关键词： 煤   多尺度孔隙结构   扫描电镜   液氮-压汞联合实验   恒速压汞   渗透率   变质程度  

摘要： 煤中孔隙大小分布不均且分布范围较广,因而利用单一的方法难以对煤的多尺度孔隙结构进行有效地表征。为此,综合运用扫描电镜、低温液氮吸附、高压压汞、恒速压汞等实验方法,对煤的多尺度孔隙结构特征进行综合分析,并揭示变质作用对煤孔体积、孔比表面积的影响,以及煤岩渗透率与孔隙结构特征参数的关系。研究结果表明:(1)随煤变质程度增强,煤中纳米孔体积及孔比表面积均呈现先减小后增大的趋势,并且在R_(o,max)为1.8%左右时达到最小值;(2)煤样孔隙半径、喉道半径整体均呈现正态分布,并且随着煤变质程度的增加,最大分布频率对应的孔隙半径增大;(3)低煤阶烟煤煤样的喉道半径分布范围最宽,最大连通喉道半径及喉道半径平均值均最大;(4)无烟煤煤样的喉道半径分布范围最窄且最大连通喉道半径最小;(5)低、中煤阶烟煤煤样的孔喉比分布存在着单一主峰,并且主峰对应孔喉比相对较小;(6)煤岩渗透率与孔隙度、喉道半径平均值表现出了较好的正相关关系,其与孔喉比平均值呈负相关关系,而与孔隙半径平均值的关系则不明显。

关键词： 无膜微流体燃料电池   空气自呼吸阴极   孔隙尺度模拟   传质   格子Boltzmann方法  

摘要： 作为面向便携式移动电子设备的微型电源,微型燃料电池是燃料电池技术的重要分支,有重要的科学研究价值和工程应用前景。常规的微型直接液体燃料电池存在水管理困难、质子交换膜降解老化等问题,而无膜微流燃料电池（MMFC）利用微通道内平行层流自然地分隔燃料和氧化剂,去除了质子交换膜及复杂的流场板,已成为微型燃料电池领域新的技术发展方向和关注热点。空气自呼吸MMFC直接利用空气中的氧气消除了阴极侧采用溶解氧作为液态氧化剂引起的传质限制,提升了电池性能。近年来由于新型阳极结构和燃料传质强化,空气自呼吸阴极在高电流密度下会出现传质限制,影响了电池性能的进一步提高。因此有必要研究MMFC空气自呼吸阴极内的物质传输及电化学反应转化过程,揭示其影响规律和作用机制。但现目前MMFC空气自呼吸阴极已有数值模拟研究主要基于宏观模型,将扩散层、催化层等多孔介质简化为均质、各向同性多孔材料,对扩散层和催化层微观结构特征、物质传输和转化过程之间相互影响规律和作用机制尚不明确。针对上述研究不足,本课题针对MMFC空气自呼吸阴极,从介观角度探究各部件内部多组分传输过程和电化学反应相互耦合机制,为空气自呼吸多孔阴极结构设计提供指导性的研究成果。主要内容包括:（1）基于随机数值重构方法建立了扩散层和催化层微观结构的三维模型,通过参数调整控制生成多孔介质的形貌特征,同时预测了传输特性参数。（2）基于重构的催化层微观结构,采用BGK-LBM建立了耦合主流道影响的催化层内单相模型,研究了催化层孔隙率、过电位、各向同性/各向异性、聚合物电解质质量分数、电解液流量、铂载量对氧气传递过程和电化学反应动力学的影响。（3）针对耦合电解液主流道的空气自呼吸阴极内多组分物质传输与电化学反应转化过程,基于Fortran语言自编程开发了LBM模型,解决了大扩散系数比导致的数值不稳定性问题,研究了孔隙率、过电位、电解液流量、各向同性/各向异性扩散层、相对湿度对氧气、水蒸气在孔内、催化界面处、电解液内的扩散以及电化学反应的影响。主要研究成果包括:（1）常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数和有效质子电导率,从而高估空气自呼吸阴极性能。本文拟合Deff计算值得到公式:Deff=ε3.5Dbulk。（2）在催化层中,影响氧气传输的反应速率的主要原因是催化层微观结构的变化导致孔隙大小、聚合物电解质分布、反应位点数量及分布差异。孔隙率增大,传质阻力减小,反应位点数量降低,氧气浓度增大,平均电流密度越大。聚合物电解质质量分数的改变会改变氧气传输阻力和反应位点数量,聚合物电解质质量分数为0.3时,平均电流密度较高。催化剂制备须慎重选择聚合物电解质质量分数,既需要保证足够的反应位点数量,也需要避免因聚合物电解质质量分数过高导致氧气传输过于困难。相比于各向同性和横向排布各向异性,纵向排布各向异性结构的催化层电化学性能较好,因此有序电极开发是下一阶段催化层结构设计的发展方向。电解液流量对氧气传输影响不显著,但提高电解液进口流量会略微降低平均电流密度。当进一步考虑铂颗粒的影响时,缓慢的反应动力学和铂颗粒数量成为了影响电化学性能的主要因素,催化剂制备不能单纯增加或降低铂载量,应同时考虑成本和铂颗粒有效利用率的问题。（3）扩散层微观结构对反应气体的传输有重要影响,孔隙率减小导致传输阻力增大、局部氧气浓度和水蒸气浓度降低,并且复杂的多孔结构会造成局部反应速率不均匀分布。各向异性的扩散层性能优于各向同性。空气中相对湿度增大,扩散层中水蒸气浓度增大,高电流密度时可能发生水蒸气冷凝形成液滴堵塞扩散层孔隙,降低氧气传质速率,因此电池应尽可能运行在较低的相对湿度工况。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度模拟   格子Boltzmann法   生物质炭   流动模拟   溶质运移  

摘要： 研究孔隙尺度上的土壤水流与溶质运移过程对于了解植物根际养分吸收、微生物活动、地下水污染过程有重要意义。由于在微观尺度上进行实验研究具有较大难度,利用微观CT技术获取较高精度的土壤孔隙结构信息,再基于CT图像进行直接建模已成为孔隙尺度研究的热点方法。在孔隙结构给定的情况下,水流过程的模拟可以通过计算流体力学方法求解Navier-Stokes(N-S)方程实现。传统的数值模拟手段主要通过有限元法、有限体积法、有限差分法等对N-S方程进行离散求解。但是,这些方法在处理多孔介质的复杂边界时常常遇到困难,模拟结果难以收敛。格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种联系宏观与微观,具有动力学背景的介观数值模拟方法,可有效解决在多孔介质复杂边界内模拟的难题。本文基于格子Boltzmann法在同步辐射X射线显微CT获取到的高精度多孔介质结构中进行水流运动和溶质运移的模拟,实现了对真实三维土壤团聚体(分辨率3.7μm,节点数达64,000,000)中水流运动和溶质运移过程的直接模拟,探究了多孔介质空间异质性对土壤水力学特性以及溶质运移特性的影响,并利用发展起来的模型方法量化分析了生物质炭在改良土壤团聚体结构中的水力学效应及对溶质运移的影响。具体工作如下:(1)开发了一套基于LBM和GPU(Graphics Processing Unit)并行技术的孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法。利用基于BGK(Bhatnagar、Gross、Krook)近似的单松弛度模型进行孔隙水流和溶质的模拟。这一方法采用了格子Boltzmann法D3Q19模型分别对N-S方程和对流-扩散方程进行回溯,并基于GPU架构实现水流和溶质运移的并行模拟。(2)我们采用开发的方法首先对人工构建多孔结构中的水流运动和溶质运移过程进行模拟,并在异质性程度不同的孔隙结构内进行测试,得到了渗透率、迂曲度、纵向弥散系数等宏观参数以描述多孔介质的水力学特性。随后,将三维格子Boltzmann法应用于真实土壤样品结构的水流运动和溶质运移模拟中。经过多次GPU并行优化之后,计算效率得到极大提升,实现了更大尺度样品的模拟,为后续进行更深入的研究提供了有力支持。(3)将该方法用于研究生物质炭添加对于土壤团聚体水力学性质的影响。为探明生物质炭用于黏土改良时对土壤饱和水力学特性的影响的微观机理,我们选择红壤和砂姜黑土作为低产土壤的代表,利用杂木炭来进行培育改良。在由同步辐射X射线显微CT获取生物质炭添加前后的团聚体结构图像的基础上,直接进行三维格子Boltzmann法的孔隙水流模拟,得到了完整的流场;进而研究了生物质炭改良引起的渗透率、迂曲度的变化情况,发现弯曲无定向的孔隙结构造成了测试样品的渗透率和迂曲度的各向异性,这种特性较难通过传统实验来确定。另外,我们探究了渗透率、迂曲度与样品尺寸的关系,即尺度效应。(4)最后,在流动模拟的基础上,利用LBM模拟孔隙结构中溶质的对流弥散运移过程,进一步探索生物质炭添加对于溶质运移的影响。研究发现,生物质炭改良降低了黏土孔隙水流速的空间变异性,在改良团聚体内部的弥散系数提高了一个数量级,这不仅与溶质的扩散有关,更由孔隙结构变化引起的流场变化直接决定。我们观察到在相同的水力梯度下,生物质炭改良后的土壤中更容易发生反常弥散,即弥散通量与浓度梯度之间的关系偏离菲克(Fick)关系。而这一现象的产生,是由机械弥散、分子扩散等不同机制所主导,可通过不同Pe数下的弥散系数分区进行进一步界定。本研究开发了一套高性能孔隙尺度三维饱和土壤水流与溶质运移的模拟方法,首次结合同步辐射X射线显微CT和孔隙尺度物理模型研究了生物质炭改良对土壤团聚体水力学特性和其内部的溶质运移过程的影响。论文中提出的理论和方法对于认识多孔介质中水流运动和养分迁移的微观机制有着重要意义。

关键词： 泡沫材料   热辐射   光谱特性   孔尺度   半透明   双尺度耦合  

摘要： 高孔隙开孔泡沫材料是一种轻质的新型高效换热介质,在太阳能高温热利用、电子器件冷却、高效强化换热、高温储热等技术领域具有广泛的应用需求和发展前景。在高温应用中,泡沫材料内的辐射传输规律与特性对系统技术性能起着关键作用。目前对此类过程的复杂热辐射输运机理与特性缺乏深入研究,尚未掌握辐射能量与孔隙结构的细观作用机制,缺乏高温辐射特性数据及可靠的预测方法,从而制约了高孔隙泡沫材料的高温应用与相关新技术的发展。本文针对耐高温高孔隙开孔泡沫材料的孔隙尺度辐射传输问题,开展孔隙结构的参数化仿真重建、孔隙尺度辐射传输数值建模与机理分析、辐射特性参数预测及实验测量、双尺度耦合分析等研究。采用SEM和μ-CT技术获取镍泡沫和氧化铝泡沫的形貌图像及结构特征数据,统计常用的结构表征参数。采用Voronoi元胞模型对这两类泡沫材料进行参数化结构仿真重建,并进一步对泡沫骨架的典型肋筋进行更细致的结构描述。在上述研究基础上,针对基材不透明(金属)和半透明(陶瓷)两类泡沫材料,在几何光学假设下,采用MCRT法,分别建立孔隙尺度辐射传输的模拟方法和辐射特性参数求解模型,编制计算程序,进行可靠性验证。进一步,针对MCRT计算量大的问题,基于空间剖分算法,构造孔隙尺度辐射传输模拟的加速求解技术。基于μ-CT扫描结构,分析镍泡沫板的发射和反射辐射特性的孔隙尺度特征。基于参数化重建的泡沫仿真结构,计算分析材料的衰减系数、散射反照率、散射相函数等介质辐射特性参数,拟合预测关联式;预测镍、铜泡沫材料的高温介质辐射特性。利用FTIR光谱仪,测量镍泡沫的法向-法向透射比;结合积分球,测量镍泡沫的法向-半球透射比/反射比数据;通过测量数据与孔隙尺度模拟结果、关联式预测结果的对比,验证泡沫仿真结构和孔隙尺度辐射传输模拟方法的可靠性。将孔隙尺度辐射传输模拟应用于高温镍泡沫的等效黑体温度分析,并考察连续尺度模拟方法的可靠性。针对基材半透明的泡沫材料的μ-CT扫描结构,模拟分析氧化铝单肋筋和泡沫板的表观辐射特性。基于参数化表征的泡沫仿真结构,从孔隙尺度计算获取介质辐射特性参数、建立预测关联式;基于关联式,预测氧化铝、氧化锆两种陶瓷泡沫的高温介质辐射特性参数。实验测量氧化铝泡沫的法向-法向透射比、法向-半球透射比/反射比数据,验证半透明肋筋泡沫材料辐射传输的孔隙尺度模拟和预测关联式的可靠性。针对高孔隙泡沫材料辐射传输的孔隙尺度模拟计算效率低、而连续尺度模拟无法直接反映孔隙结构依赖性的问题,提出求解基材不透明和半透明泡沫材料辐射传输的双尺度耦合模拟方法。将该模拟方法分别应用于镍泡沫和氧化铝泡沫的辐射传输分析,发现能够在一次模拟中同时获得孔隙尺度和连续尺度的辐射传输信息,并大幅度提高计算效率。通过本文研究,发展了泡沫材料仿真结构的参数化表征方法;建立了半透明肋筋泡沫材料内辐射传输的孔隙尺度分析模型和模拟方法;构建了高效求解金属泡沫与陶瓷泡沫内辐射传输的双尺度耦合模拟方法;预测了镍、铜、氧化铝等典型泡沫材料的高温辐射特性数据;明确了这些泡沫材料辐射特性与其基材辐射性质、孔隙结构参数之间的定量依变关系。上述研究,为深入认识高孔隙泡沫材料的孔隙结构及辐射传输机理、预测泡沫材料的高温辐射特性参数提供了理论基础和分析方法。

关键词： CO2封存   润湿性   非均质性   孔隙尺度   X射线CT  

摘要： CO2咸水层封存作为一种封存潜能巨大的碳减排技术,是实现我国碳减排目标、缓解温室效应与全球气候变化有效且迅速的手段。微观尺度阐明CO2咸水层封存机理对于评估其封存潜能与安全性具有重要意义。咸水层具有岩石矿物组成多样、地质结构复杂的特点,因此岩层润湿性与非均质性研究对于CO2咸水层封存至关重要。以此为背景,本文开展了孔隙-岩心尺度润湿性与非均质性对CO2咸水层封存的影响机理研究。搭建了CO2封存模拟可视化实验平台,开发孔隙尺度气-液-固三相识别与分析方法,实现了岩心孔隙壁面的局部润湿性表征,阐明了地层温度、压力、盐度等因素对岩石润湿性的影响;研究了孔隙-岩心尺度岩石润湿性与非均质性对气-水两相流动和CO2捕获的影响机理,发现了CO2-咸水在孔隙内的微观运移机理与形态分布特点。具体研究内容如下:设计搭建了基于微焦点X射线CT与微孔玻璃板模型的CO2封存模拟可视化实验平台,开发了气-液-固三相CT扫描与灰度分析技术,采用局部阈值分割法解决了CT图像中气液两相因灰度值接近难以识别的问题,并基于CT图像获得了玻璃砂、石英、长石与白云石填砂多孔介质的孔喉分布、迂曲度、孔隙特征和相表面曲率等重要参数。提出了应用孔隙尺度局部接触角表征多孔介质润湿性的方法,实现了 CO2-咸水接触角孔隙尺度原位测量,发现多孔介质局部接触角具有正态分布特性,驱替与吸入过程存在接触角迟滞现象,其主要原因是受流速影响区域相界面会产生膨胀或收缩,盐度、温度和压力的增加均会使岩石的润湿性变差。研究了驱替过程非均质性与润湿性对多孔介质内CO2-咸水流动影响。非均质条件下,驱替稳定性会随驱替前缘的发展而变差,毛细管力“栅栏效应”破坏了均质条件下CO2饱和度与局部孔隙度的线性关系;对于垂直向上驱替过程,非均质性对CO2分布的影响随着注入速度的增大而增强,对于垂直向下驱替过程结论则刚好相反。在相同注入流速下,多孔介质润湿性越强,越容易发生CO2对咸水的局部不稳定驱替,驱替过程结束后润湿性的变差会使水相连续性变差,并导致CO2-咸水相界面面积减小。在CO2封存后期咸水吸入过程中,在玻璃砂和石英砂填砂岩心内均观测到了气、水柱塞式移动前缘和CO2夹断现象,CO2毛细捕获易发生在润湿或孔隙结构转变的区域。发现了单个孔隙内CO2破裂现象,它易发生在高流速且具有大孔隙、细长喉道的多孔介质中,CO2破裂后会形成大量附着于孔隙壁面的孤立气泡,增加了CO2与咸水的接触面积,有利于CO2溶解捕获的发生。

关键词： Petroleum engineering  

摘要： Chemical additives such as surfactants, microemulsions (MEs), and nanofluids are often added to brine to enhance oil recovery or remediate aquifers contaminated by non-aqueous phase liquids (NAPLs). The goal of this fundamental study was to examine the effect of these additives on multiscale oil displacements in six aged sandstones and carbonates (Berea, Bentheimer, Tensleep, Arkose, Edwards, and Fond Du Lac) and identify the test conditions in which chemicals exhibit superior performance. Several mechanisms such as reduction in NAPL/brine interfacial tension (IFT), oil emulsification, reduced NAPL layer thickness, and wettability alteration were responsible for the recovery enhancement. Macroscale tests indicated that the solubilization capacity of MEs was superior in Tensleep compared to Berea and Edwards due to MEs’ unique ability to penetrate microporous dolomites and alter their wettability. This solubilization ability was confirmed by x-ray microtomography experiments with Arkose where MEs were able to restore the wettability of pore surfaces by penetrating rough carbonate cements and desorbing asphaltenes in the form of small emulsified NAPL droplets. The surfactant formulation was further optimized to improve MEs’ ability to enhance NAPL recovery. Four different nonionic surfactants (alkyl glucosides, linear/branched alcohol ethoxylates) were selected to establish structure-function relationships in some of these rocks. The synergistic mixing of alkyl glucosides with alkylphenol ethoxylates exhibited a compact geometrical packing at NAPL/brine interfaces and a complementary effect on IFT reduction and wettability alteration, recovering the largest amounts of NAPL in carbonate-bearing rocks compared to other surfactants. This mixture was then used to prepare a nanofluid composed of microemulsions with in-situ synthesized silica nanoparticles. The microscale NAPL displacements by the nanofluid in Arkose sandstone was examined using a micro-CT scanner integrate

关键词： 旋转圆盘电极   杂原子掺杂石墨烯   动力学参数   计算流体力学  

摘要： 氮掺杂的石墨烯本身具有良好的电化学性能,制备的微球结构因具有大比表面积,电催化性能更加优异,作为超级电容器电极材料具有广泛的应用前景。旋转圆盘电极是测量材料电化学本征反应速率的一种常用方法,通过旋转运动产生的强迫对流,可在一定范围内消除浓差极化。然而采用经典电极动力学模型(Koutecky-Levich公式)得到的反应速率仍然受传质过程影响。且氮掺杂的石墨烯微球电极并非传统的平板电极,表面的多级孔隙结构也会形成传质限制,导致本征反应动力特性计算出现极大的偏差。本文针对本征反应动力学特性计算难的问题,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,通过数值模拟传质和反应动力过程之间的竞争,重现电流密度随电压变化的实验曲线,获得更接近本征反应动力学的参数。主要研究内容及工作如下:1.对旋转圆盘电极内部的速度场进行了数值模拟,研究电极的水动力学特性。以旋转圆盘电极中心的轴向速度表征电解液的传质能力,分析电极尺寸和位置对旋转圆盘电极传质效率的影响;并通过对四个无量纲数的讨论,给出了旋转圆盘电极结构设计的优化准则。2.对旋转旋转圆盘电极表面及附近的浓度场进行了数值模拟,研究电极外部传质对电催化性能的影响。基于NS方程建立了包含详细传质过程的电极动力学模型,对电极表面及其周围流体的速度场与组分的浓度场进行了精细化求解。通过重现电流密度随电压变化的实验曲线,获取电极的本征反应动力学参数。进一步,将该值与经典K-L公式获取的反应动力学参数相比较,给出其电压适用范围及反应速率常数的修正方法。3.对多级孔隙结构电极内部浓度场进行了数值模拟,研究电极内部的传质对电催化性能的影响。构建四种理想化的几何模型,以无量纲数Thiele模数表征传质与反应的竞争关系。对Thiele模数在不同结构特征的形式进行了分析,给出了外部多级孔隙结构Thiele模数的改进公式。

关键词： 颗粒尺度效应   多尺度本构关系   多尺度Mohr-Coulomb准则   孔隙尺度效应   边界滑移  

摘要： 土体是自然界最广泛的工程材料,合理掌握土体力学特性是保证工程安全和稳定的重要前提。然而,土体复杂的物质成分和随机易变的微细观结构使其力学特性仍未准确掌握,一些经过“精心”设计的岩土工程项目仍然经常出现严重的工程问题甚至发生工程安全事故。土体力学特性的复杂性主要源于颗粒间的相互作用特性和孔隙尺度特征(即孔隙尺度及分布特征)及其演变。颗粒间的相互作用主要是通过界面上的物理-化学效应如颗粒间摩擦和挤压、颗粒-水和气的吸附、砂粒与粘粒胶粒的胶结等来实现的,其性质与颗粒尺度密切相关,将影响作为土体力学性质而呈现“颗粒尺度效应”。土体变形通常伴随孔隙压缩和渗流,引起大孔隙湮灭和微小孔隙萌生等孔隙尺度特征变化,由此产生固结变形的“孔隙尺度演变效应”;颗粒-孔隙液的物理化学效应将显著影响土体渗流特性,该影响与孔隙尺度密切相关,随着孔隙尺度的减小而逐渐显著,由此呈现渗流的“孔隙尺度效应”,进而影响土体渗流过程,使土体力学特性更加难以掌握。本文主要针对上述问题,深入微细观尺度层次,重新考虑问题的内在机制,建立相关的模型理论并给上述问题的理论分析。主要研究工作和成果如下:(1)针对不同应力应变状态的颗粒尺度效应进行研究,展示直剪试验与三轴试验颗粒尺度效应的差异。基于剪切绕流以及基体-增强颗粒的作用特性,对直剪试验的颗粒尺度效应进行了理论分析,并对直剪试验与三轴试验之间颗粒尺度效应的差异给出合理的机理解释。(2)基于多尺度胞元模型,利用等效夹杂理论和材料的弹塑性变形特性,确定考虑基体塑性变形的应变集中张量,由此利用各尺度层次上的关联性及能量法则,导出土体本构关系;引入量纲平衡参数(即内禀尺度)对应力和偶应力进行耦合,由此获得表征土体内禀特性的特征长度参数,并分析土体颗粒尺度对其内禀特性的影响。(3)基于多尺度胞元模型,考虑细观基体-增强颗粒的作用特性,导出包含细观特性参数的Mohr-Coulomb准则,并展示屈服轨迹的颗粒尺度效应特征;引入相对转动梯度和内禀尺度,导出有限元计算的刚度矩阵,并编制有限元程序对应力局部化问题、应变局部化问题和颗粒尺度效应进行算例分析。(4)基于固结变形过程中孔隙尺度演变的试验,导出考虑孔隙尺度演化的非线性固结方程;基于文中孔隙尺度演化固结理论,给出超孔隙水压力消散、固结压缩变形和平均固结度随时间变化的一系列计算曲线,解释有关文献中报道的不同固结荷载下土体复杂的固结变形特性。(5)基于固-液界面的摩擦机制,考虑孔隙液粘结强度的影响而建立与水力梯度相关的边界滑移模型;利用Poisson方程、热力学平衡条件和Navier–Stokes方程,导出低渗透性土的渗透性模型理论,据此分析土体微-纳米尺度孔隙渗流特性的作用机理和影响机制,描述了渗透系数随水力梯度增加或减小的现象。

关键词： 随机堆积结构   大涡模拟   孔隙尺度   分形维数   幂律火焰褶皱模型   湍流-火焰相互作用  

摘要： 多孔介质燃烧是指采用多孔介质材料取代自由空间,使可燃混合气或燃油蒸汽经固体多孔介质,在类似于过滤情况下发生的燃烧,其广泛存在于自然界和工程实际。多孔介质内湍流燃烧是燃烧学的一个重要分支,由于复杂的多孔介质结构对其内的湍流特性、传热特性、燃烧过程及湍流-火焰间的相互作用等影响很大,多孔介质燃烧与其他燃烧过程存在较大差异。为了深入分析多孔介质内的湍流预混燃烧特性,本文采用与填充型多孔介质实际结构更为接近的随机堆积模型,结合基于大涡模拟方法的湍流模型与燃烧模型,对孔隙尺度下多孔介质内的流动、传热及燃烧过程进行数值模拟研究,本文主要完成的工作如下:首先,采用两种不同的仿真方法建立了与实际随机多孔介质结构相似的几何结构模型。一种方法是通过模拟单元体自由下落、碰撞及堆积过程,得到类似于实际堆积床结构的随机堆积模型;另一种方法是通过模拟发泡剂的随机分布、气核膨胀、气泡破碎以及停止增长过程,得到的类似于真实泡沫陶瓷结构的种子生长模型。由于在生成几何结构过程中,两种方法均是对多孔介质材料实际生产中的主要流程进行仿真,再结合MATLAB软件完成快速批量建模指令,进而实现模型输出,因此上述两种模型与实际多孔介质结构高度相似,均具有鲜明的随机性特征,同时具有生成快速的优势。其次,以随机堆积的几何结构模型为基础,在孔隙尺度下对多孔介质内流体的流动与传热过程进行数值模拟研究。通过模拟结果与实验数据的对比,全面验证了多孔介质结构模型、湍流模型及传热模型的有效性;在此基础上,对模拟结果进行了宏观分析,发现堆积结构内,平均孔隙率和多种流动标量及传热标量,均呈现周期性变化的分布特性,并详述了气体速度、颗粒大小等参数对多孔介质内湍流场和温度场的影响;应用大涡模拟方法(LES)研究了多孔介质局部区域内的流体流动特性及温度分布特性,通过对孔隙尺度下湍流场及温度场的细致分析,探索特征涡旋在多孔介质结构内的空间分布规律,确定了涡旋变化过程的时间尺度范围、等温面形状变化及形状复杂度等特征规律;同时应用雷诺平均方法(RANS)模拟得到同工况下的湍流场及温度场,将其与大涡模拟结果进行对比,讨论了两种方法的差异及其各自的优势。再次,基于上述随机堆积结构模型,将大涡模拟方法与双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型相结合,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内的燃烧过程。通过模拟结果与实验数据的对比验证了模型的有效性;深入分析了多种工况下堆积内的火焰分布、火焰面特性及温度分布规律,讨论了入口速度,燃气当量比和堆积结构等参数对燃烧过程及火焰特性的影响;通过对多孔介质特殊结构内的湍流-火焰相互作用进行定量分析,确定了多种工况下湍流火焰的分区规律。最后,采用球形封闭腔对随机堆积结构进行切割,得到可用于孔隙尺度模拟的几何结构,将大涡模拟方法与幂律火焰褶皱模型相结合,模拟了氢气-空气预混气体在随机多孔介质结构下的封闭空间内的燃烧过程。通过将模拟结果与不同湍流背景下的实验数据进行对比,完整地验证了模型的有效性;同时分析了不同结构内球形火焰的分布情况、火焰面厚度、火焰面传播速度、火焰面半径、火焰面积及火焰面上平均涡量值随时间的变化规律;并基于火焰面上Karlovitz数的分布情况,定量分析了多孔介质内湍流-火焰的相互作用,从而确定了多种结构内的湍流火焰分区规律;将基于幂律火焰褶皱模型的模拟结果与应用EBU-Arrhenius模型得到的结果进行对比,分析了幂律火焰褶皱模型的优势及其必要性。

关键词： 格子玻尔兹曼方法   锌镍单液流电池   孔隙尺度   多孔电极  

摘要： 随着传统化石燃料的大量使用,环境污染日益加重,以风能、太阳能等可再生能源补充甚至替代传统化石能源已刻不容缓。为实现风能、太阳能等可再生能源稳定供电,开发高效的大规模储能技术具有非常重大的意义。液流电池相比于其他储能技术具有输出功率和容量相互独立,系统设计灵活,使用寿命长,运行稳定,能量效率及可靠性高等突出优势,应用前景非常广阔。锌镍单液流电池是一种单液流电池,由防化研究院于2007年提出,其正极为多孔烧结氧化镍,负极采用镀镍冲孔钢带作为负极的基体,电解液为碱性锌酸盐溶液。锌镍单液流电池具有系统简单、高能效、低成本、长循环寿命的特性。锌镍单液流电池为大规模储能提供一个优良的解决方案。本文利用格子Boltzmann方法（LBM）从孔隙尺度研究了锌镍单液流电池多孔正极内的流动传质与电化学反应的耦合问题,分析了锌镍单液流电池多孔正极充电过程中的电化学反应机理,主要研究工作如下:1)提出了一种描述稳态条件下锌镍单液流电池烧结镍电极内部传质和化学反应的孔隙尺度LBM模型,但只考虑了OH-浓度的变化及其对电化学反应的影响。模拟了电池充电过程中,正极荷电状态为50%时的稳态反应过程,探究了进口电解液流速、充电电流密度及多孔电极孔隙率对电极内OH-传质和化学反应的影响。2)提出了一种描述稳态条件下锌镍单液流电池电极内部传质和化学反应的孔隙尺度LBM模型。考虑了OH-、H+、过电位等因素,建立了比较完善的锌镍单液流电池流动传质LBM模型,模拟了电池充电过程中,正极荷电状态在50%时的稳态反应过程,得到了孔隙内OH-浓度、电流密度、固相质子浓度、固液相电势以及过电位的分布规律;探究了进口电解液流速、充电电流密度及多孔电极孔隙率对电极内传质和化学反应的影响。3)提出了一种描述瞬态条件下锌镍单液流电池烧结镍电极内部传质和化学反应的LBM模型,模拟了电池充电过程中的瞬态反应过程,得到了孔隙内OH-浓度、电流密度、固相质子浓度在充电过程中的分布规律;探究了充电电流密度、多孔正极厚度及多孔电极孔隙率对电极内传质和化学反应的影响。基于上述工作,获得了一些锌镍单液流电池多孔正极内传质规律及电化学反应机理。