关键词： 甲烷水合物   孔隙尺度   降压分解   微观机理   数值模拟  

摘要： 天然气水合物已经被我国国务院列为新矿种,其低温高压的赋存环境和复杂多变的分解特性导致了对其开采的困难性。目前为止,降压开采法是海洋天然气水合物试采所采用的唯一方法。甲烷水合物的降压分解是一个多相多组分的流体流动传热传质问题,涉及到孔隙通道内部固相冰与水合物分解之间的相互作用。孔隙尺度下天然气水合物分解的微观特性、水合物分解过程中的微尺度效应、结冰和融冰效应、传质限制效应以及孔隙通道内的流体流动和水合物分解效应之间的耦合关系等科学问题的解决,是突破水合物分解基础理论局限,从而推动开采技术进步的关键。本文针对上述科学问题开展了孔隙尺度下甲烷水合物分解微观特性数值研究,探究了微孔隙内甲烷水合物降压分解的微观特性和机理,提出了模型中考虑相间传热和微尺度效应的必要性,明晰了结冰和融冰效应对水合物分解的具体影响以及三者之间的相互作用,揭示了传质限制效应对水合物分解微观机理的主导作用以及传质限制效应、结冰效应、融冰效应、水合物分解效应四者之间的耦合关系。主要工作如下:首先,基于甲烷水合物的基本属性和现有分解模型调研结果的综合对比,提出并验证了包括固态甲烷水合物相、气态甲烷相、液态水相、固态冰相和甲烷水合物组分、甲烷组分、水和冰组分的四相三组分的微孔隙内甲烷水合物降压分解数学模型,模型中引入了相间传热、冰相和滑移流,并据此提出了水合物分解过程中的微尺度效应,为全文研究微孔隙内水合物分解微观特性建立了理论依据。其次,基于构建的和验证过的数学模型,对真实的、较大的微孔隙网络切片内甲烷水合物降压分解时的微尺度效应进行了模拟探究,对无冰相和冰-水合物共存的情景分别探讨。研究发现:温度、压力、水合物相平衡压力、各相的体积分数、冰相的分布、水合物的分解速率和水与冰之间的质量传递速率等重要参数都受到了微尺度效应的严重影响,印证了在模型中考虑微尺度效应的必要性。基于冰-水合物共存的情景,提出了结冰和融冰效应(冰相效应)。再次,基于对微孔隙网络内甲烷水合物分解时微尺度效应的研究,将研究对象从孔隙网络转换到局部微孔隙处,针对冰-水合物共存条件下水合物的降压分解进行了探究,考虑了赋存水合物的微孔隙内可能存在的三种流动方向。探讨了结冰和融冰效应与水合物分解效应三者之间的耦合作用。研究结果表明:冰相的存在,增加了水合物分解进程的复杂性。冰的生成速率在微孔隙的死端(终端)附近较大,冰生成的同时也会伴随其他位置冰的融化,冰相的分布取决于两者共同作用的结果。在结冰初期,冰的生成促进了水合物的分解,增加了局部位置的压力,为这些位置水合物的二次生成和孔隙的瓦解变形提供了源动力。冰量足够大时将延缓、限制水合物的分解。冰相是否促进水合物的分解在一定程度上取决于当前位置冰的量。微孔隙内热量的变化主要依赖于水合物的分解吸热、冰的生成放热、冰的融化吸热、流体流动换热,其变化受到了结冰和融冰效应的严重影响。三种流态中微孔隙边界都为出口时,结冰和融冰效应对温度、压力、剩余甲烷水合物质量以及热量变化的影响最为严重。此外,水合物分解过程中其表面附近会聚集水和甲烷气,这种聚集状态在冰相存在时尤为复杂,据此本文又提出了传质限制效应,明确了模型改进的必要性和进一步研究传质限制效应的必然性。最后,在当前模型的基础上引入水层对甲烷水合物分解过程中质量传递的限制作用,结合水合物分解驱动力的基础理论,探究了局部微孔隙内甲烷水合物降压分解时的传质限制效应,并对无冰相和冰-水合物共存的情景分别探讨。研究表明:冰相存在与否,水合物分解时都存在传质限制效应。无冰相时,水合物在相对较高的温度下分解,传质限制效应对水合物分解驱动力的影响较大,导致了甲烷气的累积生成量、微孔隙内的热量传递等相关结果受到较大影响的必然性。冰-水合物共存条件下,水合物分解驱动力由结冰、融冰和传质限制效应三者共同主导。冰的存在在一定程度上弱化了传质限制效应。

关键词： 柴油机颗粒捕集器   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   传质传热   再生燃烧反应  

摘要： 柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)作为新一代柴油发动机尾气后处理装置,其凭借自身独特的多孔结构,对废气中的碳烟颗粒物进行捕集,能有效的减少颗粒污染物排放。DPF在捕集颗粒和再生控制中会涉及到复杂多相流动、传热、传质及化学反应等复杂过程。为了进一步提高DPF捕集效率,有必要系统的了解DPF内部的物理及化学传输特性。本文基于新型的格子Boltzmann方法,开发DPF孔隙尺度数值计算模型,深入研究碳化硅过滤器薄壁中的微纳米尺度气固两相流动,传质传热及再生燃烧化学反应过程。首先,采用格子Boltzmann方法中的不可压D2G9模型对DPF单通道内的流场及压力分布进行了模拟,并详细讨论了入口流速、孔隙结构,过滤器厚度对单通道内流场及压力分布的影响。研究结果表明:低入口流速下,DPF通道内的压力分布均匀;高入口流速下,低孔隙直径的通道内的气流倾向于从通道末端穿过过滤器壁;过滤器壁厚越大,前后端压力差越大。然后,基于元胞自动机概率模型设定适用于DPF中颗粒运动规则,并与格子Boltzmann模型进行耦合,利用验证后的耦合模型对壁流式DPF单通道内的气固两相流动及颗粒沉积特性进行数值模拟。研究结果表明:低流速下,气流对颗粒运动的影响较小,颗粒运动主要以扩散机制为主,且颗粒在通道内的沉积分布比较均匀;高流速下,颗粒运动主要以惯性机制为主,颗粒主要沉积在通道的中后段。过滤器的平均孔隙直径越小,颗粒更容易沉积在过滤器前端壁面,易形成滤饼层。最后,根据电子显微镜(SEM)扫描的Si C-DPF薄壁微观结构,利用四参数随机生成法重构了高精度Si C-DPF薄壁的二维三相数字模型,并使用格子Boltzmann方法对上述构建Si C-DPF薄壁数字模型进行多场耦合模拟计算,重点分析气体流动,传质传热,化学反应及固体热传导。研究结果表明,该模型可以高效的捕获孔隙尺度下的再生燃烧现象,并可以预测控制再生燃烧的各种机制。就氧气的利用率及稳定的燃烧温度而言,扩散控制更适合再生燃烧,即低Pe数和高Da数。综上所述,本文通过数值模拟方法,对DPF孔隙尺度下的复杂多相流动、传热、传质及化学反应等过程进行了相关讨论分析,克服了试验微观可视化的局限性,为提高捕集效率,优化再生控制、降低DPF生产成本的具有重要的理论和实际工程意义。

关键词： Al/Al2O3功能梯度材料   渐近均匀化   细观孔隙   弹性模量   多尺度  

摘要： Al/Al2O3功能梯度材料是一种先进的多相复合材料,由于其具有比重小、耐高温、耐磨损、抗热震等特点,被广泛应用于现代航天工业中。从宏观上看,Al/Al2O3功能梯度材料具有梯度特征。在某些方向上,材料性质按照特定规律连续变化;在其他方向上,材料性质是均匀不变的。从细观上看,Al/Al2O3功能梯度材料中各组分材料的弹性模量相差较大,且位置随机分布,在Al/Al2O3功能梯度材料制造和服役的过程中还极易产生细观孔隙。这些孔隙对材料的力学性质有着明显的影响,极大的影响构件的安全性和稳定性。从Al/Al2O3功能梯度材料这种特殊的细观结构特征上看,其力学响应也必然是一个受其细观结构控制的多尺度行为。通过引入两种长度尺度,借助有限元等数值求解技术,可以有效分析具有复杂细观结构的Al/Al2O3功能梯度构件。本文在渐近均匀化方法的框架下,以含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料为研究对象,主要的研究内容如下:（1）推导基于功能梯度材料的渐近均匀化方法理论公式,并编写其有限元程序本文利用高斯函数的随机叠加,得到了细观形貌函数,并通过随机生成孔隙,建立了含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料的细观形貌。通过介绍渐近均匀化方法模型的建立、有限元公式的推导和均匀化程序的实现,阐述了基于功能梯度材料的渐进均匀化方法的理论框架。并将渐近均匀化方法计算完美Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的结果与文献中自洽方法的结果相对比,验证了渐近均匀化方法计算Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的可行性。（2）利用渐近均匀化方法研究细观孔隙对Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的影响本文利用渐近均匀化方法分析了孔隙数量、位置、大小和孔隙率对含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的影响。并拟合得到了与Al2O3体积分数和孔隙率相关的含细观孔隙Al/Al2O3功能梯度材料弹性模量的预测公式。（3）含细观孔隙的Al/Al2O3功能梯度结构的多尺度研究本文利用渐近均匀化方法结合梯度有限元方法对Al/Al2O3功能梯度结构进行多尺度应力分析,通过在细观上利用陶瓷和金属各自的失效准则定义了功能梯度结构的安全性。并以此来分析细观孔隙对Al/Al2O3功能梯度结构宏细观应力分布以及安全性的影响。

关键词： X-CT   准饱和   圈闭气体   孔隙尺度   地下水  

摘要： 地下水中如果存在圈闭气体则被称为准饱和状态。圈闭气体的存在会极大的影响含水层的水力学性质。目前对于准饱和圈闭气体的形成和演化还没有充分的理解,从微观尺度研究准饱和介质中圈闭气体的影响因素、形成过程和逃逸过程,具有重要的科学与实践意义。本文利用X-CT技术开展了圈闭气体的微观特征、毛细带和准饱和带的气相的对比以及圈闭气体逃逸的微观观测,旨在深入地理解圈闭气体的影响因素、形成过程、逃逸条件与过程。论文主要取得了以下成果:(1)对准饱和状态下3种不同粒径和粒度样本的观测,介质的粒度均匀性好、粒径小有利于断开方式的圈闭气体形成,所圈闭的气泡数量更多、气泡的尺寸分布更广;孔隙配位数大、孔喉直径小和孔隙腔喉比大的介质,更容易形成以断开(“snap-off”)方式的圈闭气体,并且其圈闭气体饱和度更大。(2)准饱和带和毛细带气相微观研究表明,在水位上升时,毛细带是圈闭气体前锋,准饱和带中圈闭气体绝大部分是在毛细上升过程中形成的。(3)不同真空度下,圈闭气体的逃逸过程中,孔隙中小气泡与大气泡相比先一步逃逸,并且在逃逸时部分气泡会破裂并形成多个小气泡,也有少量气泡聚合更大的气泡;气泡开始大量逃逸时的抽提压力需达到80 Kpa,并且在抽提压力达到95Kpa时仍有大量气泡未从孔隙中逃逸。另外,对气泡逃逸临界毛管力的计算得出,圈闭气体的逃逸阻力是于束缚圈闭气体的最大毛管力的3-5倍。

关键词： 固液相变   格子玻尔兹曼方法   两区域模型   三周期极小曲面   非均匀多孔介质  

摘要： 相变储能材料具有储能密度大、工作温度变化范围小以及受热时发生固态—液态—固态周期性存储和释放能量的特性,已经应用到建筑节能、电池热管理、太阳能发电等众多领域。然而大多数的相变材料由于导热系数较小,很大程度上影响了其在蓄热和放热过程中的速度,因此提高相变储能材料的导热性能具有重要的意义。在相变储能材料中加入高导热性能的骨架材料,为解决相变材料这一不足提供了有效方式。本文采用三维格子玻尔兹曼方法(LBM),在分析固液相变过程和相界面发展、演化规律,以及多孔介质渗流和多相流理论的基础上,建立了描述糊状区的两区域模型,即在糊状区中低含液率区域,采用扩展达西渗流模型;在糊状区中高含液率区域,采用多相流模型。并对建立的数学模型进行了验证,验证结果与经典文献有很好的一致性。基于建立的两区域模型,首先对腔体内的纯相变材料融化蓄热过程进行了数值模拟。结果表明:1)随着无量纲参数Ra数的增加,腔体内自然对流引起的热浮升力增加,糊状区发生弯曲,并出现上窄下宽的形状,相变材料融化速率提高;2)随着Ste数的增加,腔体内相变材料自然对流换热能力增强,在相同的时间下,融化速率越快;3)随着相变温度半径θR的增加,糊状区逐渐变厚,相变材料融化速率逐渐变慢,但θR对腔体内相变材料的传热影响不大。在分析纯相变材料融化蓄热的基础上,采用三周期极小曲面方法(TPMS)生成了均匀和非均匀固体骨架物理模型,把固体骨架物理模型添加到相变材料中,基于孔隙尺度分析骨架对固液相变过程以及糊状区发展、演化的影响。结果表明:1)骨架导热系数越高对相变材料融化蓄热影响越大,当导热系数比为10、50、100工况下,融化时间分别缩短了 12%、28%、31%;2)多孔介质复合材料孔隙率越低,复合相变材料的有效导热系数就越高,其融化蓄热速率也越高,在孔隙率为0.95、0.90、0.85的工况下,融化时间分别缩短了 13%、18%和24%,相变温度场的均匀性也随之增加,但骨架的添加一定程度上削弱了相变材料的自然对流;3)非均匀多孔介质的添加不仅加快了融化速度,而且使腔体内温度场分布更加均匀。

关键词： 孔隙尺度   多孔介质   光滑粒子流体动力学   溶质运移   扩散迂曲度   有效导热系数  

摘要： 多孔介质中溶质运移和热传导及其耦合效应的研究是环境岩土工程中的一个重要课题。传统的研究方法一般基于表征体元尺度,这一研究视角忽略了多孔介质最本质的孔隙结构特征,存在局限性。而基于孔隙尺度的观点,将孔隙的结构组成以及孔隙空间内发生的物理过程与介质的宏观特性联系起来,可更清晰地认识多孔介质溶质运移及热传导的物理本质。本研究基于光滑粒子流体动力学(SPH)发展了一种孔隙尺度的仿真实验方法,致力于揭示多孔介质的孔隙结构特征与其宏观溶质运移及传热特性的联系。多孔介质中的溶质运移和传热过程主要涉及到机械弥散、溶质扩散和热传导过程,控制因素分别为弥散度、迂曲度和有效导热系数。论文聚焦多孔介质内孔隙结构组成变化对上述三个参数的影响,重点研究弥散度、迂曲度和有效导热系数随孔隙结构特征参数的变化规律,并结合孔隙尺度仿真实验得到的相关规律,进一步建立便于工程应用的宏观数学模型。主要研究内容包括:(1)采用SPH方法求解描述孔隙水运动的纳维斯托克斯方程,以及描述溶质扩散和热传导过程的二阶抛物线型扩散方程,实现对孔隙尺度物理现象的模拟。并结合SPH特点,提出重构多孔介质数字模型的三维建模方法,提出考虑介质湿化和冻结状态的模拟方法。围绕弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数,设计了恒流速粘性流体渗透仿真实验、土柱溶质非稳态扩散仿真实验和多相介质稳态热传导仿真实验。将计算结果与解析解进行对比,验证仿真实验的准确性。(2)弥散度、迂曲度和有效导热系数均与多孔介质的孔隙结构特征有密切联系。本文充分发挥数值实验优势,对实验条件和介质特征进行精准控制,通过大量的仿真实验结果,揭示弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数与其他孔隙特征参数之间的规律。重点探究或检验了弥散度与速度差、迂曲路径差、孔隙率和迂曲度等的相关规律,迂曲度与颗粒形态、维度、孔隙率和比表面积等的相关规律,以及有效导热系数与孔隙率、饱和度和冻结率的相关规律。(3)结合仿真实验得到的参数规律,对相关算法和模型提出改进方法和创新思路。为描述含裂隙多孔介质的对流弥散作用,提出了两流区模型的简化解析式。为建立片层介质的迂曲度与片层倾角和颗粒尺寸的联系,提出了一种基于迂曲路径概率分布的几何迂曲度模型。此外,为描述非饱和多孔介质在湿化和冻结过程中导热系数的变化规律,通过在常温导热系数模型的基础上引入导热系数与冻结率的关系,建立了适用于冻结土的导热系数模型,并应用于冻土的水-热耦合问题。

关键词： 热障涂层   多尺度孔隙   力学性能   纳米压入   纳米冲击  

摘要： 热障涂层应用于燃气轮机、航空发动机等高温部件,需要同时具备高隔热和良好的力学性能。增加涂层的厚度可提高隔热效果,但同时容易积累应力造成涂层失效脱落。孔隙在热喷涂方法制备的热障涂层中较为常见,而封闭的孔隙是热的不良导体,可显著降低热导率,提高隔热性能。较大尺度孔隙的存在,会在一定程度上减小其抵抗变形能力,但同时微小孔隙的存在可在一定程度上缓和热障涂层的应力。因此,本文拟通过在热障涂层中引入纳米至数十微米多尺度分布的孔隙结构,在保证高隔热性能的同时提高其抗变形协调能力,研究多尺寸孔隙结构热障涂层的组织和力学性能的变化。通过陶瓷粉末空心多孔结构的移植和聚乙烯造孔剂的搭配,构建并制备微/纳米多尺度分布的孔隙结构热障涂层。通过扫描电子显微镜和三维X射线扫描技术分析热障涂层中的孔隙结构分布,验证热障涂层孔隙的微/纳米多尺度分布设计。利用Ansys有限元软件,模拟了含微/纳米多尺度孔隙的热障涂层在不同载荷下的纳米压入特性。随载荷增加,弹性模量呈现先增大后降低的情况,硬度值随载荷的增加而减小,与纳米压痕试验结果相比,比较相符。在孔隙模型单元格增加内聚力的基础上,根据Berkovich压头压入过程,模拟了微/纳米尺度孔隙的热障涂层的裂纹萌生和扩展情况。由于孔隙的存在,压头在压入涂层的过程中,随着载荷的加大,超过陶瓷层材料的强度,裂纹萌生,但是由于小尺度孔隙的存在,减少了应力集中现象,将应力分散到各个孔隙中,且由于孔隙数目增多,界面增多,裂纹扩展所需要的能量会在界面处消耗,能量不足以继续扩展,所以裂纹扩展的不多,由于大尺度孔隙是孤立的存在,裂纹扩展的能量慢慢的会被吸收,从而提高其韧性。与断裂韧性试验结果比较吻合。利用纳米压痕方法,研究多尺度孔隙结构热障涂层抵抗变形能力和变形回复特性。研究发现,微纳米孔隙的引入,使得热障涂层陶瓷层在抵抗变形阶段表现出“伪塑性”,在变形恢复阶段出现“伪弹性”,从而增强了微/纳米多尺度热障涂层的抵抗变形和变形恢复能力。与常规等离子喷涂制备的热障涂层相比,纳米/微多尺度孔隙涂层的硬度和模量分别提高了 20.23%和39.16%。通过纳米冲击技术,研究多尺度孔隙热障涂层的变形协调能力。研究发现,微纳米孔隙结构“伪塑性”、“伪弹性”变形的存在,可显著提高微/纳米尺度孔隙的变形协调能力。断裂韧性由常规热喷涂涂层的0.73 MPa·m0.5,提高到1.047 MPa·m0.5,断裂韧性提高30.28%。

关键词： 格子Boltzmann方法   多孔介质   气泡动力学   润湿性梯度结构  

摘要： 多孔介质中气泡的输运调控广泛存在于自然界及工程中的各个领域。合理配置多孔介质结构参数,可以加快气泡在多孔介质中的运动速度,从而强化气液两相流动与换热过程,对优化过程背景有着重要的意义。然而目前研究者更多关注于气泡运动特性本身,并针对较为简单的通道结构或绕流物时两相流动开展研究,基于多孔介质结构和润湿特性的调控对气泡输运特性的影响研究较少。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method,LBM)作为一种介观尺度的模拟方法,在处理复杂边界问题以及多相流过程中具有独特的优势。本论文以毛细输运过程为背景,通过LBM在孔隙尺度对多孔介质中气泡的输运特性进行了研究。分析了在维持一定毛细压力的同时,通过设计孔道结构和调控润湿性等方法,使气泡能够更快速地通过多孔介质层。论文的主要工作包括以下方面:根据格子Boltzmann伪势模型建立了多孔介质内的流动模型。通过对Maxwell构造理论、流体表面张力、壁面润湿性、气泡上升过程的形貌特征等算例,对模型进行了验证,模拟结果与已有文献吻合较好。针对气泡通过多孔介质的运动过程,分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡输运过程和流场的影响。综合权衡气泡通过多孔介质所用时间、与壁面接触面积以及孔道毛细压力等因素,获得了多孔介质的孔隙率设计范围及孔道排布方式的选择依据,并发现壁面润湿性对气泡运动特性有着显著影响。还获得了在实际输运过程中,可以使气泡存在一定的水平方向初速度,从而能够更快地脱离多孔介质的策略。针对复杂多孔介质中气泡的输运调控,首先模拟了润湿性梯度表面上气泡的运动过程,证明了润湿性梯度结构可引导气泡的自发运动,并分析了不同润湿性梯度以及气泡尺寸对气泡自发运动过程的影响。并基于此,设计了两种润湿性组合结构,探究不同孔隙率及润湿性差异下气泡的输运特性。此外,将润湿性组合结构改进为润湿性梯度多孔结构。研究了不同润湿性梯度对气泡输运过程的引导作用,得到了最适宜毛细输运过程的多孔结构。并通过对气泡进行受力分析,说明了润湿性梯度结构对气泡的引导作用以及气泡运动过程中阻力减小的原因。为毛细输运过程中的孔道设计提供了相关理论基础与设计依据。

关键词： 高庙子膨润土   孔隙结构三维数字模型   多尺度融合叠加   孔隙结构特征表征   孔隙尺度渗流  

摘要： 作为我国高放核废料深地质处置库工程屏障缓冲/回填材料的首选材料,高庙子膨润土自身的渗流特性直接关系到处置库的整体密封性能,进而决定着处置库能否安全有效地将高水平放射性核废料进行长期隔离。事实上,高庙子膨润土的渗流特性直接取决于其内部的微观孔隙空间结构特征。因此,研究高庙子膨润土内部微观孔隙结构特征、流体渗流特性及二者之间的相互关系具有十分重要的现实意义。本论文综合运用三维数字模型重构理论、孔隙结构特征表征理论、孔隙网络模型构建理论和孔隙级渗流模拟理论,从微观角度对高庙子膨润土的多尺度孔隙结构特征及其渗流特性进行了系统的研究,并获得了如下创新性成果:(1)综合考虑高庙子膨润土不同尺度孔隙结构三维数字模型重构的精度、效率及经济成本因素,除直接使用CT和FIB/SEM三维扫描成像技术分别完成纳米级和微米级孔隙结构模型的重构外,提出了一种基于增量计算来对统计函数进行更新的改进模拟退火数值重构算法,并随后使用该算法分别完成了纳米级和亚微米级孔隙结构模型的重构。改进模拟退火算法较传统算法具有更高的模型重构效率,从而使得大尺寸试样的数值重构成为可能。(2)基于灰度图像内部像素点的灰度梯度信息,通过分析像素梯度分布直方图形态及像素类别的对应关系,提出了一种能够适用于具有单峰像素灰度分布图像的全自动孔隙阈值确定和分割算法。该算法较已有算法具有更强的鲁棒性,并成功对本文经由物理扫描所得到的不同尺度原始灰度图像的孔隙区域进行了分割提取,其结果与核磁共振测试结果具有较好的一致性。(3)根据不同尺度图像像素点彼此间所遵循的内在逻辑对应和相互转化关系,提出了一种可将高分辨率像素点转化为低分辨率像素点的粗化准则,并进一步建立了一种更加合理的可用于不同尺度图像叠加以构建多尺度模型的融合判定标准。使用该标准,成功实现了不同尺度孔隙结构模型彼此间的叠加融合,得到了能够同时包含纳米-亚微米级孔隙的多尺度模型。(4)通过引入离散空间区域内部孔隙几何形状的最大球定义,提出了一种基于连续孔径概念的改进孔径分布提取算法,该算法在结果准确度和计算效率方面较已有算法均进行了显著的提高。随后,使用该算法完成了对不同尺度孔隙结构模型孔径分布信息的定量化提取表征。同时,构建了高庙子膨润土不同尺度孔隙网络模型,并对其所包含的各类孔隙空间信息进行了定量化的提取表征。分析了不同尺度对孔隙结构特征参数的影响,证明融合叠加所得到的多尺度模型能够更加准确和全面地代表试样内部的真实孔隙结构特征。(5)利用已获得的各类孔隙结构特征参数,理论分析了其对高庙子膨润土试样渗流特性的影响,进而建立了孔隙结构特征参数与渗透率间的定量关系。使用上述关系及其他已有经验关系完成了对高庙子膨润土不同尺度试样的渗透率预测,对比实验测试结果表明上述关关系仅用于对试样渗流特性的定性评估。(6)基于高庙子膨润土不同尺度下的真实孔隙几何结构模型及相应孔隙网络模型,分别使用有限单元法和单相流模拟法开展了微观孔隙尺度上流体流动传输的数值模拟计算,揭示了孔隙尺度流体流动机理。对比宏观尺度试样渗透率的实验测试结果,发现融合叠加所得到的多尺度模型的渗透率数值与实验值表现出了较高的一致性,进一步证明了本文所使用高庙子膨润土试样内部孔隙结构多尺度三维数字模型、孔隙网络模型及相应各类模型重构-叠加-提取算法的准确性。本论文共有图105幅,表12张,参考文献275篇。

关键词： 多孔介质蒸发   毛细失稳   残余液相   角液膜  

摘要： 本文讨论了发生在多孔介质蒸发过程中影响蒸发过程的两个重要物理机理。首先是毛细失稳现象。在实验中观测到,随着多孔网络蒸发的进行,液相能够入侵气相占据的孔隙,并且夹断形成一个气泡,该气泡持续移动直至达到稳定。由于多孔网络中存在润湿性的非均一性,而且孔隙的尺寸也大小不一,因而导致了不同弯液面间的相互作用,形成了毛细失稳现象。毛细失稳现象诱使的两相驱替过程的时间尺度远小于蒸发过程。结合图像处理,本文细致地分析了毛细失稳过程中各个弯液面间的相互作用过程。在毛细失稳过程中,由几何突扩导致的阻碍弯液面移动的毛细阀效应被残余液相的存在极大的抑制,这一孔隙尺度机理进一步有利于毛细失稳过程的持续发生。为了更好地理解毛细失稳诱使的两相驱替过程,本研究建立了一种新的同时考虑毛细力、粘性力、惯性力以及毛细阀效应的孔网络模型,而惯性力在之前的孔网络模型研究工作中几乎没有被考虑过。孔网络模型的模拟结果与实验结果对比较好。基于这一新的模型,本文还对比了考虑和不考虑惯性力的两种情况的模拟结果,从而进一步考察惯性力的作用。第二个重要的物理机理是在多孔介质蒸发过程中存在的连续与间断角液膜。本研究建立了考虑这一因素的孔网络模型,并与实验结果进行了对比。本文通过对比三种不同的孔网络模型以分析连续与间断角液膜对蒸发过程的影响,这三种模型分别是考虑连续与间断角液膜的动态孔网络模型和准静态孔网络模型,以及不考虑角液膜的动态孔网络模型。其中,第一个模型的模拟结果与实验结果对比最好。而且分析证明,当角液膜存在时,即使对于尺寸较小的多孔网络,粘性力的作用依然需要被考虑。连续角液膜可与蒸发表面相连接从而使多孔介质维持较高的蒸发速率,但是连续角液膜可以被局部凸起的几何结构导致的毛细剪效应打断。