关键词： 木材   孔隙结构   影响因素   表征方法  

摘要： 介绍木材中宏观-介观-微观多尺度孔隙的分布、孔隙尺寸、孔隙形貌等孔隙结构,木材自身因素及干燥、热解等加工处理对孔隙结构的影响,压汞法等木材传统孔隙结构表征方法的优缺点,差示扫描热孔计法、核磁共振冷孔计法和超极化129Xe核磁共振法等新兴表征技术的基本原理,提出今后应结合多种表征技术重点探索木材介微观孔隙结构,以此为切入点探讨木材的物理力学性能,以期有助于推动木材孔隙结构的深入研究及其在其他领域的应用。

关键词： 天然气水合物   高精度X-CT   孔隙尺度   微观分布   饱和度  

摘要： 摘要在高分辨率工业型X射线层析扫描仪上（X-CT，X-Ray Computerized Tomography），研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态研究的CT原位探测装置，可通过模拟天然气水合物生成／分解过程，直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征．对粒径为0．425-0．85mm沉积物中水合物形成过程进行了CT观测研究，结果表明，沉积孔隙中水合物呈混合分布模式，但在水合物不同形成阶段，以某种分布模式为主导：在水合物形成初期，仅有极少量水合物悬浮在流体中，水合物主要以接触或胶结模式为主；在水合物形成中期（如饱和度为24．6％、35．0％时），水合物倾向于在孔隙流体中以悬浮状形态生成；在水合物形成后期（如饱和度为51．4％之后），悬浮状的水合物慢慢生长聚拢在一起，水合物又重新胶结沉积物颗粒．

关键词： 随机多孔介质   格子Boltzmann方法   孔隙尺度   孔隙率   渗透性  

摘要： 为了探索多孔介质渗透性与孔隙率之间的关系,应用格子Boltzmann方法(LBM)以及无滑移流固边界条件,从孔隙尺度模拟了二维随机多孔介质中的流体流动.通过研究流量和压力梯度的关系,验证了格子Boltzmann方法模拟的Darcy定律.研究结果表明:在孔隙率较低(约小于0.3)的情况下,渗透性与孔隙率近似成指数关系变化,与前人的结果吻合.

关键词： 韩城矿区   构造煤   孔隙结构   多尺度   分形维数   非均质性  

摘要： 以韩城矿区为研究区域,系统采集不同类型构造煤样,采用前人划分方案,确定构造煤煤样类型。在分析整理韩城矿区原有地质资料的基础上,结合煤层变形特征和煤样宏观与微观观测结果,定性描述了构造煤变形特点。采用显微CT法、压汞法、低温氮吸附法等多种测试手段,结合盒维数、热力学、FHH等分形理论模型对筛选的不同变形强度的典型构造煤(碎裂煤、碎粒煤、碎粉煤、鳞片煤、糜棱煤)的渗流孔和吸附孔孔隙结构进行了多尺度下的精细化、定量化表征。在此基础上深入探讨构造变形作用对煤的孔隙结构演化控制机理,为构造复杂区煤层气可采性评价提供重要研究基础和理论支撑。 结果表明,受到构造应力作用的影响,不同类型构造煤变形特征在宏观与微观尺度下具有一致性。煤体结构整体上随构造变形程度增强表现出煤颗粒粒度减小,煤体硬度降低的特点。脆性变形煤变形以脆性破裂为主,表现为角砾、外生裂隙等特征,而脆韧性与韧性变形煤不仅发生脆性破裂,还具有韧性流变现象,表现出揉皱、流纹等特征。不同类型构造煤变形特征均影响了孔隙结构特征。弱脆性变形使煤体角砾孔和微裂隙发育,导致其大孔含量较多；强脆性变形使角砾破碎为碎粒,导致碎粒孔增加,使大孔比例减小,中孔比例增加；韧性变形作用使煤颗粒进一步糜棱化,使煤岩物质重新排列,充填原有孔隙空间,结果使小孔比例降低,微孔比例增加。随着孔径分布情况的变化,孔隙度、孔容、孔比表面积和平均孔径等孔隙结构参数也发生相应变化。 分形维数能够表征孔隙结构的非均质性。孔隙结构越复杂,非均质性越强,其分形维数越大。研究发现：显微CT法表征结果中,脆性变形强烈的碎粒煤分形维数最大,原因是其角砾孔、碎粒孔十分发育,孔隙结构最复杂,而构造变形更强的脆韧性变形煤鳞片煤分形维数最小,分析其原因为韧性变形使糜棱质发育,堵塞较大孔裂隙,使大孔隙数量减少,分布零散,小孔隙虽大量增加但由于显微CT技术无法检测到纳米级孔隙信息,造成鳞片煤孔隙结构简单的假象,使其分形维数变小；与之相比,压汞法与低温氮吸附法表征结果中,分形维数可以定量反映出构造应力的强弱变化,可以作为构造煤孔隙结构变形程度的指示剂,分形维数随构造变形增强而增大,孔隙结构趋于复杂化,非均质性增强。

关键词： 化学热泵   多孔介质   格子-Boltzmann方法   多相反应   反应精馏  

摘要： 余热回收利用是提高能源利用效率和减少污染物排放的重要途径,低品位能源的品位提升是余热回收利用的一个有效手段。异丙醇／丙酮／氢气化学热泵是能够实现能量的品位提升与有效储存的高效节能新技术,其关键部件反应器内发生的催化反应过程对化学热泵的性能起决定性作用。为此,本文采用实验与理论相结合的方法,在反应层面、部件层面以及系统层面等不同尺度上研究单／多相催化反应器性能。研究内容围绕在稳态条件下提高反应器反应性能及为满足高效化学热泵系统构建而进行的反应器优化设计两方面而展开。通过揭示多相反应机理、建立多孔介质体系内多相多组分热质传递理论、构建高效循环系统,为反应器性能提升及化学热泵系统的优化设计提供重要科学依据与关键技术支撑。第2章从反应层面开展了针对异丙醇液相脱氢反应机理及反应强化的超声辅助实验研究。研究了传统雷尼镍催化剂和新型非晶态雷尼镍催化剂的催化活性,指出了非晶态雷尼镍催化剂具有较高的低温液相脱氢性能。同时指出异丙醇液相脱氢反应中异丙醇的吸附和解吸为反应速率控制步骤,且丙酮的吸附和解吸在两个活性位点上进行,首次得到了两种催化剂在Langmuir-Hinshelwood型反应动力学表达式。在超声辅助脱氢反应实验中,比较了超声波与搅拌器情况下异丙酮液相脱氢速率。结果表明：当超声功率大于等于26.87 W时,脱氢性能显著优于搅拌,低温下超声更有优势,揭示了超声作用强化反应机理。最后,获得了超声功率与异丙醇脱氢反应速率的定量关系式,为第4章、第5章反应器模型化提供基础。第3章从反应器尺度上,将分形理论与格子Boltzmann方法相结合构建了多孔介质内耦合化学反应的单相多组分流动与传热传质过程LB模型,对放热反应器内丙酮加氢化学反应热质传递特性及影响因素进行了研究。探讨了反应物摩尔比、进口速度及孔隙率对反应特性的影响。对热质传递的分析结果表明：在多孔介质中进行化学反应,流动行为对热、质的传递过程起着重要作用；扩散和由流动引起的质量传输的耦合效应加剧了孔隙体系内化学反应的多组分热质传递机理研究的复杂性。通过本章研究,揭示了孔隙体系内耦合化学反应的单相多组分扩散和能量传递过程特性及其与反应转化率间的内在联系与规律。第4章在第3章单相反应的基础上,进一步发展了耦合化学反应的多相多组分流动与传热传质综合Lattice-Boltzmann数理模型,对吸热反应器内液相异丙醇脱氢反应进行了初步研究。将改进的伪势模型与Carnahan-Starling状态方程相结合使两相密度比接近700。通过对C-S状态方程共存曲线的数值及理论求解的对比分析验证了模型的可行性。随后研究了多孔介质内多相反应的流动传热特性,该模拟的成功实施拓宽了格子-Boltzmann方法在多相反应过程领域的应用。第5章从化学热泵系统层面,设计IAH-CHP液相吸热反应与反应精馏相结合的高效循环系统。首先通过异丙醇液相脱氢反应精馏实验,比较分析了采用反应精馏及非反应精馏反应器时,丙酮的纯度及塔内的轴向温度分布,实验证明了反应精馏可以大幅提高异丙醇脱氢反应转化率。同时详细研究了采用反应精馏时,热源温度、回流比以及进料中丙酮初始含量等操作参数的影响规律。基于以上实验研究,建立了包含反应精馏的异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统数学模型,并以性能参数COP和火用效率为评价标准对化学热泵系统进行热力学分析,含反应精馏段的热泵系统中精馏塔的火用损失减少了三分之一,COP和火用效率分别提高了19.2%和16.7%。

摘要： Understanding flow in porous media is a challenging problem in many fields of fundamental science and engineering. This dissertation focuses on flow behavior at the pore scale, including observation and simulation of flow in microchannels and development of pore-space-based models for unsaturated hydraulic conductivity. Pore-scale flow is strongly influenced by relatively large interfacial areas (per unit volume) where surface tension, viscosity, and diffusion processes dominate gravity and inertia. Consequently, flow regimes may differ markedly from conventional large-scale flows. In Chapter 2, I presented water flow patterns visualized in open capillary channels with various sizes using the μ–PIV technique. I found that a partial-slip, rather than the commonly used stress-free condition, provided a more accurate description of the boundary condition at the air-water interface (AWI). The mechanism for a partial slip boundary condition at the AWI is due to the confinement of adjoining solid walls. In Chapter 3, I demonstrated that assuming a partial-slip AWI for corner flow could improve the prediction of unsaturated hydraulic conductivity at low water saturation conditions compared to that with a shear-free AWI. A roughness triangular pore space model (R-TPSM) for water retention and unsaturated hydraulic conductivity was developed in Chapter 4. The R-TPSM takes into account surface roughness effects where film flow largely increased at low water content. The model was able to significantly improve the prediction of unsaturated hydraulic conductivity for heavier-textured soils (e.g., loam). In Chapter 5, the slip boundary condition at rough surfaces was resolved numerically at the pore scale. Roughness scale, together with interfacial shape and local slip length at the liquid-gas interfaces, and particularly the coupled effect of the last two, affect the effective slip length on the rough surfaces. Improved physical understanding of surface/interface effects on mul

关键词： 多孔隙介质   全变分正则化   共轭梯度   多尺度   反演  

摘要： 通过研究地震波在地下介质的传播可以发现,多孔隙介质理论能够更准确地描述地震波的传播规律.由于很多地下介质的相关参数信息都包含在多孔隙介质波动方程的系数中,对这些参数进行正反演可以获得大量的地质信息,从而能够为实际应用提供更多、更准确的资料.而就波动方程反问题本身而言,更是面临着算子方程的非线性、不适定性以及计算量和储存量大等本质性困难,因此,对波动方程正反问题及其数值反演算法展开深入的研究是十分必要的,它具有非常广泛的应用前景.本文针对波对多孔隙介质波动方程的传播规律及特点,以Biot理论为基础选取了多孔隙介质波动方程作为具体的数学模型,构造研究正反演算法.首先将该数学模型使用有限差分方法进行离散化,然后对这个非线性问题进行正则化的处理,由于本文所求问题是不连续的,而全变分正则化对于不连续的函数又有很好的正则化效果,因此本文将采用全变分正则化方法处理该不适定性问题.对于正则化的问题,将结合共轭梯度迭代法,构造出单尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法.为了减少计算量并提高计算效率及精度,本文又在单尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法基础上引入多重网格的思想基础,构造了多尺度全变分正则化-共轭梯度迭代反演算法.为了检验算法的可行性、效率的高低以及稳定性,我们分别选取了三层介质模型和单个异常体模型对多孔隙介质波动方程的孔隙率参数进行数值仿真,得到的数值模拟结果有力地说明了算法的可行性和效率,在一定程度上解决了反演所遇到的问题。

关键词： 煤自热   孔隙尺度   数值模拟   流动传热   自然发火期  

摘要： 煤炭的自燃是矿井开采和煤储运过程中的主要事故之一,一旦发生,将会造成巨大 的危害。煤低温氧化发热作用是自燃现象的根源,在适宜的通风、供氧条件下,积累的 热量促使煤体温度升至着火点温度,最终引发燃烧。为了达到预防自燃的目的,有必要 从微观的尺度上开展研究,明确各外界因素对煤升温过程的作用。基于上述背景,本文 旨在将颗粒孔隙内的数值模拟方法引入到煤自然发火的研究领域中,结合化学反应动力 学理论,探究煤自燃机理。首先,为了证明微观尺度模拟计算的可行性,本文使用计算流体力学软件FLUENT 分别计算了由填料床颗粒构成的孔隙空间内的速度分布和温度分布,将其与已有文献中 实验研究结果相比较,两者符合情况良好。随后,将具有发热性质的球形煤颗粒按真实 规律排列,用形成的堆积结构表示宏观的多孔介质。在对煤氧化反应自热作用采取合理 的简化之后,设定满足煤堆漏风状况的边界条件,求解出孔隙内速度场、温度场,分析 风速对热量积聚或者耗散的影响作用。在研究实际煤堆升温过程时,以位于孔隙内风流背景下的单个煤颗粒作为基础,考 虑固体内部扩散和渗流空气传热传质过程的共同作用,深入分析颗粒表面的氧化反应过 程,求解出准确的化学反应速率。将以上结果应用于煤堆整体中,建立包含有气体消耗 源项和反应生成热源项的三维非稳态煤堆自热模型。随后以文献报道的大型露天煤堆为 模拟对象,使用数值计算软件FLUENT对煤堆内的升温过程进行模拟,求解出流场、 温度场、氧浓度场等详细信息,并利用现场实际测量得到的数据结果与模拟值对比分析。 从对比的结果来看,模拟值与实验值一致性较好：不同位置处的测点温度变化趋势相同, 数值相差不大,模型预测的自然发火期与现场测得值十分接近。这说明本文建立的数值 计算模型具有较高的可信度。应用所建三维非稳态煤堆自热模型,分别针对不同风速、 孔隙率和煤颗粒直径等条件进行求解计算,获得不同外部环境下同一煤堆内部的温度场 分布,分析关键性参数对煤堆自然发火期的影响。本文研究表明,在孔隙尺度下对煤自然发火过程的模拟研究是切实可行的,以此为 基础建立的三维非稳态模型不仅能真实反映煤堆低温氧化时的内部变化规律,而且能较 为准确地预测煤堆自然发火期。本研究中的模拟方法和计算成果,为制定正确的煤堆处 置方法提供了理论依据,对预防煤自燃火灾具有指导意义。

摘要： A novel approach of simulating hydromechanical coupling in pore-scale models of porous media is presented in this paper. Parameters of the sandstone samples, such as the stress-strain curve, Poisson's ratio, and permeability under different pore pressure and confining pressure, are tested in laboratory scale. Themicro-CT scanner is employed to scan the samples for three-dimensional images, as input to construct the model. Accordingly, four physical models possessing the same pore and rock matrix characteristics as the natural sandstones are developed. Based on the micro-CT images, the three-dimensional finite element models of both rock matrix and pore space are established by MIMICS and ICEM software platform. Navier-Stokes equation and elastic constitutive equation are used as the mathematical model for simulation. A hydromechanical coupling analysis in pore-scale finite element model of porous media is simulated by ANSYS and CFX software. Hereby, permeability of sandstone samples under different pore pressure and confining pressure has been predicted. The simulation results agree well with the benchmark data. Through reproducing its stress state underground, the prediction accuracy of the porous rock permeability in pore-scale simulation is promoted. Consequently, the effects of pore pressure and confining pressure on permeability are revealed from the microscopic view.

关键词： 大孔隙环氧沥青混合料   双线性内聚力模型   非均质细观结构   裂纹扩展与损伤演化  

摘要： 通过数字图像技术获取了大孔隙环氧沥青混合料的多相细观结构,建立了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的细观结构有限元仿真模型,引入了内聚力模型,通过劈裂试验数值模拟,对内部结构应力响应、裂纹扩展及损伤演化过程进行了分析.研究结果表明:空隙、集料等细观结构的不均匀分布,对混合料的应力响应及其分布均造成一定影响;劈裂试验模拟过程中,损伤变量D值达到1时,试件开始启裂,预设内聚力单元模拟的启裂位置与室内试验观察较为一致,而后裂缝开始扩展,但扩展速率逐渐变小;双线性内聚力模型较好地模拟了混合料损伤规律与裂纹启裂、扩展路径.