关键词： 金属泡沫   力致变色   Science China Technological Sciences 2020   正十六烷   孔隙尺度   纳米线   混合不确定性   着火延迟   聚硅氧烷弹性体   气动人工肌肉   硅气凝胶   中文摘要  

摘要： 金属泡沫传热与流动特性的理论与实验研究进展王会,郭烈锦,陈康开孔金属泡沫可以大幅度提高散热器和热交换器的流动和传热等热物理性能,在空天热控与能源装备领域具有重大的应用前景,是空天热物理研究的重要课题,并越来越受到高度重视.深入了解金属泡沫的流动和传热特性,是正确设计金属泡沫换热器的基础.本文综述了金属泡沫强化传热和流动特性理论及实验研究的最新进展.金属泡沫孔胞简

关键词： 应力-气体长期作用   焦煤   孔隙结构   压汞   扫描电镜   低温氮吸附   显微CT  

摘要： 我国松软低渗煤层中煤层气资源的开采技术至今仍不完善,这不仅制约了我国煤层气的产业化发展,还由于煤与瓦斯突出问题严重对我国煤矿的安全生产造成巨大隐患。为了更好的抽采这部分煤层中气体资源,明确煤层松软低渗特点形成的原因,煤体微观结构的储气机理及影响因素的研究必不可少。本论文以我国的山西柳林焦煤为主要研究的对象,通过深入研究柳林焦煤在长时间在气体氛围与三轴应力的共同作用下,焦煤孔隙结构的演化规律,定性描述了气体氛围及三轴应力共同作用后焦煤的气体孔隙结构演化和特征,开展了煤储层多尺度孔裂隙定量表征的研究,剖析了气体作用对我国煤储层多尺度孔裂隙影响,阐明了煤储层受气体作用与三轴应力控制演化的机理,有利于认识和研究我国煤储层孔裂隙的演化和规律,为实现松软低渗透煤层气经济、高效的资源开发提供了理论参考,为松软低渗透煤层的成因以及煤矿的瓦斯安全防治从微观角度给出理论依据,以下是主要研究成果和认识:(1)构建了山西焦煤储层微观孔裂隙表征体系,采用低温液氮吸附、高压压汞试验直接测定,并结合扫描电镜SEM以及显微CT扫描三维重构及数学分形维数的方法,合理的阐明了吸附性气体与非吸附性气体的长时间作用对煤体微观结构的差异化影响。(2)通过低温氮吸附实验与压汞实验,发现气体与三轴应力作用对焦煤内部孔隙形状、比表面积与孔隙体积产生影响,进而改变焦煤的吸附性与渗透性。实验测得非吸附性气体氦气与三轴应力共同作用后的山西焦煤试样孔比表面积降低,孔容升高;吸附性气体氮气与三轴应力共同作用后山西焦煤试样孔隙形状复杂化,孔比表面积提高,孔容降低。(3)通过SEM电镜观察试样表面微纳米级孔隙的变化,进一步明确了煤体微观孔隙结构的主要影响因素,对比实验发现三轴应力作用为焦煤微观孔隙结构改变的主要影响因素,气体孔隙压力为次要影响因素,而气体吸附作用则对影响因素均有促进作用,加剧了二者对煤体微观孔隙结构的影响。(4)直观揭示了吸附性气体与非吸附性气体对煤体空间结构影响,对山西焦煤试样进行CT扫描及三维重构,还原了焦煤经长时间气体氛围与三轴应力共同作用下,微观孔隙的变化过程,精细化表征了气体氛围与三轴应力作用对煤体微观空间结构产生的影响。(5)通过实验发现吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中微孔、小孔产生影响,是因为氮气氛围与三轴应力对焦煤比表面积影响明显;非吸附性气体主要对焦煤孔隙结构中中孔、大孔、可见孔产生影响,是因为氦气氛围与三轴应力对孔容的影响较大。我国高瓦斯突出矿井众多,主要分布于松软低渗透煤层区域,本论文研究成果对于此类型煤层瓦斯灾害防治、瓦斯消突以及煤层气抽采机理的研究具有参考借鉴的价值。

关键词： 瓦斯运移   纳米级孔隙   渗透率   多尺度  

摘要： 煤体内部孔隙分布范围广泛,随着开采深度的增加,煤体中纳米级孔隙越来越多,严重影响了煤层气的运移和产出。纳米级孔隙中的气体运移规律,不同于常规达西流动,其流动方式随孔隙尺度和气体压力变化,且呈多种流态并存的非线性气体流动。但是,对于纳米级孔隙及低压条件下,气体流动规律和控制模型仍然存在争议,与工程应用也有较大偏差。因此,研究纳米级孔隙内气体非线性流动规律,是煤层瓦斯运移方面的重要内容及理论支撑,对煤层气开发利用、煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。为研究气体于纳米级孔隙中的流动规律开展了以下工作:首先选取了PMI渗透率测试实验系统,以及具有典型纳米级孔径和微平板高度的均匀孔隙氧化铝薄膜作为试样,为开展实验做准备;根据氧化铝薄膜SEM成像,利用MATLAB编程计算薄膜孔隙参数,通过对比分析了二值化法和最大稳定极值区域检测法,改进了氧化铝薄膜表征方法;首次较为系统全面的开展了不同纳米级孔径、不同气体性质、不同流动截面积以及跨尺度气体流量随平均压力变化规律的物理模拟实验;根据气体流动实验结果,对比分析了前人描述气体流动的控制方程,引入了符合广域努森数下的气体流动控制方程,分析了甲烷气体于纳米级孔隙中的流动规律。研究结果表明,表征氧化铝薄膜孔隙方法中,最大稳定极值区域检测出样品固有渗透率范围是0.0033m D～0.7618m D,二值化检测结果是0.0084m D～1.1730m D,二值化检测结果偏大,经效果图及理论验证,孔形近圆的薄膜最大稳定极值区域法更为准确,孔形与圆形偏差较大的薄膜,二值化检测结果更为准确;气体于纳米级孔隙中,渗透率随压力增大不断减小,且减小幅度随着孔径增大逐渐增大;不同气体于同一样品中,氦气所测渗透率大于氮气,但不同气体测得渗透率随克努森数变化规律基本一致,不同气体具有不同的传输能力;不同的流动截面积几乎对渗透率没有影响,气体流经不同尺度的孔隙时,较小孔隙占据主导地位;考虑滑脱流动与克努森扩散权重相加的流动模型与实验数据呈现更好的一致性。本文通过气体于均匀纳米孔隙中的实验研究,定性分析了气体在纳米孔中流动的规律,并验证了滑脱流动与克努森扩散权重相加的流动模型来描述气体流动状态更为合理,为建立考虑孔隙结构参数的多尺度孔隙数学模型奠定基础。

关键词： 格子Boltzmann方法   非等温   流体驱替   孔隙尺度   驱替效率  

摘要： 利用格子Boltzmann方法,在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究,定量分析温度粘性膨胀系数(βT)以及路易斯数(Le)对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明:随着βT的增大,界面不稳定性增强,驱替效率降低.当βT> 0时,随着Le的增大,界面不稳定性减弱,驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓,指尖残余率减小,驱替效率增大.当βT<0时,Le对于驱替效率的影响相反.

关键词： 燃料电池   气体扩散层   孔隙尺度   格子Boltzmann方法   结冰  

摘要： 针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.

关键词： 孔隙网络模型   固有渗透率   流动特性   孔隙特征  

摘要： 目的:研究土体内部的流动现象对岩土、农业及地质工程等领域具有重要意义。本文旨在探讨孔隙的平均直径、直径标准差、配位数及各向异性对土体内部水压、流量分布、流动模式及关键流动路径的影响,为评估土质屏障中的优势流动行为提供依据。创新点:1.在孔隙尺度分析孔隙特征对土体宏观渗透率及内部流动规律的影响;2.评估多个孔隙特征参数(如孔隙的平均直径、直径标准差、配位数及三种孔隙直径分布形式)对土体内部优势流动行为的影响。方法:1.将土体孔隙空间简化为由孔隙与吼道互相连接构成的球-杆模型,并通过改变孔隙和吼道的特征参数来描述复杂的孔隙结构;2.利用孔隙网络模型得到单元体内部水压和流量分布情况,为计算土体固有渗透率和评估其流动特性提供基础数据;3.基于击穿路径的概念,分析不同孔隙特征下土体内部流动的迂曲和非均匀程度;4.通过引入吼道收缩系数,调整水平或竖直吼道直径大小,评估孔隙各向异性对流动规律的影响。结论:1.土体的孔隙率和固有渗透率均随着孔隙直径平均值的增大、标准差的减小及配位数的增大而增大。2.孔隙直径的变异系数(COV)越高,土体内部水压和流量的分布越不均匀;配位数的提高会削弱水压的局部化分布但会提高流量的不均匀程度。3.随着COV的提高,击穿路径变得更加曲折;当COV由0增加到1.0时,击穿路径的迂曲度由1.00增加到大约1.71,击穿路径承担的流量占总流量的比值由2.0%提高到7.8%。4.水平与竖直吼道直径比值的提高,也会导致击穿路径迂曲度的提高;水平与竖直固有渗透率的比值和水平与竖直吼道直径的比值呈双对数线性相关。

关键词： 泡沫   多孔介质   微孔模型   稳定性   孔隙尺度  

摘要： 针对目前泡沫稳定性用常规空间代替多孔介质进行评价,不能准确反映泡沫在多孔介质中的稳定性问题。利用气相和液相电导率不同,提出了电导率法评价多孔介质中泡沫稳定性。采用电导率法研究了泡沫在不同孔隙半径的多孔介质中的静态稳定性;利用微孔模型模拟不同尺度的孔隙空间,运用显微放大技术,研究了泡沫在不同孔隙尺度空间中的泡沫结构、聚并过程及静态稳定性。实验结果表明:多孔介质会增强泡沫在其中的静态稳定性;孔隙尺度的大小影响进入孔隙中的泡沫存在形态从而影响泡沫的静态稳定性,随着孔隙尺度的减小,泡沫的静态稳定性增强。

关键词： 数值模拟   几何构型   丝网多孔介质   Forchheimer模型   压降  

摘要： 基于丝网多孔介质孔隙通道数值分析,研究不同几何参数的丝网多孔介质通道内的流阻特性ΔP、黏性阻力Au与惯性阻力Bu^2等变化特性。通过CFD软件建立三维稳态修正k-ω湍流模型保证计算精度,并选择5种不同丝径和孔径的4单元孔隙模型,开展低入口流速范围内的流阻特性研究。根据数值分析结果,得到不同构型下孔隙级通道的流阻特性,显示出构型对丝网通道内非线性流动阻力特性产生的显著影响。结果表明,丝网构型角度越小(θ=45°~90°),通道内流动阻力越大,而分压占比规律一致;流速越大(v=0.2~1.0 m/s),则非线性作用越大,惯性阻力占比越多。

关键词： 多孔介质骨架   固液相变   格子玻尔兹曼方法   两区域模型  

摘要： 相变储能材料中加入多孔介质骨架,可以有效地改善相变材料导热系数,增强其结构稳定性,防止相变材料泄漏,促进相变材料在电池热管理、太阳能发电等众多领域的应用。文章采用四参数法生成随机多孔介质骨架,并导入到固液相变两区域模型中,基于格子玻尔兹曼方法,从孔隙尺度分析了无量纲瑞利数(Ra数)、普朗特数(Pr数)、斯蒂芬数(Ste数)对方腔内填充多孔介质骨架固液相变融化传热的变化规律。结果表明:在相变期间传热方式由导热为主向自然对流传热改变,糊状区逐渐发生弯曲;Ra数越大自然对流越强,在达到准稳态阶段时融化率和热壁面平均Nu数都越大;Ste数越小,热壁面平均Nu数越大,相变材料融化速率越慢;在低Pr数(Pr<0.1)下,随着Pr数的增加,相变材料的融化速度逐渐增加,但Pr数增加到一定程度(Pr=0.1),继续增加Pr数,当达到准稳态阶段时,相变材料融化率不再发生变化。

关键词： 气体动理学   多孔介质   孔隙尺度   渗透率  

摘要： 将气体动理学格式(GKS)拓展到模拟多孔介质内的低速渗流,并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明:GKS具有二阶空间精度,能够较精确地计算多孔介质的渗透率;相比于单松弛格子玻尔兹曼方法,GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件,从而正确反映渗透率与黏性无关的特性;对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动,模拟结果与实验吻合较好,能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则,为研究多孔介质流动提供新的工具.