关键词： 质子交换膜燃料电池   多孔介质   格子玻尔兹曼方法   多相反应流   相变传热  

摘要： 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)被认为是极具潜力的绿色能源转换系统。然而,PEMFC在低温环境下的适应性难题是制约其规模化应用的瓶颈之一。PEMFC内微纳多孔介质作为实现能质运移、转化、存储的核心场所,其内部多相反应流与相变传热机理是影响燃料电池在低温下稳定可靠运行的关键内因。由于PEMFC内微纳尺度多孔介质有着更复杂的微纳结构,其多孔骨架内孔隙流动和固液相变机理的研究尚不充分,亟需构建涉及电化学反应-多相流动-相变传热-组分输运等多物理场耦合的数值计算模型,以揭示各个因素相互作用的影响规律。本文主要按照燃料电池实际低温启动过程中多孔介质内的冻结、融化和多相反应流动的顺序进行研究。在本文中,首先揭示了温度诱导微纳多孔介质内的相变传热过程,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,提出了冻融率与傅里叶数关联式;而后基于相变传热模型,考虑电化学、相变传热和多相流动等多场耦合作用,揭示了低温环境下微纳多孔介质内多相反应流动机理。为最终突破低温环境中燃料电池适应性差、可靠性差和性能衰减等技术瓶颈奠定理论基础,同时促进了多孔介质内多相流动与相变传热理论的创新与发展。 具体的研究内容与结论如下: (1)建立了气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)多孔骨架内部液态水冻结模型,基于液滴撞击和比例放大GDL冻结实验验证,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,探究了初始温度、冷却温度和孔隙率对多孔骨架内部液态水冻结的影响,提出了冻结率关于傅里叶数关联式。结果表明,在冻结过程中,低温一方面由外向内的传导,另一方面从碳纤维向液体内传导,这两种作用下使液态水温度下降。在冻结初期,由于碳纤维的强化传热作用,使得碳纤维附近的液态水先发生冻结。在冻结后期,由于低温导致了液态水部分区域产生了温差,热对流作用使得部分液态水温度保持平稳,初始温度的提高延缓了GDL内部液态水的冻结。随着冷却温度的增大,冻结所需要的时间迅速增大。孔隙率的增大导致GDL中心的相对温度下降。随着纤维直径的增大,冻结率整体呈现上升的趋势。当冷却温度为233 K时,GDL内部液态水全部冻结所需要的傅里叶数最小,其值为0.0175。 (2)建立了催化层(Catalytic Layer,CL)气态水凝华孔尺度模型,揭示了内部结霜行为,分析了初始温度、释放气态水粒子数、碳载体直径、碳载体体积分数等因素对气态水凝华过程的影响。结果表明,在催化层凝华过程中,气态水粒子很容易在碳载体分布稀疏的区域聚集形成霜晶。随着低温逐渐传导至催化层,冰晶逐渐向催化层内的通道移动,霜层逐渐变厚。当冷却温度为233 K时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为0.96。随着释放粒子数量的增加,厚度不会明显增加,但霜层宽度会增加,使得平面部分的霜层更加均匀。当释放粒子数为100时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为1.08。碳载体直径与最终到达冷表面的粒子数量有关,当碳载体体积分数为0.25时,霜层突破催化层所需傅里叶数最小,为0.96。 (3)建立了GDL融冰孔尺度模型,明晰内部固-液两相界面演化的时空尺度过程,探究了初始温度、加热温度和孔隙率对GDL融冰率的影响,提出了融冰率和傅里叶数关联式。结果表明,在GDL融冰过程中的热传导过程初期,由于碳纤维的热扩散率较大,碳纤维的温度显著高于固态冰的温度。当冰完全融化后,由于温差导致液态水内部产生热对流,进一步导致液态水的温度升高。随着初始温度的升高,GDL内热传导速度逐步加大,高温区域面积逐步增加,GDL中心温度逐步升高。当初始温度为253 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.8。加热温度的提高会加快固液界面的移动。同时,加热温度的提高也会显著加剧固液界面的不均匀度。当加热温度为363 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.63。孔隙率的增加使得固液界面的移动速度呈现上升的趋势。随着纤维直径的增大,固液界面表面变得越来越平滑。当孔隙率为0.8、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.61。仿真数据与所提表达式吻合较好。 (4)建立了低温环境下GDL内多相反应流孔隙尺度模型,揭示了低温环境下气体扩散层内多相反应流动特性,研究了微孔层入口孔隙参数、多孔骨架参数和初始冰滴的影响。结果表明,在气体扩散层多相反应流动过程中,当液态水从底部逐渐渗透到GDL时,底部的氧浓度迅速下降,导致电化学性能下降。随着氧气逐渐渗透GDL底部,由于电化学反应产热,底部温度逐渐升高。进入GDL的水会逐渐向GDL通道内运动,并逐渐填充孔隙区域。这是由微孔层孔隙中向上的速度和毛细压力共同造成的结果。增加孔隙宽度会导致GDL中液态水体积的增加,从而使得更多的液态水积聚在GDL内部,导致电化学性能下降

关键词： 压裂改造   页岩储层   四连通域   分叉裂纹   气体吸附   多尺度运输   有限元方法   产量预测和评估  

摘要： 随着常规石油天然气资源的日渐枯竭,以页岩气为代表的清洁能源开采利用规模逐渐攀升,以满足人类不断提高的资源需求。其中,页岩储层中的多尺度裂缝-基质传质理论突破是页岩气勘探开发,特别是产能评价的核心要点。事实上,页岩气藏的开发是一个复杂的多尺度多物理耦合过程,由于页岩基质是一个包含大量微裂缝的纳米多孔结构,只有对页岩基质-裂缝体系的相互作用形式有深入的认知,才能进一步发展和提出适用于描述页岩气在页岩基质中运移和开采行为的力学理论模型。随着水力压裂和水平钻井等先进技术在页岩气藏开发中的应用,在页岩的压裂过程中,水力裂缝一旦形成,它就会从基质扩展并与微裂缝连接,并逐渐延伸至生产井,最终形成页岩气输运的完整通道,因此如何理解页岩中裂缝-基质多尺度输运行为不仅是关乎非常规油气资源开采的科学问题,也是一个关键的力学问题。页岩气开采过程中的传质行为被称为四联通域传输,是一个横跨纳米尺度(有机质)、微观尺度(非有机质)、介观尺度(微裂缝)和宏观/储层尺度(水力裂缝和生产井)的跨尺度运移过程。该运移过程涉及一系列的关键科学问题亟待解决,包括跨尺度的气体转移、传输、基质收缩和最终产出预测等。如何描述页岩气在储层不同尺度孔隙中的运移,并表征页岩气运移导致的页岩地层变形,是页岩气藏高效开采的先决条件。本文综合考虑了气体的储存方式、储层的多域性(有机质、无机质、微裂缝、水力裂缝和生产井)、气体运移方式等重要因素,建立了数值模型并对页岩气产量进行了预测。本文采用基于有限元方法求解描述页岩气运输的偏微分方程,同时也提出了一种长短时记忆(LSTM)网络来提高计算效率的方法,以实现对页岩气最终产量的快速预测。以下是本文工作的主要贡献。1.系统揭示了气体在页岩有机质中的贮存和吸附机理。对于页岩气在有机质孔隙中的储存,采用Langmuir等温线(单层)和Brunauer-Emmett-Telle等温线(多层)描述了气体在有机质层中的吸附,并在此基础上,推导了新的过量吸附方程和绝对吸附方程,定量表征了以往研究中忽略的溶解气体的贡献。本文得到的气体吸附模型与实验结果吻合较好。模型表明随着压力的增加,吸附气含量急剧增加,而后在一个过渡阶段轻微减少,这个阶段之后,吸附气体的含量不再受压力增大的影响。在一定压力条件下,过量吸附和绝对吸附对孔隙中气体的含量起着至关重要的作用,但绝对吸附比过量吸附产生更多的气体。气体总吸附量远大于单纯吸附量或溶解气含量,说明溶解气体在储气研究中至关重要,其贡献不可忽略。此外,压力的变化决定了溶解气向吸附气和自由气的转变。在采出过程中,采出井周边地区的吸附气压力低、浓度低,而远离采出井地区的吸附气压力高、浓度高。本研究表明,压力、层数和体积是影响气体储存量的主要因素。2.建立双连通域模型对气体的基质-裂纹运移行为进行了深入分析。针对地下储层具有多条纵横交错的随机天然裂缝的特性,提出了六组基质-裂缝模型(双域),其中两组长裂缝在其中部区域正交连通,其余四条短裂缝则以偏移或相交的方式在其端部连通。此外,注入井和采出井分别位于模型左右边界的底部和顶部。由于考虑的压力和温度均低于超临界条件,裂缝中气体的储存行为采用Langmuir等温吸附模型来描述。与随机裂缝不同,纵横交错裂缝提高了基质中气体通过裂缝迁移到采出井的速度,从而提高了气体的整体交换和输送效率。同时,裂缝和基质性质直接影响页岩气的采收率,按照影响能力可排序为裂缝长度、基质孔隙度、基质渗透率、吸附体积、天然裂缝数量,而裂缝间距的增大则会显著降低页岩气的采收率。该模型的研究,体现了工程力学在微观和宏观尺度上分析输运的优势。3.发展双连通域模型来描述页岩气的多尺度传输行为。通过将基质分为有机质和无机质,将裂纹分为自然裂纹和激发裂纹,双连通域模型被扩展为多尺度的四连通域模型,用于研究基质变形和页岩气的储存、交换、输运和回收行为。在页岩气开采过程中,激发裂纹中的自由气首先逸出,降低了采出井和激发裂纹周围的压力,而后,自然裂纹中的高压气体运移到压力较低的激发裂纹中,最终汇聚到采出井。当自然裂纹中的压力降低时,无机质中的高压气体开始参与传输。最后,当非有机质中的压力降低到临界压力以下时,有机质中的高压气体逐渐开始扩散。实际页岩储层的各个域是相互关联的,气体可以在域间交换,本文建立的数值模型可以很好的描述这一特性。研究结果表明将储层分为双连通域和四连通域的结果有很大的差异,表明建立四连通域模型是必要的。总的来说,基质和裂缝性质,特别是裂缝的几何形状以及无机质和有机质的孔隙度,对页岩气的采收率有积极影响,而孔隙体积和变形性质则对采收率产生了消极影响。这种多域建模方法对于揭示从纳米尺度到宏观尺度的气体交换机理至关重要,也为现场施工参数的优化提供了指导。4.对页岩裂缝-基质结构的四连通域模型进行了修正,使其包含未激发

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。

关键词： 混相   乙醇-癸烷体系   微流控   Micro-PIV   分子动力学模拟  

摘要： 相较于用水开采岩心中的原油,研究者发现混相驱替的方法能够大大提高采收率,其中以作为驱替相被学者广泛关注,从孔隙尺度角度结合微观可视化芯片利用无水乙醇和正癸烷针对混相驱替模型,建立了相应的可视化系统实验表征混相驱过程的运移规律和流动机理,利用分子动力学模拟方法,从分子模拟角度研究了超临界二氧化碳（sc CO2）驱替癸烷过程的混相流动运移规律。具体研究内容如下:（1）利用均质可视化芯片模拟岩层多孔介质,分别用无水乙醇和正癸烷溶液作为驱替相和被驱替相,设置了水平、垂直向上和垂直向下三种驱替方向,研究了混相驱替的混相带形成及演化过程,分析了注入流量对混相驱替稳定性的影响规律,研究发现水平驱替在注入流量为90μl/min时采收率最高,垂直向上驱替过程中受到重力作用在120μl/min注入流量下采收率最高。（2）利用micro-PIV的粒子成像测速系统,将示踪粒子溶解在乙醇中研究部分混相驱替的运移规律,发现0.5μL/min、0.8μL/min、2μL/min、5μL/min和8μL/min的五种注入流量下,驱替前缘较为平稳,在视场观测范围内产生较小的海恩斯跳跃,低流速0.5μL/min、0.8μL/min跳跃较大,虽然在低流速下局部发生了较大的速度跨越,但整体来看,部分混相驱替相较非混相驱替更加平稳。（3）利用分子动力学方法模拟混相驱替过程,设置了单孔隙、平行孔隙和连通孔隙模型来模拟岩心多孔介质,研究发现超临界状态下CO2分子和癸烷分子与二氧化硅表面的亲和力不同,CO2分子更容易形成-OH,使其更容易吸附在二氧化硅表面,因此癸烷分子从二氧化硅表面剥离,在驱动力的作用下被带出孔隙,提高了采收率,越复杂的孔隙对癸烷分子的吸附性越大,癸烷分子越不容易被带出孔隙。

关键词： 真空冷却   数值模拟   结构重建   热质传递   烘焙食品  

摘要： 真空冷却技术是一项通过水分在低压状态下迅速蒸发而获取冷量的快速冷却技术,具有高冷却效率、节能和环保等优势而备受关注。然而,由于存在水分蒸发而造成食品高失水率的问题,限制了其商业价值。因此,如何实现真空冷却技术与装备的升级一直是国内外学者的研究关注点。本文以高附加值的含湿多孔介质芝士蛋糕为实验对象,通过显微图像结合图像算法重建食品的孔隙结构,使用计算机仿真软件建立真空冷却过程的多尺度数值模型,并搭建多尺度真空冷却观测平台以实现模型验证与冷冻过程控制。本研究通过探索真空冷却过程食品的热质传递规律与品质变化,以期为适用于烘焙食品真空冷却技术与装备的更新迭代提供理论和技术支撑,得出主要结论如下:1.芝士蛋糕的微观结构中具有大小不一、均匀分布的孔隙空间,其微观结构符合多孔介质模型假设。Voronoi镶嵌和椭圆拟合两类镶嵌算法均能形成较好的二维拓扑结构,其优化算法结果与真实结构更为接近。经图像定量比较分析得知,两种椭圆拟合算法更适用于孔隙空间的近似拟合（p>0.05）。其中,随机椭圆拟合（REF）算法具有消除伪影和降低计算机资源的优势,更适合作为芝士蛋糕孔隙空间的近似拟合算法。2.建立蠕动流模型以分析不同压力梯度下流体在孔隙结构中的流动情况,在孔隙空间中的喉部区域,流体的流速较大,流体在出口边界上倾向位于居中区域流出,不同压力梯度下流体在孔隙结构中的流动速度满足正比例关系(P=1.8×10μ)。通过Darcy定律计算孔隙结构的表观特性参数(渗透率k=2.55×10 m),实现多尺度桥接。3.建立多孔介质模型描述真空冷却过程的气液两相转变与迁移以成功预测样品在真空冷却过程中的温度、水分迁移及腔体压力变化。在真空冷却过程中,模型预测的腔体压力（R2=0.9998）、温度（表面R2=0.9948、中心R2=0.9855）和水分含量（R2=0.9845）变化与实验结果均具有较强的一致性。4.搭建了多尺度真空冷却平台,具备多尺度水分迁移检测系统和温度变化检测系统。此设备能通过重量传感器和核磁共振（NMR）检测水分状态与水分含量变化;通过温度传感器和红外测温仪检测温度变化及温度场分布。真空冷却处理后,样品表面的黄色色泽变淡,明亮度增加;硬度、脆度、粘度和紧固性均有所降低;表面形态基本不变,内部的孔隙结构变大。

关键词： 土体冻结   颗粒级配   孔隙水迁移   格子Boltzmann方法   未冻水含量   渗透系数   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,而土体中的水气迁移和冻结相变过程是解释冻胀机制的关键。目前,对冻土孔隙尺度的水分迁移过程和细观成冰机制仍然缺乏清晰地认识和有效的研究手段,而介观尺度的数值方法为这一研究提供了可能。本文基于格子Boltzmann方法、热力学和冻土物理学理论建立了介观层面的土体冻融数值模拟程序,从宏观水分、冰晶和温度等的分布情况,到细观冰、水和气在孔隙中相变的可视化过程,多个角度揭示冻土成冰机理。首先,提出孔隙水冻结温度算法并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,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。结果发现,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(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。随后,依据级配曲线重建土样的多孔介质结构,并引入参数η修正孔隙水冰点的数值算法,构建了一个模拟土体冻融相变过程的数值方法。对5种不同土样的冻结过程进行模拟分析,其SFCC的数值解与试验值基本吻合。修正系数η取值在0.1～0.2之间,与土样类型和级配特征不相关;数值模拟方法对砂土、粉土等粘粒含量少(<15%)的冻土预测更准确。土体冻结状态与级配特性相关,不均匀系数C和曲率系数C越大,则土体冻结过程中的过冷度与残余水含量越低,且C比C的作用更显著。最后,引入Shan-Chen单组分多相流动模型和多孔介质水热耦合相变模型,完善了冻土水气迁移和冻结模拟程序,实现了流-固接触角调控、气液两相分布和流动,以及冻土渗透性的数值分析。多孔介质中,接触角、饱和度和体积力都会对两相流体的密度分布和流动速度产生影响。冻土渗透系数的数值解和试验值拟合较好,基本处于同一数量级;随着温度降低,大孔隙逐渐冻结,孔隙连通性变差,未冻水整体处于极缓慢的流动状态,导致渗透系数下降。图47幅,表8个,参考文献115篇

关键词： 孔隙尺度模型   气体扩散层   多孔生物质   铜泡沫   潜热储能装置  

摘要： 在多孔介质仿真方法中,宏观多孔介质法具有计算简便的优点,而孔隙尺度建模法能够更准确、详细地表达孔隙空间内的信息。过往关于多孔介质孔隙尺度建模的研究往往面临着孔隙空间难以成像、成像后难以模型化、正交网格模型边界粗糙、孔隙空间信息损失过多等技术难题。为了解决以上难题,本文中提出了能够完整保留多孔介质真实孔隙空间的建模-仿真流程,该流程中的建模过程主要基于分布函数法和图像处理法。基于该流程的三维重构模型经过几何清理操作后,具有清晰明确的边界,可以用来生成适合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真的网格。这种能够表述真实孔隙空间的模型能够克服过往研究中存在的诸多技术难题,并且能够将分布统计作为多孔介质研究的主要数据分析手段。 不同多孔介质的孔隙尺度差异巨大,涵盖了纳米级到毫米级的范围。多孔介质中很多微小的孔隙难以通过显微镜下的图像识别,因此对不同多孔介质实际的建模方法需要根据尺度与孔隙空间结构特性确定。本研究以多孔介质被广泛研究的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）、多孔生物质裂解以及潜热储能装置（Latent Heat Thermal Energy Storage,LHTES）的应用背景为例,说明不同尺度下孔隙尺度实体建模的方法,并对该背景下的多孔介质特性进行详细的分析。 在对PEMFC中气体扩散层（Gas Diffusion Layer,GDL）的孔隙尺度建模及仿真过程中,使用分布函数建模法,完成了导电碳纸的两类三维空间重构。提出了准确度更高的最大球分布计算方法,并统计了基于最大球分布的孔径分布。 在单相渗透性的研究中,通过计算层间渗透率参数来拟合渗透率K随高度（位置）h变化的计算公式,该公式可用于对宏观多孔介质模型的修正。在两相流动的部分,研究了碳纸中离散液滴和平整液膜在不同接触角下的自分裂情况。还研究了不同压差和疏水性工况下GDL中的两相驱替特性。结果表明: 当疏水性GDL充满直径为140μm的水滴时,这些水滴迅速分裂成不同大小的小水滴。当疏水性GDL充满厚度为140μm的液膜时,液膜在零压差下很难通过分裂产生气体通道。在160~o接触角的疏水性下,10MPa的压差可以使水分完全入侵,而接触角降低为118~o时,1×10～5Pa的压差下,水分就几乎能够达成完全侵入。当水分侵入到极限、难以突破之后,两侧的压差会使进入的水分形成回流。在这类工况下,流体中的驱动力,即压差越小时,流体域中的水力扭转程度（水力扭转度的绝对值）越大。 在对以电加热卷烟（Electrically Heated Cigarettes,EHC）为例的多孔生物质建模及热裂解仿真过程中,通过图像处理识别多孔介质骨架轮廓的方式,完成了EHC含烟草段的孔隙尺度建模。通过实验测定了中心发热体温度以及抽吸循环中的进出口压差（流动阻力）,并完成了模型验证。将热解动力学模型与流体仿真方法、多孔介质孔隙尺度建模方法相结合,更准确的计算了固体域和气体域的温度分布与变化、组分的释放与传输。EHC微观结构的孔隙尺度模拟结果是高度可靠的。EHC的孔隙尺度模型可以准确、完整地描述流动、传热和成分释放。对EHC内部结构信息的完整描述也将促进对烟草片的堆积、排列、机械性能、通过流体和热解机制的研究。结果表明: EHC计算域中的温度逐渐波动上升,然后趋于稳定,温度上升的速度逐渐减慢。流体域中孔隙较大、孔隙间连通性强的部分,流动阻力较小,流速较快。整个含烟草段的热阻很大。中心加热元件的温度接近600K,烟草和流体区域的平均温度在稳定后低于460K。高温区主要集中在靠近发热体的地方。烟草中的尼古丁、甘油和丙二醇的释放率对温度的敏感性有明显差异。其中,丙二醇在低温和高温下均有较快释放速率,而甘油的释放速率在高温和低温条件下差异较大。 在对潜热储能装置传热强化的分析与研究中,通过直接建模法创建了铜泡沫十四面体对称结构的理想单元模型,该模型考虑了开孔泡沫骨架内部的封闭孔隙。随后对铜泡沫单元在浮升力与传热方向相同情况下的强化传热特性进行了分析,包括传热系数、温度、液相率等。由于热管的传热效率过高,因此在潜热储能系统宏观整机的背景中,更适合使用宏观均质法研究热管嵌入对潜热储能系统的传热强化、热量传输分配机制。提出了潜热比例、潜热比例差等评估潜热储能系统中热量传输分配的评估参数,并对多层嵌入式热管和仿生热管模型进行了结构优化。对潜热储能装置的研究结果表明: 在铜泡沫单元中,当浮升力的方向与传热方向相反时,浮升力的作用反而会减缓融化的整体进程。即使是对铜泡沫单元对PCM的强化传热过程中,材料融化带来的浮升力作用也是不可忽略的,当浮升力方向与传热方向相同时,浮升力的效果更加明显。铜泡沫的高导热率使其能够

关键词： 孔隙网络模拟   范德华力作用   双电层效应   吸附水膜   渗流规律  

摘要： 低渗致密储层渗透率低、比表面积大,存在大量的纳微米级孔隙。当流体在纳微米级孔隙中流动时,固体壁面与流体之间的界面作用增强,微观力作用不可忽略,流动表现为靠近固体壁面处流体黏度增大、双电层效应显著以及孔隙内吸附水膜比例增加,这将对孔隙内流体流动规律产生显著影响。然而,纳微米级孔隙内微观力作用对油水两相渗流规律的影响程度尚不清晰,难以给出其对实际油藏开发效果影响和准确模拟预测。为此,本论文以纳米尺度力学特性实验为基础,通过DLVO理论模型(范德华力和双电层力)、扩散双电层理论模型与孔隙网络模拟相结合的方法,系统研究了微观力作用对油水两相渗流规律的影响。主要的研究工作有:(1)基于接触模式的原子力显微镜(AFM),分别在水湿和油湿基底上,探寻去离子水和聚合物溶液环境中AFM探针与SiO2之间的形貌特征及作用力变化特征。亲水环境中,当AFM探针与固体表面之间的距离超过8.3nm之后,DLVO理论计算的力与所测得微观力吻合较好;疏水环境中,AFM探针与固体表面之间的距离超过10.6nm之后,DLVO理论计算的力与所测得微观力吻合较好。故在一定距离之后固液界面微观力中的范德华力和双电层力起到主导作用。(2)通过修正的流体黏度模型表征范德华力对流体流动的影响,建立了考虑范德华力作用的纳微米孔隙内单相流体流动数学模型,并扩展到考虑范德华力作用的油水两相三维准静态孔隙网络模型。研究了范德华力作用对不同润湿条件下剩余油分布以及油水两相渗流规律的影响。结果表明:范德华力作用对水湿条件下剩余油分布影响显著,而对油湿条件下剩余油分布的影响较小;范德华力作用对驱油效率的影响随油水接触角的增大先增强后减弱,且对中性润湿条件的影响最强,而对强油湿条件影响最弱。(3)针对地层水在纳微米孔隙中流动会产生双电层交叠的问题,将普适性更强的Poisson-Nernst-Planck方程和Navier-stokes方程相结合构建了压力驱动下纳微米孔隙内单相流体流动数学模型。采用有限元数值模拟方法进行求解,并利用一维微圆管流动实验对数值模拟结果进行验证。随着孔隙半径的增大,双电层效应对纳微米孔隙内单相流体流动的影响先增大后减小。在单相传导率计算模型的基础上获得角隅处水相传导率,建立了考虑双电层效应的油水两相三维准静态孔隙网络模型。明确了双电层效应对油水两相渗流规律以及剩余油分布的影响,揭示了双电层交叠是双电层效应对纳微米孔隙内流体流动产生影响的根本原因。(4)通过AFM接触模式测量结果可知,在亲水条件下,由于范德华力和双电层力共同作用的影响,水相与固体壁面之间会形成稳定的吸附水膜。采用DLVO理论计算吸附水膜厚度,建立了考虑范德华力和双电层力共同作用的油水两相三维准静态孔隙网络模型。研究了范德华力和双电层力共同作用引起的吸附水膜对纳微米孔隙内流体流动特性、油水两相渗流特征和剩余油分布的影响。结果表明:当单个孔隙半径小于10μm时,吸附水膜对纳微米孔隙内油水两相流动的影响不可忽略;随着平均孔隙尺寸的减小和油水接触角的增大,吸附水膜对驱油效率的影响逐渐增大;吸附水膜对剩余油分布的影响显著,其中油水混合状剩余油受吸附水膜的影响最大;范德华力和双电层力的共同作用不仅阻碍了水相流动,而且减少了油相的可流动孔隙空间,对流体流动产生阻碍作用。本论文的研究成果可为纳微米孔隙内渗流规律认识和剩余油挖潜提供理论技术指导。

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： 格子Boltzmann方法   多孔介质   孔隙尺度   气液两相流  

摘要： 多孔介质气液两相流动作为关键共性基础研究之一,在能源和环境领域有着重要的应用。在能源利用方面,多孔介质两相流研究正从传统的以提高油气藏资源开采率为主的方向逐步向电化学能源储存和转化技术以及核能发电利用技术等方向拓展;在环境保护方面,二氧化碳的地质封存和地下水污染的监测及治理等同样离不开多孔介质中的两相流动。因此,本课题拟应用格子Boltzmann方法对多孔介质内气泡和液滴的流动过程进行模拟,开展液滴在多孔介质中的流动实验,探究孔隙尺度下流体渗流机理和基本规律。 采用基于Shan-Chen伪势方法的单组分多相模型和改进的大密度比多组分多相模型,通过拉普拉斯定律验证模型的精度,获得流体间表面张力。通过模拟毛细管上升高度并与理论值对比,验证模型的准确性。通过接触角验证获得固体壁面接触角与固液作用系数之间的数学关系表达式。 采用基于Shan-Chen伪势方法的单组分多相模型模拟多孔介质中气泡浮升流动过程。结果表明,气泡穿过多孔介质过程中速度上下波动,呈现出周期性振荡。气泡离开多孔介质上表面时,气泡速度达到最大值。多孔介质壁面接触角越大,气泡通过多孔介质所用的时间越长,气泡在接触角150°的多孔介质中流动时会被“捕获”。多孔介质孔隙率对气泡流动特性的影响较润湿性更为显著,孔隙率越高,固体基质的表面越平滑,对气泡黏附作用越小,越有利于气泡顺利通过多孔介质。 采用基于Shan-Chen伪势方法改进的大密度比多组分多相模型模拟液滴在含通道多孔介质中动态输运过程。结果表明,液滴在受限通道内受自驱力作用会发生定向输运。通道倾斜角对液滴输运速度的影响较通道润湿性更为显著。对于液滴在含通道多孔介质中的动态输运过程,提高多孔介质的润湿性,有利于液滴在其任意方向上的吸收扩散。当多孔介质孔隙率为0.95时液滴无法完全流出通道。梯形和矩形通道结构更有利于液滴的动态输运。当液滴受到重力时,含倒梯形通道的多孔介质中液滴停留在通道侵入过程。 针对液滴在含微孔的多孔双膜结构中的流动过程开展实验研究。结果表明,当微孔内壁亲水时液滴才能实现动态输运。且微孔宽度越大,液滴表观接触角减小到零用时越少,液滴在微孔宽度为0.32mm条件下所需时间滞后于微孔宽度为0.56mm条件的三倍之多。