法(MCRT)求解的耦合计算,开发了耦合求解计算源代码。 在对改进VOF法、MCRT法及其计算代码可靠性的验证基础上,对非对称辐射加热下的液滴以及纤维杆表面液膜的蒸发特性进行了模拟分析,考察了辐射源、外流场、纤维杆分布形式等因素对蒸发过程中热质输运行为的影响。 针对含液膜纤维材料复杂结构蒸发与辐射、对流、导热孔隙尺度耦合求解的巨大计算量问题,提出基于纤维材料二维等效截面的液膜区域法求解模型。首先构建了纤维材料的二维等效截面,通过材料渗透率模拟,证明了等效截面能够在孔隙尺度下正确表征纤维材料。基于二维等效截面,构建了流动与传热的液膜区域法,对气相与液膜实施分区计算、界面信息耦合传递的求解策略。通过模拟,分析了液膜蒸发过程中关键物理量的演变机制,考察了材料内含湿量、孔隙率、蒸汽流动方向以及纤维表面辐射与液膜介质辐射对蒸发过程的影响。 进一步,采用von Mises分布描述三维空间内纤维的各向异性随机分布特性,构造了贴近真实结构的纤维材料孔隙尺度表征模型,并对表征方法的可靠性进行了验证。基于三维表征模型,采用衰减自由程理论和MCRT方法对纤维材料的辐射平衡温度、等效介质辐射特性参数以及液膜的影响进行了预测分析。在此基础上,将液膜处理为边界和热阻,提出了求解含液膜纤维材料流-固耦合传热传质问题的液膜边界模型,开发了计算源代码。通过数值模拟,分析了强辐射热流和高温边界下,纤维材料的各向异性特征参数、导热性能及辐射特性参数对孔隙尺度下流动与蒸发过程的影响。 通过研究,建立了含液膜纤维材料内蒸发与导热、对流、辐射耦合的热质输运过程的孔隙尺度数值分析模型和计算方法,开发了相应的计算源代码;同时,获得了强辐射热流和高温加热下,纤维热辐射效应等多种因素对纤维表面液膜蒸发的孔隙尺度影响规律。为此类问题的进一步深入研究,奠定了理论基础、数值方法和分析工具。

关键词： 碳纤维复合材料   孔隙缺陷   多尺度模型   人工神经网络  

摘要： 碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP）凭借其高比刚度、高比强度、优异的耐久性和设计上的多变性,在航空航天等领域得到了广泛应用。由于CFRP材料制造过程中难以避免引入孔隙缺陷,开发和拓展针对孔隙的复合材料力学预测模型,这对于降低复合材料试验成本及提高复合材料力学性能数据获取的准确性均有重要价值。为了进一步研究孔隙缺陷对CFRP层合板力学性能的影响,并提高复合材料设计的效率,本文针对多角度铺层的CFRP材料,使用X光计算机断层扫描技术还原孔隙真实形貌及分布特征;基于孔隙真实特征数据,建立了对应的顺序多尺度模型（Sequential Multiscale Modeling）,结合试验与仿真手段研究了孔隙形貌及分布特征对材料宏观拉伸力学性能及损伤失效形式的影响;应用反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）降低仿真的计算成本,实现预测模型的快速响应。综合本文的主要研究内容,取得的研究成果如下:（1）制备了单向（[90]8）、正交([90/0/90/0]2S)和准各向同性([45/90/-45/0]2S)三种不同铺层角度的CFRP层合板,分别制作试样进行拉伸试验并获得了拉伸力学响应结果;通过X光计算机断层扫描试验检测层合板孔隙缺陷,针对层间孔隙和层中孔隙,提出了特征参数定量地描述三维孔隙模型,高度还原了孔隙的形貌及宏细观分布特征,为本文提出的含孔隙CFRP材料拉伸力学性能的多尺度预测模型建模提供数据支撑。（2）基于孔隙表征试验获得的孔隙形貌及分布特征,提出了一种含孔隙CFRP材料的宏细观多尺度预测模型来预测其拉伸力学性能及损伤失效形式。细观尺度上,提出了含孔隙的细观RVE重构算法,真实地还原了孔隙在细观尺度上的形貌特征。通过对含孔隙细观RVE模型进行有限元仿真求解来获得材料等效力学性能,结合孔隙的宏观分布特征,将通过均质化手段得到的材料等效弹性性能及强度性能输入到宏观尺度的层合板模型进行宏观力学有限元仿真求解,从而得到CFRP材料的宏观拉伸力学响应结果,对比力学试验结果基本一致。提出的含孔隙的CFRP材料的多尺度预测模型在细观尺度上真实地还原了孔隙形貌及分布特征,相比未考虑孔隙缺陷的多尺度模型,能够实现对CFRP材料拉伸力学性能更为准确的预测。（3）提出了一种含孔隙的双层菱形RVE模型来捕捉多铺层角度层合板层间区域的损伤机制,同时获得其等效力学性能。通过在双层多角度铺层RVE模型中引入随机分布的纤维和孔隙,来模拟孔隙在多角度铺层层间区域的分布。菱形RVE模型可代表任意角度铺层CFRP层合板的层间区域,使得本文提出的多尺度预测模型能够应用于各种铺层角度及铺层厚度的CFRP层合板,拓展了预测模型的应用范围与实用价值。（4）利用BPNN加速多尺度预测模型的结果输出,实现对含不同孔隙率、孔隙形貌及分布的CFRP材料拉伸力学响应曲线快速、准确的预测,大幅降低了多尺度模型的计算成本,节省材料性能试验大量人力物力的损耗,提高了复合材料设计的效率。