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Yb2O3和5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%的Gd2O3,探究复合陶瓷的热物理性能。优化确定了5 wt.%Yb2O3和10 wt.%Gd2O3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,Gd2O3和Yb2O3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。Gd2O3和Yb2O3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： 果蔬干燥   多孔介质   孔隙尺度   传热传质   溶质迁移  

摘要： 果蔬含有人体所必需的各种营养成分,是人们美好健康生活所食的必需品。我国是果蔬的生产与消费大国,但我国的果蔬产后加工技术落后,产后损耗与经济损失巨大。干制是果蔬产后加工的主要形式,果蔬干燥过程中的“流糖”等现象不仅导致物料表面结壳、干燥效率降低、能耗增加,而且还会导致干后产品品质严重下降。传统干燥模型没有充分考虑微孔结构特性、溶质迁移、微尺度效应等因素对干燥过程中营养成分流失的影响。鉴于此,本文运用传递过程原理和孔道网络理论等分析果蔬类多孔介质干燥过程,建立其孔隙尺度下的热湿传递与溶质迁移双向全耦合孔道网络干燥模型,并对果蔬类多孔介质的干燥过程进行了模拟。主要研究工作如下:(1)基于分子动力学方法,分析了果蔬类多孔介质干燥微孔营养溶液中溶质的迁移过程。采用正则系综,选择Lennard-Jones势能模型,模拟观察了水分蒸发过程中蔗糖的变化情况,并通过计算蔗糖溶液体系的径向分布函数、均方位移等,获得微孔壁面粗糙度、孔直径等对蔗糖扩散过程的影响规律,蔗糖溶液中的水分扩散系数及蔗糖扩散系数均随着壁面粗糙度的增大而减小,随着相面积分数的增加而增大。(2)根据果蔬类多孔介质组织结构特征参数,构建孔道网络物理模型;并以此为基础分析干燥过程中营养物质流失的影响机制,建立果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移孔隙尺度耦合模型,并开发模拟软件进行干燥过程的模拟。构建了描述果蔬类多孔介质组织结构特征的参数表征体系,建立“物料-模型”参数映射关系式,得到果蔬类多孔介质干燥孔道网络物理模型。以任意孔节点为中心选取“孔隙微元体”,应用平衡分析法构建果蔬类多孔介质干燥热湿传递与溶质迁移的耦合数学模型。采用MATLAB和Visual C++联合编程开发设计了模型求解软件,该软件能够适时吸纳物料对应位置的物理结构信息,模拟得到物料干燥过程中的热湿传递及溶质迁移情况。(3)以甜菜和苹果为果蔬类多孔介质研究对象,开展了热风干燥试验。试验测量了物料干燥过程中的水分比、不同部位的温度、水分状态分布及不同部位的糖分含量。试验结果表明:两种物料的干燥速率都是先增后减,最大干燥速率在40min左右出现。干燥过程中,水分比小于0.1之后的干燥时间几乎占据了总干燥时间的一半。甜菜初始状态下自由水的含量最大,其占有总水分的81.8%,结合水含量4.4%,不易流动水含量为13.8%。随着干燥时间的增加,自由水下降速率最大,不易流动水与结合水都是先增加后减小。对干燥曲线、水分状态分布、平均温度曲线、最大温差曲线以及糖分含量曲线的模拟值与试验值进行对比分析,两者的误差在±10%以内,证明了所建立的数学模型和数值解法具有较高的可靠性和准确性。在热风干燥过程中,糖分会随着干燥的进行而迁移,但物料内部的总糖含量几乎不变,某个部位糖分含量的减少必将造成其相邻部位糖分含量的增大。(4)在数学模型和数值方法可靠性验证的基础上,进一步对不同的干燥工况、不同的传质机理以及不同的模型结构进行模拟分析。结果表明:热风温度的升高、热风相对湿度的减小以及热风风速的增大,均会使干燥速率增大,且导致物料中营养成分的流失增加。热风相对湿度越大,在干燥前期物料温度上升速率越快。海恩斯跳现象的存在,使得物料内部的溶液快速迁移至物料表面,水分在物料表面蒸发,留下糖分在表面层,同时干燥过程吸收了大量温度,导致温度上升缓慢。得出海恩斯跳现象使得大量糖分迁移到最外层,是形成“流糖”现象的主要原因。拉乌尔效应导致干燥速率下降,进而减小了营养成分的流失。(5)由于物料表面的溶质主要是在热风干燥前期伴随着喉道内溶液的海恩斯跳过程迁移形成的,而真空冷冻干燥可以消除海恩斯跳过程的影响。因此进行了甜菜和苹果的真空冷冻-热风组合干燥试验研究及设备设计,得出真空冷冻-热风组合干燥方法能够在不降低干燥速率的前提下较好的保留物料中的营养成分。新鲜苹果的维生素C含量为4.287 mg/100g,新鲜甜菜的维生素C含量为4.9 mg/100g。物料内层的维生素C含量均高于外层,真空冷冻干燥的内层与外层维生素C含量相差1.23%,热风干燥的内层和外层维生素C含量相差28.39%。当中间转换点含水率低于60%时,干燥后物料中的维生素C含量相差不大,因此真空冷冻-热风组合干燥的较优中间转换点含水率为60%。本文建立的模型阐明了果蔬类多孔介质干燥营养流失与微孔结构、微尺度效应之间的关系,揭示了果蔬干燥过程中孔隙界面毛细力、液膜流等对溶质迁移与热湿传递过程的相互影响机制,能有效描述与预测“流糖”现象。本文的工作可为果蔬类多孔介质干燥品质的分析与优化、干燥过程的节能与提效奠定理论基础和提供技术支持。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   渗吸   动态接触角   Navier-Stokes方程  

摘要： 在致密油藏开发过程中主要靠岩石孔隙内液体的自发渗吸驱替油相,达到提高采收率的目的,因此,明晰孔隙内油水自发渗吸过程,研究致密砂岩孔隙尺度油水自发渗吸规律,具有重要意义。本研究主要以理论研究与数值模拟相结合的方式,对致密砂岩孔隙尺度自发渗吸规律进行了研究。基于动态接触角公式,建立了考虑动态接触角的单管自发渗吸数学模型,研究了在不同参数设置下接触角的动态变化过程;基于分形理论与单管渗吸公式,建立了考虑动态接触角的多孔介质自发渗吸数学模型,研究了在致密砂岩内孔隙结构参数变化对自发渗吸过程的影响;开展基于Navier-Stokes方程的单管模型自发渗吸模拟,得到了不同流体参数、壁面粗糙度对渗吸速度、油水界面等的影响;利用真实的致密砂岩岩心开展自发渗吸模拟,分析了不同类型岩心的油水分布规律及残余油形成原因。 研究结果表明,自发渗吸过程中接触角会随着速度的增大而变大,考虑动态接触角的渗吸速度、渗吸距离会与实验和模拟数据更加吻合,考虑动态接触角的多孔介质自发渗吸数学模型能够精确表征致密砂岩油水自发渗吸过程。流体参数对自发渗吸过程有较大影响,增大流体粘度、静态接触角和降低毛管半径都会降低渗吸速度;与光滑壁面相比,粗糙壁面加速壁面粗糙凹槽内流体渗吸过程,会使油水界面产生变化;在岩心结构参数上,提高岩心孔隙度会提高渗吸流量,提高孔隙分形维数,会降低渗吸流量;岩心孔隙结构越简单,最终采收率越高。与驱替过程不同,由于自发渗吸只受毛细管力影响,因此出口见水后饱和度还会增大;由于孔隙空间的非均质性,水相自发渗吸具有多方向性,渗吸前缘曲线具有阶梯状特征;随着水相的不断进入,毛细管压力曲线不断上升;致密砂岩自发渗吸过程主要形成孔隙盲端残余油、双通道孔隙残余油和孔隙凹槽残余油三种残余油。

关键词： 天然气水合物   原位可视化   微观生长特性   润湿性   渗流特性  

摘要： 天然气水合物是一种非常规天然气资源,具有储量大、能量密度高的特点,被认为是未来最具发展潜力的新型替代能源。我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物资源,实现其安全高效开采对于我国可持续能源发展目标具有重大战略意义。然而,在开采过程中因复杂相变所引起的水合物孔隙赋存与含水合物沉积物润湿性变化规律不明,对储层内气-水运移特性及其影响因素把握不清,导致天然气水合物商业化开采仍面临效率低、持续性差等工程瓶颈问题。本文以此为背景,在孔隙-岩心尺度研究多孔介质内水合物生长特性,解析水合物分解孔隙介质润湿性演化规律,最终阐明储层内气-水渗流微观控制机理,具体研究内容如下: 首先,开展了孔隙-岩心尺度气体水合物生长时变特性与孔隙赋存结构研究。利用开发的显微CCD相机、X射线CT以及高场核磁MRI可视化实验系统,发现了气体水合物在微米孔隙尺度下生成过程具有明显的阶段特性,随着水合物饱和度增大,优势成核区域从气-水交界面转变为水-水合物交界面;获得了填砂岩心中颗粒包裹型与孔隙填充型水合物晶体的3D空间赋存规律,通过计算孤立水合物团簇的形状因子,发现其团簇结构的不规则性,水合物的持续生长、包覆使孔隙内颗粒表面粗糙度增加;探究了岩心非均质性与孔隙内初始气-水分布对CH4水合物生成特性的影响规律,发现水合物优先在颗粒较小且初始水饱和度较低的孔隙内生成,揭示了气体水合物在多孔介质内非均质的微观生长特性。 其次,进行了气-水-水合物-孔隙壁面润湿性测量方法及其动态演化规律研究。在孔隙尺度下分别开发了适用于微观平面与3D空间的气-水（液）-水合物（固）局部接触角的测量方法,获取了489组多孔介质内水合物表面润湿性数据,结果表明水合物表面为亲水界面,随着水合物生成排盐效应的影响,水合物晶体表面极性降低,对水分子的吸附能力下降,因此表面润湿性随孔隙水盐离子浓度上升而逐渐降低;基于低场核磁共振NMR分析技术,提出了含水合物沉积物体系动态润湿性的表征方法,通过分析水合物分解过程中岩心孔隙水弛豫时间的响应特征,发现岩心整体润湿性随水合物分解变得更为亲水,建立了岩心亲水性随水合物分解饱和度变化预测模型,实现了分解过程中气-水-水合物-岩心孔壁体系动态润湿特性的定量化分析。 最后,基于上述研究结果,探究了水合物分解过程中赋存特性与润湿性对气-水渗流的微观影响机理。通过开展水合物分解过程中多孔介质内气-水渗流实验,探究了水合物分解气-水渗流过程中孔隙微观结构、流动阻碍层等因素对气-水有效渗透率的影响规律;通过将归一化气体渗透率实验值与经典Kozeny渗透率预测模型对比,发现了渗透率变化与水合物孔隙赋存形态转变的水合物饱和度临界值范围,并提出了相关储层内气-水流动模式的微观控制机理;解析了不同开采方式下水合物的分解特性及其深层变化影响机理,评价了多种降压注热联合开采模式对水合物开采效率的影响;引入含水合物多孔介质动态润湿性影响机制,改进了经典渗透率预测模型,阐明了分解过程前后水合物孔隙赋存与润湿性变化对储层内气-水渗透率的影响规律。

关键词： CO2   孔隙尺度   两相流   粗糙度   对流扩散  

摘要： CO2驱油是一种非常重要的驱油手段,根据不同开发条件主要分为非混相驱替与混相驱替。孔隙尺度流动模拟是研究不同驱油机理的一种很好的手段,但是复杂的微观孔隙结构和壁面条件对驱替效果有显著的影响,因此本文将从孔隙尺度上探索CO2驱油的不同机理,基于N-S方程与微观两相流动模型以及扩散模型,研究CO2在孔隙尺度下的非混相驱替与混相扩散,揭示CO2原油的运移规律及动力学机制。首先,在单一喉道内进行CO2与原油非混相模拟,研究了油膜型剩余油产生机理,发现光滑通道与粗糙通道之间的流动差异十分显著,粗糙壁面会影响边界处两相流体流动,减弱润湿性产生的影响,改变产生油膜的临界毛管数大小。第二,针对油藏混合润湿的问题,研究CO2在不同混合润湿分布下的两相流动,结果显示CO2进入油藏油湿与气湿区域的顺序会影响最终的采收率,先进入油湿区域会使采收率更高,上下交错润湿分布的采收率最低。第三,针对混相驱替的扩散问题,建立了二维单管模型与二维非均质多孔介质模型,模拟并分析Pe数与粘度比对扩散效率的影响,并给出了不同扩散模式的相图。第四,考虑了浓度依赖的扩散系数对对流扩散的影响,应用了指数与线性等四种不同的扩散系数案例,研究发现指数模式对扩散效率影响最大,并且只有在高粘度比下浓度依赖的扩散系数影响才会体现出来。最后模拟了三维多孔介质内的对流扩散,发现低粘度比、低Pe数下的扩散几乎不会受到多孔介质内部非均质几何结构的影响,但是随着Pe数与粘度比的升高扩散效率对非均质性变得更加敏感。 本文基于N-S方程与微观流动模型研究了孔隙尺度下油气流动规律,提高了对CO2驱油机理的认识,为实际工程提供指导。

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-2·h-1)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-2·h-1。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： 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1.4×10-5,4.44×10-5和1.4×10-4,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： 孔隙多尺度结构   渗透系数   分形理论   土水特征曲线  

摘要： 土是由颗粒,水和气所组成的三相体系,其孔隙内部结构复杂。土体复杂的结构与其内部孔隙的多尺度相关,使得水分运移机理更为复杂。一般通过实验获取相关指标从宏观上去研究土体渗流的特性费时费力,或者使用经验公式计算渗透系数,但这样往往会出现误差。因此从土体微观结构入手去研究土的渗流问题,得出的结果更能反映土体的渗流特性。很多研究表明土体多孔介质中的孔隙具有分形标度特征,分形理论中的地毯模型能够反映土体的孔隙多尺度结构特征,于是引入分形理论对土体复杂的内部结构进行研究,基于分形理论描述土体的孔隙多尺度结构,采用孔隙分形维数表征土体多孔介质的微观结构,建立土体多孔介质渗流模型。本文研究内容和结论如下:(1)先引入土水特征曲线对土体孔隙结构展开研究,推导得到基质吸力和当量孔径的对应关系。再结合分形理论,选用反映地毯模型的孔隙分形模型,推导得到表征土体多孔介质微结构的孔隙分维数计算模型。根据郁伯铭的多孔介质渗透率分形模型,并运用分段求和法对其进行修正推导了土体渗透系数模型。渗透系数表达为含有孔隙率、界限孔隙直径,孔隙分维数的函数。(2)把找到的文献数据分别代入孔隙分维数计算模型和土体渗透系数模型,算得渗透系数模型值。将模型的计算结果与渗透试验结果进行对比,验证了理论推导的正确性。再根据颗粒级配分成碎石土,砾砂,粗砂,中砂,细砂,粉砂六类土,分别比较了这六类土对土体渗透系数模型的适用性。(3)选用太沙基公式、中国水科院公式、朱崇辉公式、哈增公式、及张宜健公式这五类传统的渗透系数经验公式,由经验公式计算的渗透系数和土体渗透系数模型值,与渗透试验所得结果进行对比分析,结果表明渗透系数模型的预测效果好于经验公式,验证了土体渗透系数模型更加适用。

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： 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5×10～7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。