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： 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： 接触角   颗粒级配   吸水过程   脱水过程   滞后效应  

摘要： 地下水作为一种重要水资源备受人们关注,地下水的污染问题体现在日常生活的方方面面,非饱和带作为污染物进入地下水的主要通道,农业和工程问题重点关注对象,具有重要的研究意义。两相流方法作为研究两相不相溶液体和非饱和等问题的工具受到国内外研究者的广泛关注,然而国内外学者对两相流的研究关注点多集中于油藏方面。本文采用有限元方法对两相渗流进行模拟,通过二维孔隙尺度非饱和土体水分运移模拟研究不同静态接触角和不同颗粒级配情况下吸水过程和脱水过程的特征变化。本文主要得出以下结论:(1)接触角随水分运移过程发生改变,静态接触角越大,接触角变化范围越小。土体的持水能力与接触角的大小有关,吸水过程模拟当中,静态接触角为120°或30°均具有较强的持水能力,土壤水分特征拟合曲线中残余含水率更大;在脱水过程模拟中孔隙部分水相被包裹并滞留在孔隙内,静态接触角为60°的土体中水相更易聚拢成团被滞留在孔隙当中,持水能力更强。静态接触角为60°吸水过程动态接触角最小值66.22°等于脱水过程动态接触角最大值66.22°,静态接触角为30°吸水过程动态接触角的最小值44.66°大于脱水过程动态接触角的最大值41.48°,吸水过程接触角>脱水过程接触角。通过微观接触角特征对比分析,同一情境下,接触角越大的土体脱水过程负压值越小,接触角越小脱水耗时越长。通过吸水过程模拟对比,静态接触角为60°水分运移过程三相较为稳定。(2)吸水过程模拟过程,不良级配土体水相饱和程度更高,具有更强持水能力。分析三种颗粒级配脱水过程土壤水分特征曲线,得出等粒径土体的水分特征拟合曲线更平缓,土体更不易脱水。良好级配吸水曲线和脱水曲线之间的最大宽度值为三种级配中最高,达到0.2554,表明良好级配的土体水分滞后作用越显著。两个主要影响滞后效应因素中“墨水瓶”效应的影响比接触角的影响显著。比较良好级配和不良级配土体,颗粒粒径越不均匀孔隙分布越不规则,“墨水瓶”效应越明显。但由等粒径土体干湿模拟拟合曲线结果可得,通过颗粒粒径均匀程度考虑孔隙分布的均匀与否进而推断“墨水瓶”效应是否明显还需结合土体颗粒粒径分布、颗粒位置分布等因素判断。(3)吸水过程气相被水相驱替可以通过孔隙通道,而脱水过程气相驱替水相的过程,气相难以通过孔隙通道,致使水相不能从孔隙通道中排出,水相以毛管滞留水形式存在于孔隙通道当中。随着干湿过程次数增多,脱水过程后期水分滞后现象越明显,气相驱替孔隙通道的水相难度增加,更利于孔隙通道保留水分。

关键词： 离子型稀土   核磁共振   孔隙尺度   多场耦合   离子交换与运移  

摘要： 离子型稀土浸出过程中,溶浸液通过矿体孔隙渗流,稀土离子被解吸并随之浸出。稀土离子的浸出与溶浸液渗流、离子交换及运移过程密切相关。本研究以龙南某离子型稀土矿山作为研究对象,基于矿柱核磁图像构建孔隙渗流通道二维几何结构。利用COMSOL Multiphysics软件建立孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合数值模型。研究不同注液强度和浓度的溶浸液渗流,稀土及铝离子的交换和运移过程。主要结论如下:(1)对取回矿样进行核磁共振扫描,将核磁共振图像进行矢量化处理得到孔隙二维几何模型。基于Navier-Stokes方程,考虑离子交换反应及稀物质传递耦合作用模拟计算孔隙尺度下离子型稀土矿渗流-交换-运移过程,并与室内试验数据对比,验证了NMRI模型的可靠性。NMRI模型与室内试验结果浸出稀土离子浓度曲线都具有五个阶段,浸出峰值浓度分别为:7.89 g/L、7.75 g/L。NMRI模型体现了离子型稀土矿孔隙分布的不均匀性,更能够反映浸矿过程中稀土离子的交换与运移过程。(2)对不同注液强度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。注液强度导致孔隙各处流场的变化,随着注液强度增大,孔隙各处流速整体增大,促进对流为主的离子运移。离子扩散浓度差提高,促使交换反应正向进行,同时抑制稀土离子的反吸附。虽然注液强度增大使稀土离子更早浸出矿体,缩短浸矿周期加快浸矿过程,但导致浸出稀土离子峰值浓度降低。试验结果表明:将注液强度控制在0.50 m L/min至1.00 m L/min之间更加符合工程经济性。(3)对不同浓度溶浸液渗流、稀土及铝离子交换和运移过程进行数值模拟试验。溶浸液浓度对孔隙内整体流场所产生的影响不显著。镁离子浓度提高,加快离子正向交换速率,并且浸出稀土离子浓度梯度越大,分子扩散作用越显著,离子运移速率略有提升,加快稀土、铝离子的浸出效率。高浓度溶浸液虽然有助于稀土离子的浸出,但当矿体内稀土离子基本浸出后,稀土与铝离子之间的交换竞争矛盾削弱,铝离子有更好的交换条件,增大杂质(铝离子)浸出总量,增加后续除杂过程的复杂性。试验结果表明:将溶浸液浓度控制在0.12 mol/L至0.24 mol/L之间更加符合工程经济性。

关键词： 固体氧化物燃料电池   多场耦合   孔隙尺度   应力失效   分区测试  

摘要： 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在600～1000℃高温运行的电化学能量转化装置,具有燃料适应性强,转换效率高,无需贵金属催化剂等优点,在辅助动力,固定电站,热电联产等领域具有广阔的应用前景。然而,耐久性不足和较高的成本严重制约了SOFC的推广应用。SOFC在服役期间是一个封闭的电化学能量转换系统,其内部的活性颗粒、多孔电极、电解质、集流体、连接体等众多组件具有多尺度结构特征。另一方面,SOFC的能量转换过程受到电场、温度场、物质浓度场、速度场、应力场等诸多因素共同调控,在多场交互耦合作用下各组件不可避免地发生机械变形甚至损伤,进而导致电池性能的衰减。本文围绕SOFC局部性能的不均匀分布特性和力学劣化失效机制的科学问题,开展了从孔隙、膜电极、单电池、到电堆多个结构尺度下的SOFC性能分析和操作策略优化研究。 针对多孔电极微结构和输运特性对电池性能影响规律不明确的问题,开发了基于真实多孔电极微观结构的孔隙尺度模型,提出了基于开源格子玻尔兹曼库Palabos的离子/电子/气体输运耦合电化学反应的计算框架,量化了渗透率、孔径、曲折度、三相线长度（TPB）、两相面积（DPB）等结构参数,为后续宏观模型提供了输入。基于模型对单相La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）和复合LSCF/GDC（掺钆氧化铈）阴极进行性能评估,阐明了LSCF和复合LSCF/GDC阴极中分别由DPB电流和TPB电流主导的机制。发现GDC相的引入改善了离子电导率、氧气的表面交换动力学,并提供了更多的TPB反应位点,因此复合LSCF/GDC阴极相较于LSCF阴极更适合在低温低氧环境下工作。 针对多场耦合下SOFC力学失效行为规律不明确的问题,考虑SOFC从密封装配、升温、还原到运行等不同阶段下多个力学效应,基于顺次耦合的应力计算方法,建立了膜电极尺度纽扣电池的电-化-力多场耦合数值模型。发展了环境温度变化、氧化还原反应、阳极孔隙率变化、蠕变的多个效应共同作用下SOFC组件的应力和Weibull失效概率计算方法。研究发现,阴极和密封件最为薄弱,决定了整个电池的失效风险。 为了深入理解大面积电池内部的不均匀特性,提出了单电池局部电流电压、温度和阻抗的测试方法。研制了高温SOFC的分区测试夹具和测试台,分析了氢气氛围下的燃料稀释度和电压对分区电池局部性能的影响规律。将分区测试应用于掺氢天然气直接内重整SOFC研究中,揭示了掺氢浓度和水碳比对电池局部电化学特性和温度分布的影响机理。结合弛豫时间分布、阻抗差异分析和等效电路建模的多种阻抗分析方法解析局部电极过程,发现掺氢显著降低了阳极的气体转换和扩散阻抗,促进了所有分区的电化学反应,从而提高了电池的整体性能。此外,证实了电流密度约300 m A cm-2时电池的热中性状态,与文献的理论计算值吻合。 为了更好地指导工程应用,发展了碳氢燃料全尺寸SOFC电堆的电-化-力耦合模型。通过尺度升级和分区实验数据校准提高了模型的可靠性。揭示了堆叠片数和操作参数对电堆反应特性、输出功率、应力应变分布和失效概率的影响规律。发现20～30%的掺氢浓度,较低的1～2的水碳比和4～5 sccm cm-2的燃料流量利于维持较高的燃料利用率和输出功率,改善重整吸热导致的不均匀温度分布,5单元电堆在3～4 V电压下处于热中性和轻微放热状态,温度梯度和热应力最小。

关键词： 两相流   孔隙尺度   驱替模式   惯性效应   无序度  

摘要： CO2地质封存与利用是应对全球性气候变化问题的重要技术之一,CO2安全地质封存过程中的关键在于超临界CO2与水的两相渗透流动机理。然而目前对超临界CO2渗透流动机理的研究尚未完全阐明。本文以真实多孔介质结构为研究对象,以两相流驱替模式及其物理机制为核心问题,基于数值模拟中的相场法（Phase Field Method,PFM）,深入开展了超临界CO2-盐水在渗透过程中改变注入速度及孔隙结构所导致驱替模式及流态转变的研究。 本文的主要研究成果如下: （1）对模型收敛性、网格收敛性、迁移率调整参数及多孔介质表征单元体（Representative Elementary Volume,REV）进行了验证,确保数值模拟最佳方案的选取。针对相对渗透率进行数值计算,与解析解得到的结果相比,其最大误差不到1%,二者具有高度一致性,证明了基于相场法进行数值模拟的准确性。 （2）建立一系列不同Ca条件下的孔隙尺度两相流数值模型,深入了解速度效应导致流体驱替模式转变机理,提出不同驱替模式背后所遵循的最小压降驱替路径原则:在毛细指进状态下,黏滞力可以忽略不计,入侵相不断选择毛细阻力最小的孔喉进行驱替,以保证其遵循最小毛细压降驱替路径。在黏性指进状态下,系统优先遵循具有最小黏性压降的路径,此时被驱替相被系统滞留。同时,阐明两相流系统中惯性效应,在高Re数下,为了最大限度的降低惯性效应所产生的黏性耗散,系统会在主驱替路径之外形成许多次级流动路径。 （3）采用随机函数建立一系列孔隙尺度无序模型,对压降特征、能量耗散及界面动力学进行研究,结果表明毛细指进状态下孔隙无序对于流态影响最为显著。此时入侵相遵循最小毛细压降驱替路径原则,而孔隙无序会改变介质中的毛细阻力,导致系统在保证潜在驱替界面的毛细阻力最小的前提下,只能选择引入更曲折的流动路径,这种路径偏差会导致不同孔隙无序下的流态差异。同时,随着无序的增加,两相界面反转动力学会受到影响,从而使局部孔喉发生海恩斯跳跃事件时的黏性耗散率产生差异。

关键词： 耦合传热   泡沫材料   结构优化   孔尺度   热辐射  

摘要： 多孔泡沫是一种包含有一定数量相互贯通或者封闭孔洞的三维网络结构材料,其比表面积巨大且孔隙发达,可以高效强化热交换性能及流体流动混合,是一类换热能力和混合流体能力强大的功能材料,已被广泛应用于能源动力、化工和航空航天等技术领域。目前,对泡沫材料内多模式耦合传热的研究多采用连续尺度方法,仍欠缺在孔隙尺度下进行耦合传热特性分析的高效方法,且尚无从传热和流动特性需求出发,反向设计泡沫骨架结构的方法,制约了这类材料的应用技术发展。 本文针对泡沫材料的孔隙尺度耦合传热及结构优化问题,开展孔隙尺度导热-对流-辐射耦合传热数值建模与机理分析、高温有效热导率/辐射热导率参数预测、流动和传热方面的结构优化等研究,主要内容包含: 针对辐射传输计算的蒙特卡罗方法在用于泡沫复杂结构计算存在计算量大、所需内存大的缺点,研究了高效适用的蒙特卡罗辐射传输计算方法,通过引入逐网格光线跟踪策略来加速光线跟踪,引入网格融合策略来降低计算内存的占用。基于开源有限体积计算流体力学类库Open FOAM,编制了辐射传输求解计算模块。结合已有文献中针对复杂几何形状的辐射传输求解结果,验证了计算模块的可靠性,并分析了本文提出的逐网格光线跟踪策略和网格融合策略对计算时间和内存占用的改善。 针对泡沫材料的μ-CT扫描结构获取费用昂贵、孔隙率变化范围小的缺点,本文对原始μ-CT扫描结构的网格进行变形操作,得到其他孔隙率的μ-CT扫描结构,针对周期人工结构泡沫存在贯穿问题,采用随机镂空腐蚀元胞模型进行结构重建。在上述研究基础上,针对基材不透明金属镍和半透明氧化铝两类泡沫材料,在几何光学假设下,建立泡沫材料内的辐射-导热耦合传热数值模型。基于人工μ-CT扫描结构,分析了镍泡沫高温辐射-导热耦合传热特性,并预测了在其800～1100 K范围内的有效热导率和辐射热导率。基于人工镂空腐蚀结构,分析了氧化铝泡沫高温辐射-导热耦合传热特性,并预测了其在1400～2000 K的有效热导率和辐射热导率。 为了改善泡沫材料的传热和流动性能,引入了伴随优化方法。基于伴随方法理论,分别推导了连续伴随和离散伴随优化方法的控制方程、边界条件,并介绍了两种伴随方法的实现细节。采用连续伴随方法,以周期圆孔泡沫材料内的流动为正问题,以最小化流动压降为反问题,优化了该种泡沫的孔形状。采用离散伴随方法,以随机泡沫材料内的导热-对流耦合传热为正问题,以最小化流动压降/最大化传热为反问题,优化了泡沫骨架的几何结构。 结合泡沫材料的孔隙尺度耦合传热模型,建立了包含外部入射太阳光的泡沫太阳能吸热芯内的光-热-流输运模型。采用网格变形方法,设计了一种梯度泡沫吸热芯骨架结构,分析了该种吸热芯的流动和传热特性,并采用伴随优化方法对梯度吸热芯泡沫的骨架结构进行了优化以改善流动压降,对比了优化前后的流动和传热特性。搭建了管内泡沫材料的流动实验装置,采用3D打印技术生产制造了设计的泡沫吸热芯,并以数值模拟结果和圆管内泡沫吸热芯的流动实验数据检验了所设计吸热芯的流动压降性能。