【摘要】：多孔介質(zhì)中的流動和換熱現(xiàn)象是自然界和工農(nóng)業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中具有普遍性的一類經(jīng)典物理過程。滲透率是描述多孔介質(zhì)導(dǎo)通能力的重要參數(shù),取決于孔隙結(jié)構(gòu)特性。由于孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,目前對于多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征定量描述方法和滲流性能預(yù)測研究還有待深入。本文將在分形重構(gòu)多孔介質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,對微小孔隙結(jié)構(gòu)的滲流機(jī)理和性能進(jìn)行探討,研究結(jié)論可為多孔材料的設(shè)計(jì)、制備和滲透率預(yù)測提供新的方法和理論依據(jù),具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:首先,對表征多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對滲流性能的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn):對于具有相似孔隙分布特征的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),滲透率隨孔隙率的增加而增大,流體通過多孔介質(zhì)區(qū)域后的壓力變化與孔隙率近似呈冪指數(shù)變化規(guī)律。對于由粒徑均勻的顆粒構(gòu)成的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),在孔隙率相同的條件下,孔隙通道的結(jié)構(gòu)各異,滲透率隨粒徑增加而逐漸增大。此外,顆粒的形狀和排列方式對滲透性能也會造成一定影響;顆粒粘結(jié)形成的顆粒鏈的長度、角度對滲流性能具有很大影響,迎風(fēng)面積是流動阻力產(chǎn)生的主要原因。其次,基于實(shí)際多孔介質(zhì)具有自相似性和標(biāo)度不變性的分形特征,采用分形幾何方法對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型重構(gòu),建立了具有典型孔隙分布分形特征的多孔介質(zhì)模型。采用CFD粒子示蹤技術(shù)對分形模型中的流動過程進(jìn)行可視化研究,分析了粒子在孔隙結(jié)構(gòu)中受到壓力和壁面限制作用下的運(yùn)動機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上采用受限空間內(nèi)的粒子隨機(jī)行走模型對多孔介質(zhì)滲流物理過程進(jìn)行模擬和孔隙結(jié)構(gòu)定量化表征。研究結(jié)果表明,分形隨機(jī)行走方法在描述多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)動態(tài)結(jié)構(gòu)特征方面是可行的。最后,基于分形標(biāo)度不變性特征,將重正化群變換方法應(yīng)用于多孔介質(zhì)滲流性能數(shù)值計(jì)算。采用重正化群變換,忽略小尺度細(xì)節(jié)對多子孔介質(zhì)模型進(jìn)行粗視化處理,在保持相似結(jié)構(gòu)特征不變的基礎(chǔ)上,得到不同尺度下的粗視化結(jié)構(gòu)。提出了一種基于重正化群變換方法的新的多孔介質(zhì)滲透率計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了數(shù)值計(jì)算過程的簡化和計(jì)算效率的提升。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124;O357.3
【圖文】：

１緒論碩士學(xué)位論文逡逑從結(jié)構(gòu)組成上來看，骨架型多孔介質(zhì)的固體部分是連續(xù)的，孔隙部分可以是連通的逡逑（開孔型）也可以是不連通的（閉孔型），而顆粒堆積型多孔介質(zhì)的固體部分是分散的顆逡逑粒，孔隙部分通常是連續(xù)的，兩者之間是有區(qū)別的。逡逑３．纖維型多孔介質(zhì)逡逑由連續(xù)或不連續(xù)的細(xì)絲狀材料組成的多孔性物質(zhì)可稱為纖維型多孔介質(zhì)，可以分為逡逑植物纖維、動物纖維和礦物纖維，圖１．３所示為幾種常見的纖維多孔介質(zhì)材料。逡逑

圖２．１多孔介質(zhì)中流體流態(tài)示意圖ＩＮ逡逑２．１．２滲流流態(tài)判別逡逑多孔介質(zhì)中的流動也存在層流和紊流兩種流動狀態(tài)，如圖２．１所示。判別流體作多逡逑孔介質(zhì)中的流動狀態(tài)方法很多，但是通常采用的仍然是雷諾準(zhǔn)則數(shù)，即２．１式：逡逑Ｒｅ－—邐（２．１）逡逑Ｖ逡逑式中：⑴表不多孔介質(zhì)中流體滲流平均流速，ｕ邋＝邐，ｍ／ｓ；邋ｔ／農(nóng)？顆粒仃效粒逡逑徑，ｍ；邋ｖ表示流體運(yùn)動粘性系數(shù)ｍ２／ｓ；邋Ｐ表示流體通過多孔介質(zhì)的體枳流�。椋。海澹恚常�；逡逑ｉ．ｉ逡逑

最終的數(shù)值解還需為具有網(wǎng)格獨(dú)立的解。從流動計(jì)算區(qū)域幾何特征和網(wǎng)格特性考逡逑慮，本文采用四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式對計(jì)算域進(jìn)行劃逡逑分。如圖２．３所示的網(wǎng)格劃分設(shè)置示意圖。逡逑圖２．３多孔介質(zhì)流動區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖逡逑多孔介質(zhì)滲流區(qū)幾何邊界形狀復(fù)雜、不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分；逡逑在入口和出口段，流道幾何形狀是規(guī)則的長方形，采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在滲流區(qū)逡逑域顆粒邊界表面生成邊界層，并進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，這樣可以更好地顯示出邊界附近較逡逑大的速度變化率。此外，在多孔介質(zhì)區(qū)域入口與進(jìn)口段銜接處通流截面積驟然減小，在逡逑網(wǎng)格劃分T，為了能使得兩種類型的網(wǎng)格無縫結(jié)合，借用進(jìn)口段的？？部分狹長區(qū)域設(shè)置逡逑為過渡區(qū)，在此區(qū)域采用角形網(wǎng)格劃分。逡逑１６逡逑

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本文編號：2751504