A SIMPLISTIC ANALYTICAL MODEL OF PERMEABILITY FOR OPEN-CELL METALLIC FOAMS

针对通孔金属泡沫中的渗透率预测及现有理论模型的局限性,发展了一种新的全解析渗透率模型. 该模型以立方体结构作为代表单元,采用基于追踪流体微团轨迹的分支算法解析求解代表单元内的流动迂曲度. 渗透率的表达形式简单且不含任何拟合或经验参数,仅是孔隙率与平均孔径的函数. 采用实验测量和文献数据对模型预测进行了验证. 结果表明:提出的模型能够在较为宽广的孔隙率(0.55~0.98) 和孔密度(5~100 PPI) 范围内预测孔通孔金属泡沫的渗透率;采用分支算法得到的流动迂曲度能够较好地描述流体在通孔金属泡沫中的流动特征;采用开孔率修正的解析模型亦能对半开孔泡沫材料的渗透率提供良好预测.     

幂律流体在多孔介质中径向渗流的分形模型

基于分形理论及毛细管模型,本文研究了非牛顿幂律流体在各向同性多孔介质中径向流动问题,推导了幂律流体径向有效渗透率的分形解析表达式．研究结果表明,幂律流体径向有效无量纲渗透率模型和Chang and Yortsos’s模型吻合很好;同时还得出幂律流体径向有效渗透率随孔隙率、幂指数的增加而增加,随迂曲度分形维数的增加而减少．     

基于三维细观力学模型的开孔泡沫弹性性能预测

泡沫材料的宏观力学性能主要取决于基体材料的力学特性及其微细观结构特征,基于细观力学模型的分析方法是泡沫材料力学性能研究的重要途径。文中基于Matlab语言和Abaqus软件构建了描述中等孔隙率开孔弹性泡沫材料微结构特征的三维随机分布球形泡孔模型,并采用有限元方法对弹性泡沫压缩变形进行了模拟,并计算给出了不同孔隙率弹性泡沫材料弹性模量、剪切模量、体积模量以及泊松比的分布,建立了相应的唯象表达式。与理论模型及测试结果的比较表明,本文基于三维随机泡孔模型模拟结果构建的唯象表达式能够对弹性泡沫材料的弹性力学性能给出很好的预测。     

通孔泡沫铝的动态压缩行为

在SHPB装置上对渗流法制备的通孔泡沫铝进行了动态压缩实验,研究了相对密度为0.341~0.419的通孔泡沫铝在10-3~2000 s-1应变率范围内的压缩响应特征和应变率相关性,并用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM)分析了泡沫铝的压缩变形特征。实验结果表明,通孔泡沫铝有明显应变率效应,随应变率上升,泡沫铝流动应力提高。SEM观察结果揭示,在动态压缩下,通孔泡沫铝宏观上均匀变形,微观变形机制以泡孔横向伸展坍塌为主。     

多孔介质中稳定泡沫的流动计算及实验研究

将多孔介质简化为一簇变截面毛管束,根据多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉尺度比及束缚水饱和度,计算出变截面毛细管的喉道半径和孔隙半径. 在考虑多孔介质喉道和孔隙中单个气泡的受力和变形基础上,利用动量守恒定理,推导出单个孔隙单元内液相的压力分布和孔隙单元两端的压差计算公式,最终得到多孔介质的压力分布计算公式. 利用长U型填砂管对稳定泡沫的流动特性进行了实验研究. 研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,影响泡沫在多孔介质中流动特性的因素包括:多孔介质的孔喉结构、泡沫流体的流量和干度、气液界面张力、气泡尺寸,其中孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.关键词: 稳定泡沫;多孔介质;变截面毛管;流动;表观粘度;压力分布;实验研究      

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

周期性吸声多孔材料微结构优化设计

多孔材料的吸声性能与材料孔隙率以及材料微结构几何构型存在密切相关.本文采用有限元方法研究了材料微观结构与宏观声学性能参数之间的关系,分析了通孔材料微结构的开孔形状、孔隙率以及孔隙尺寸对材料吸声性能的影响,并建立了在特定频率下具有高声吸收性能的通孔材料微结构几何构型的设计理论和方法,得到了具有较高声能吸收率的多孔材料微结构构型.     

Kelvin结构开孔泡沫材料的弹性性能研究

采用一修正的十四面体结构模型(Kelvin结构模型)对开孔泡沫金属的弹性性能进行研究,对低密度开孔泡沫材料表现出不可压的特性进行了分析。该模型考虑作用在泡沫筋条上的弯矩、剪力和轴向力,以及轴向力的平衡。修正模型的数值计算结果与实验结果及其他模型的结果进行了对比,结果表明修正模型计算的杨氏模量比原有模型的略有提高,筋条截面为星形的修正模型计算的结果与实验比较符合。在密度等同的条件下,筋条截面惯性矩越大的开孔泡沫材料,其弹性模量也越大,而泊松比则越小。Kelvin结构的开孔泡沫材料的泊松比随相对密度的减小而趋于0.5。     

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.     

低密度开孔泡沫蠕变松弛特性分析

利用三维Voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明.低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度较低时(低于1%)开孔泡沫的松弛模量与胞壁材料的松弛模量和泡沫相对密度平方成正比.此外,计算结果还表明,低密度开孔泡沫在较小的初始应力条件下具有与其胞壁材料相同的延迟时间.其蠕变柔度与胞壁材料的蠕变柔度和泡沫相对密度平方倒数基本成正比.但随着初始应力值的增大,泡沫的延迟时间将会显著增加.     

强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.      

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

一种修正的低温流体空化流动计算模型

为了更准确地预测低温流体的空化流动特性, 基于Kubota空化模型, 对蒸发和凝结源项进行修正, 建立了一种考虑热力学效应的空化模型. 分别采用原始和修正的Kubota空化模型, 计算了绕对称回转体液氮的空化流动, 通过与实验结果的比较对修正的空化模型进行了评价. 结果表明, 与原Kubota空化模型比较, 修正的空化模型由于考虑了热力学效应, 计算获得的蒸发量减小, 凝结量增大, 空穴长度减小, 空穴界面形态呈模糊状态.计算结果与实验结果更加一致, 说明修正的空化模型能准确的描述低温流体空化过程的质量传输过程, 能够更准确模拟低温流体中的空化流动特性.      

泡沫铝率相关性能的有限元模拟

构建了三维随机分布球形泡孔模型,模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构,并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明:中、低应变率下,泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性;高应变率下,泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用,且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。     

多孔介质中气泡的生成机理及流动特性研究

根据组成多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉比、束缚水饱和度,将多孔介质简化为一簇变截面毛管组成的毛管束.利用质量守恒原理和动量定理,推导出单个孔隙单元内液相压力梯度和壁面剪切应力的计算公式,得到泡沫稳定流动状态时多孔介质中的压力分布以及泡沫当量直径的计算方法.通过对喉道处气泡的受力分析,推导了截断再生气泡的当量直径计算公式.利用长U型填砂管对多孔介质中稳定泡沫的流动特性进行了实验研究.研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.     

Mie-Grneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method (PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grneisen状态方程。采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2~3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。     

骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.      

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.