【摘要】：多孔介質中的流動和換熱現(xiàn)象是自然界和工農(nóng)業(yè)實踐應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導通能力的重要參數(shù),取決于孔隙結構特性。由于孔隙結構異常復雜,目前對于多孔介質結構特征定量描述方法和滲流性能預測研究還有待深入。本文將在分形重構多孔介質模型的基礎上,對微小孔隙結構的滲流機理和性能進行探討,研究結論可為多孔材料的設計、制備和滲透率預測提供新的方法和理論依據(jù),具有重要的理論意義和應用價值。本文的主要研究內(nèi)容和結論如下:首先,對表征多孔介質結構的幾何參數(shù)對滲流性能的影響規(guī)律進行數(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結構,滲透率隨孔隙率的增加而增大,流體通過多孔介質區(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成的多孔介質結構,在孔隙率相同的條件下,孔隙通道的結構各異,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;顆粒粘結形成的顆粒鏈的長度、角度對滲流性能具有很大影響,迎風面積是流動阻力產(chǎn)生的主要原因。其次,基于實際多孔介質具有自相似性和標度不變性的分形特征,采用分形幾何方法對孔隙結構進行模型重構,建立了具有典型孔隙分布分形特征的多孔介質模型。采用CFD粒子示蹤技術對分形模型中的流動過程進行可視化研究,分析了粒子在孔隙結構中受到壓力和壁面限制作用下的運動機制,并在此基礎上采用受限空間內(nèi)的粒子隨機行走模型對多孔介質滲流物理過程進行模擬和孔隙結構定量化表征。研究結果表明,分形隨機行走方法在描述多孔介質孔隙結構動態(tài)結構特征方面是可行的。最后,基于分形標度不變性特征,將重正化群變換方法應用于多孔介質滲流性能數(shù)值計算。采用重正化群變換,忽略小尺度細節(jié)對多子孔介質模型進行粗視化處理,在保持相似結構特征不變的基礎上,得到不同尺度下的粗視化結構。提出了一種基于重正化群變換方法的新的多孔介質滲透率計算方法,實現(xiàn)了數(shù)值計算過程的簡化和計算效率的提升。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124;O357.3
【圖文】：

１緒論碩士學位論文逡逑從結構組成上來看，骨架型多孔介質的固體部分是連續(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．纖維型多孔介質逡逑由連續(xù)或不連續(xù)的細絲狀材料組成的多孔性物質可稱為纖維型多孔介質，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材料。逡逑

圖２．１多孔介質中流體流態(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中的流動狀態(tài)方法很多，但是通常采用的仍然是雷諾準則數(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表示流體運動粘性系數(shù)ｍ２／ｓ；邋Ｐ表示流體通過多孔介質的體枳流�。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)格獨立的解。從流動計算區(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構化網(wǎng)格和三角形非結構化網(wǎng)格相結合的方式對計算域進行劃逡逑分。如圖２．３所示的網(wǎng)格劃分設置示意圖。逡逑圖２．３多孔介質流動區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖逡逑多孔介質滲流區(qū)幾何邊界形狀復雜、不規(guī)則，采用非結構化的三角形網(wǎng)格進行劃分；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)格進行劃分。在滲流區(qū)逡逑域顆粒邊界表面生成邊界層，并進行網(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，在多孔介質區(qū)域入口與進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)格無縫結合，借用進口段的？？部分狹長區(qū)域設置逡逑為過渡區(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