多孔介质热导率的数值计算

通过数值模拟得出面积分形维数和孔隙率相同,而孔隙结构不同的分形多孔介质的导热特性是不相同的.说明仅仅依靠孔隙率和分形维数两个参数无法有效确定多孔介质的热物理性质,寻找新的表征孔隙结构的参数是必要的.同时也说明了前人所得出的关于多孔介质的热物性的解析表达式具有一定的局限性和不确定性.     

随机四参数法生成多孔介质及渗流模拟

本文基于多孔介质内流动的广泛应用背景,模拟了多孔介质渗流。采用随机四参数生长法生成了多孔介质模型,并对模型中的微小固相进行了过滤处理。将随机四参数生长法生成的多孔介质结合格子玻尔兹曼方法D2Q9模型模拟了压力驱动的多孔介质中的渗流。通过将模拟结果与著名的CK理论公式的计算结果进行比较,发现在孔隙率高时误差较小(φ=0.9时,误差约为6%)。研究表明在高孔隙率时采用文中的方法得到的多孔介质渗透率及孔隙尺度的流动结果较为准确。     

分形多孔介质导热数值模拟分析

本文基于分形理论构造了不同类型的分形结构来模拟多孔介质,采用有限容积法对其导热问题进行了数值模拟计算,详细分析了基质导热系数、孔隙流体导热系数、孔隙率等因素对其有效导热系数的影响规律.结果发现有效导热系数与基质导热系数、孔隙流体导热系数大致分别成幂函数关系,有效导热系数与孔隙率大致成指数函数关系.并把数值模拟分析结果与文献中的经验公式进行了对比分析,为其提供了数值验证.     

基于REV的保温多孔材料传热“三箱”分析模型

保温材料广泛应用于建筑中的制冷与空调等领域,保温多孔介质材料的内部结构复杂无规律且孔隙分布具有不确定性,热质传递作用机理复杂多变,目前的分析方法和研究模型普适性差,对一些微观热质传递机理问题尚未提出解决方法。本文基于表征体元REV,建立了保温多孔介质材料传热计算"三箱"分析模型。利用"三箱"模型对保温多孔介质材料传热过程进行分析,并给出各模型下多孔介质导热系数计算公式。基于保温多孔介质材料传热计算"三箱"分析模型,对不同孔隙率、孔隙通道分布系数和迂曲度的硅酸钙材料进行了计算和模拟并研究了其对保温多孔介质材料导热系数的影响,总结出其变化规律。本文所做工作,不仅为保温多孔介质材料传热分析研究提供了新模型与新方法,在其他类型多孔材料研究中也有借鉴意义。     

二维多孔热密封材料的有效导热系数模拟

本文对于二维多孔热密封材料的有效导热系数模拟提出一种简单有效的方法,它可以模拟介于固相连续和固相不连续之间的任何形式的孔隙分布结构,通过类比多孔渗流模型得出一种相关系数,再根据热阻串并联的关系计算四种可计算模型的有效导热系数,通过相关系数得到具体模型的有效导热系数。本文的模拟方法可以控制孔隙率、孔径、孔隙分布、温度等影响有效导热系数的重要参数,考虑了辐射的影响,而且模拟简单,计算快速,模拟结果与文献中实验的结果相比较能很好的吻合,验证了本文方法的正确性。     

非均匀多孔介质有效热导率分析

本文采用控制容积法,界面调和平均导热系数值以及图形处理方法对典型非均匀多孔介质硬质聚氨酯泡沫材料的导热过程进行了分析与模拟计算。结果表明:多孔介质的内部结构是影响温度分布和热量传递的主要的因素,其影响程度与骨架和孔隙的导热系数,孔隙的大小和分布有关;计算得到的有效热导率值与文献中实验测量结果吻合较好。本文的研究结果可以推广到更为复杂的非均匀多孔介质的场合,从而可以进一步认识非均匀多孔介质中的导热规律,为工程计算提供更精确的计算方法。     

基于分形理论的多孔介质导热系数研究

本文根据分形理论,对多孔介质几何结构进行了描述,计算出了不同孔隙率多孔介质简化模型的剖面面积分布分形维数d,并利用分形维数结合土壤导热模型推出了土壤的有效导热系数表达式,计算结果表明,该方法是符合客观实际的．     

沉降分布孔隙率多孔介质模型及数值研究

研究沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热,根据"O"形圈理论和现场测定确定孔隙率系数,建立坐标方向孔隙率分布函数;考虑流体密度变化,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,能量方程采用界面连续条件,建立沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热求解模型.采用差分法对模型进行离散化,应用高斯-赛德尔方法迭代求解.数值分析表明:沉降分布孔隙率条件下多孔介质内流体流动速度在壁面附近较大,中心部位较小,壁面附近孔隙率的增大使得低流速区域减小,较高流速区域增大;当孔隙率小值时,温度按线性减小;当孔隙率大值时,温度在高低温壁面附近迅速减小,在中部减小较缓,热量按导热和对流共同传递;孔隙率增大能使平均怒谢尔数增大,对流换热作用增强.     

气体在微孔介质中的等效扩散系数预测

本文通过数值模拟研究了微孔介质内部结构对气体等效扩散系数的影响。采用随机生成生长方法生成多孔介质的三维微观结构,使用高效的格子-Boltzmann方法求解扩散的控制方程,可预测微孔结构内气体的等效扩散系数。模拟结果表明:微孔材料的内部结构对多孔介质中气体扩散及等效扩散系数有显著影响。对于高孔隙率情况,基于Fick定律数值预测的气体等效扩散系数和实验结果吻合较好;对于部分饱和的颗粒状微孔介质,孔隙内液滴阻碍了气体的扩散路径,多孔介质的无量纲等效扩散系数与饱和度呈非线性关系。     

分形多孔介质中的热传导

本文将多孔介质视为由骨架和空隙组成的二元混合介质,研究了多孔介质中的热传导过程,发现分形结构中的导热规律与孔隙的分布有关,存在着与实体导热完全不同的特征。计算表明,分形介质中的导热过程除了与基质(骨架)的分形维数有关外,还与基质率以及反映介质中热量传递动态过程有关。     

基于微结构参数建模的多孔硅绝热层热导率研究

多孔硅由于具有较低的热导率,因而可以将其作为半导体器件中的绝热层.与其他从边界散射等复杂微观热传导机制出发建模研究多孔硅的热导率不同,将多孔硅热导率影响机制更表观地归结到孔洞的存在和分布等结构因素上,把整个多孔硅视为由硅连续材料介质和孔洞连续介质通过串联和并联组合成的复合微结构,给予其低热导率一个更为易于理解和简化的解释.进一步把孔隙率对等效热导率的影响分解为两个不同的部分,即纵向部分和横向部分,半定量地给出不同的孔洞结构和分布下孔隙率与等效热导率的关系.与实验数据进行对比后验证了模型的有效性.继而从结构的角度说明了多孔硅热导率较低的原因.     

随机结构多孔介质等效热导率数值计算

本文对二维颗粒弥散多孔介质的辐射导热耦合等效热导率进行了数值计算研究。首先采用随机生成结构方法(Random generate-growth method,RGGM)生成实际多孔材料的复杂结构。在此基础上,采用离散坐标法及有限容积法求解了复杂结构内部辐射导热耦合换热,进而计算得到材料的等效热导率。根据建立的材料随机结构模型及等效热导率数值计算模型,分别研究了衰减系数、弥散相体积分数、温度等因素对材料等效热导率的影响,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,吻合较好,反映出模型用于预测实际多孔材料等效热导率的有效性。     

A Fractal Model for Effective Thermal Conductivity of Isotropic Porous Silica Low-k Materials

We establish a new model based on fractal theory and cubic spline interpolation to study the effective thermal conductivity of isotropic porous silica low-k materials. A 3D fractal model is introduced to describe the structure of the silica xerogel and silica hybrid materials （such as methylsilsesquioxane, MSQ）. Combined with fractal structure, a more suitable medium approximation is developed to study the isotropic porous silica xerogel and MSQ materials. Cubic spline interpolation for fitting discrete predictions from the fractal model is used to obtain the continuous function of the effective thermal conductivity versus porosity. Compared with other common models, the effective thermal conductivity predicted by our model presents better agreement with the experimental data for all porosity. These results indicate that the proposed model is valid.     

纳米多孔氩薄膜热导率的分子动力学模拟

利用经典的Lennard-Jones势能模型,采用分子动力学模拟方法研究纳米多孔氩薄膜热导率.结果表明,纳米多孔氩薄膜热导率明显小于同温度下纯纳米氩薄膜热导率,并且孔隙率越大热导率减小越多.借助基于并联方法的有效热导率模型,对纳米多孔氩薄膜的热导率随孔隙率的变化进行解释.模拟结果还发现,薄膜内的多孔分布对薄膜的热导率有影响.     

α-Al_2O_3介孔材料导热特性的模拟

本文针对α-Al2O3有序介孔材料的导热特性开展分子动力学模拟分析.提出了一种保证电中性的孔道结构构造方法;采用逆非平衡分子动力学方法(muller-plathe法),选取Matsui势为作用势,模拟计算了Al2O3介孔晶体材料在不同环境温度下沿孔道轴向方向的热导率;并借助全面实验分析法,设计了模拟条件,以考察孔径和孔隙率对热导率的影响.模拟结果显示:介孔Al2O3热导率先随温度的升高呈上升趋势,并在200—400 K之间取得极值;而后在400—1400 K范围内,热导率随温度的升高几乎呈线性下降.孔隙率一定时,随孔径增大,介孔Al2O3材料比表面积降低,界面散射的抑制作用减弱,使材料热导率略有上升;孔径一定时,随孔隙率上升,孔道壁面声子数减少,材料热导率下降明显;相对于孔径因素,材料孔隙率对声子导热影响更大.     

Theoretical analysis of thermal rectification in a bulk Si/nanoporous Si device

We present a theoretical analysis of thermal rectification in a porous Si/bulk Si device, taking into account ballistic effects in phonon-pore collisions when phonon mean free path is much longer than the radius of the pores. Starting from an approximate analytical expression for the effective thermal conductivity of porous Si, we obtain the thermal rectifying coefficient of the device as a function of porosity, pore size, temperature interval, and relative lengths of porous and bulk samples.     

MEASUREMENTS OF THERMAL CONDUCTIVITY AND OPTICAL PROPERTIES OF POROUS PARTIALLY STABILIZED ZIRCONIA

Experimental measurements of the high-temperature (300 < T < 800 K) thermal conductivity of highly porous (porosity greater than 80%), partially stabilized zirconia (PSZ) were performed. A method of simultaneously inverting conductivity and extinction coefficient from the experimental data is presented. The effect of natural convection within the porous plates with heating from below was found to be negligible. The thermal conductivity integral (TCI) method was incorporated into the inversion of conductivity and radiative properties from the diffusion approximation of the combined radiation and conduction heat flux measurement. The measured conductivity decreased slightly as the pore size of the PSZ increased. The extinction coefficient decreased with increased pore size, and for pore size greater than 0.6 mm the trend had good agreement with the geometric optics limit prediction.