分形多孔介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)熱與流動數(shù)值模擬研究.pdf

1、導(dǎo)熱與流動是多孔介質(zhì)內(nèi)熱質(zhì)傳遞中的兩個重要過程。已有的研究表明，不僅是多孔介質(zhì)各組份的物性參數(shù)，孔隙的結(jié)構(gòu)形態(tài)(孔隙尺寸、形狀、分布、連通性等)對多孔介質(zhì)內(nèi)的各種傳遞過程也有著重要的影響。傳統(tǒng)上，由于多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，歐幾里德幾何很難對其進行精確描述，研究者不得不采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和體積平均的概念，也就很難考查孔隙的微觀結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部導(dǎo)熱和流體流動的具體影響，使得傳統(tǒng)的研究結(jié)果有很多的局限性。 本文抓住多孔介質(zhì)內(nèi)熱質(zhì)傳遞研究中結(jié)

2、構(gòu)因素這一關(guān)鍵與難點，建立了多孔介質(zhì)分形結(jié)構(gòu)模型，利用有限容積法和格子-Boltzmann方法，分別對分形多孔介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)熱和流動問題進行了詳細的數(shù)值模擬分析，得出了一些具有一定普遍性的規(guī)律。 在對多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性簡要介紹的基礎(chǔ)上，綜述分析了四種多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，總結(jié)了前人在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方面的研究，分析了已有模型的優(yōu)勢與不足，闡述了引進分形模型的緣由和必要性。然后，簡要介紹了分形幾何的概念和基本原理，闡明多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的分形特性

3、。最后基于分形幾何原理，構(gòu)造了幾種分形結(jié)構(gòu)用以模擬多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)。 基于多孔介質(zhì)分形結(jié)構(gòu)模型，建立了分形多孔介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)熱模型，利用有限容積法對其導(dǎo)熱問題進行了數(shù)值模擬計算，詳細分析了基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙流體導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)等因素對有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律；并將數(shù)值計算結(jié)果與文獻中的公式進行了對比分析，為其提供了數(shù)值驗證。結(jié)果分析表明：(1)對于規(guī)則分形多孔介質(zhì)來說，有效導(dǎo)熱系數(shù)與基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙流體導(dǎo)熱系數(shù)大致成冪

4、函數(shù)關(guān)系，與孔隙率大致成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。(2)孔隙率的大小是影響其有效導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，但孔隙本身的大小和分布也有影響，有時不同的孔隙分布特別是大孔隙的分布引起的差別會很大。(3)分形多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)上的周期性并不等同于其內(nèi)部熱傳導(dǎo)規(guī)律的周期性，這種區(qū)別很值得我們在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)建模和實驗取樣方面注意。 把分形理論和LBM相結(jié)合來研究多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動問題，針對不同孔隙率和不同流場進出口壓差的情況進行了模擬計算，結(jié)果表明：(1)分形

5、多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動的某些流場結(jié)構(gòu)也具有分形特征。(2)體積流量與流場進出口壓差大致成線性關(guān)系，說明Darcy定律也適用于分形多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動。進出口壓差一定的條件下，體積流量隨孔隙率的增加而增加，體積流量與孔隙率成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。(3)LBM適合于研究分形多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動，將分形理論和LBM相結(jié)合來研究多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動問題，有可能更深刻地揭示多孔介質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流動的內(nèi)在規(guī)律。最后對全文工作進行總結(jié)，并對今后的研究工作進行了