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。

关键词： Materials Testing   Models, Theoretical   Porosity   Software  

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.

关键词： 格子Boltzmann方法   孔隙尺度   SOFC阳极   传质  

摘要： 通过处理SOFC阳极电镜扫描图片建立包含SOFC阳极真实结构信息的几何模型,采用孔隙尺度基于两流体理论的多组分LB方法在SOFC阳极几何模型的基础上模拟SOFC阳极内部的多组分气体传质过程,计算各组分的物质的量分数分布与电极的浓差极化,研究多孔阳极微结构的各向异性所导致的传质过程的非线性变化,分析微结构形貌与浓差极化之间的定量关系。相比于常规SOFC电极传质模型需通过孔隙率与迂曲度等参数对扩散系数进行经验修正,该模型可不依赖于任何经验参数模拟真实电极内部的传递过程,从而为电极微结构优化提供科学理论根据。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   光滑粒子动力学(SPH)  

摘要： 基于孔隙尺度下的多孔介质模型,使用光滑粒子动力学(SPH)数值模拟方法研究多孔介质中不可压缩流体流动现象,分析流体在孔隙尺度下的流动特性.首先通过模拟经典的Poiseuille流和Couette流验证方法的正确性.随后,针对流体在分别由圆柱和方柱为骨架构造的规则多孔介质内的流动情况,同时使用SPH方法和有限元法(FEM)进行模拟,所得的结果十分吻合.最后利用SPH方法对流体在基于贝雷岩心获得的多孔介质模型和以同尺度的圆柱为基元构造的一种人工随机多孔介质模型内的流动进行模拟,证明平均流体速度和单位质量体积力具有很好的线性关系.

关键词： 网路模型   数值模拟   岩电实验   孔隙尺度   岩石电性特征  

摘要： 理论模拟是研究孔隙尺度下油驱水岩石电性的一种重要手段之一。以wang建立的网路模型为基础,分析了润湿性、孔隙拓扑特征、孔隙几何形状以及水膜厚度等对岩石电性的影响,同时对四块亲水砂岩岩样进行油驱水电阻率响应数值模拟,并将实验结果与理论模拟的结果进行对比分析。结果表明:对于亲水岩石油驱水情况下,在高含水饱和度时,电阻率增大系数与含水饱和度在对数坐标下呈现一种线性关系,然而在低含水饱和度下,曲线显示凸状,表明低含水饱和度下饱和度指数n值变小。水膜厚度越大,n值越小;孔隙连通性越好,即配位数越大,n值越小;在含水饱和度较低时,孔喉半径越小,n值越大;在含水饱和度较高时,孔隙几何形状对岩石电性影响不是很明显。在高含水饱和度下,岩电实验的结果与理论结果十分吻合,在低含水饱和度下,理论模拟的结果由于受实验限制未被证实,在电阻率增大系数与含水饱和度关系图上显示凸状。

关键词： 介观尺度   孔隙介质   流体流动   速度频散   衰减   各向异性   反射系数  

摘要： 孔隙介质中的地震波传播研究一直是地球物理与石油勘探领域的一个热点。该问题源自不同尺度的孔隙、裂缝、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用所产生的复杂地震特征。目前的研究主要集中于探索孔隙介质的地震衰减机制，包括复杂多孔介质的物理描述以及数值实现。 为研究孔隙流体流动与地震衰减之间的内在联系，本文基于准静态孔弹性理论，利用周期性层状孔隙介质模型，结合严格的边界条件，给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,克服了White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设,并以此为基础系统讨论了波在模型中的传播特征，同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设，为更有地效理解介观尺度上流体流动耗散机制提供依据。 本文给出了饱和流体差异的斑块饱和模型和裂隙孔隙介质模型的具体参数，利用得出的孔隙压力、固体骨架位移以及孔隙流体相对运动速度等数学表达式，分别详细分析了介观尺度上周期层状孔隙介质模型在准静态和全频段下的孔隙压力特征、孔隙流体相对流动速度分布特征、速度与衰减特征，并分析了含裂隙孔隙介质各向异性传播特征。本文系统讨论了裂隙顺度、裂隙间隔等参数对介质速度频散以及衰减特征的影响，对比了准静态频率域与全频段该类介质中速度频散及衰减特征的差异。建立了孔隙压力演化特征与速度频散之间的内在联系机理、孔隙流体相对流动速度演化特征与衰减频散之间的内在联系机理。在此基础上对斑块饱和孔隙介质和裂隙孔隙介质中介观尺度下流体流动作用对地震波传播特征的影响进行了总结和对比。 通过引入Thomsen各向异性参数，推导出弱各向异性条件下HTI介质中的PP波反射系数的解析解，并进一步研究本文裂隙孔隙介质模型，给出了反射系数在边界时，在上层各向同性介质和下层为HTI介质的分界面处，在取不同方位角时，反射系数在不同频率和弱度情况下反射系数随入射角变化趋势。 研究结果表明,斑块饱和介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致；随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性；裂隙孔隙介质中介观尺度上的流体流动作用所引起的纵波速度频散与衰减值远高于Biot流作用，特征频率或衰减峰值通常可位于地震频段；反射系数在不同频率、裂隙厚度和弱度情况下各向异性程度呈现不同的情况；通过对HTI介质中的AVO研究为裂隙勘探提供了坚实的理论基础，通过研究方位各向异性AVO可以定量描述裂缝的方向、角度和密度,来检测油气聚集带的次生孔隙。