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.     

多孔介质中卡森流体的分形分析

研究了非牛顿流体中的卡森流体在多孔介质中的流动特性.基于服从分形分布的弯曲毛细管束模型,运用分形几何理论推导出了该流体在多孔介质中流动的流量、流速、启动压力梯度和有效渗透率的分形解析解.模型中的每一个参数都有明确的物理意义,它将卡森流体在多孔介质中的流动特性与多孔介质的微结构参数有机联系起来.文中给出了卡森流体的流速、启动压力梯度和有效渗透率随着各影响因素的变化趋势,并进行了讨论.所得分形模型可以更深刻地理解卡森流体在多孔介质中流动的内在物理机理. 关键词： 多孔介质 卡森流体 分形     

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.     

多孔介质通道的分形随机行走描述

多孔介质中的输运过程,如导热、渗流过程,关注的是热量从高温壁面穿过介质到达低温壁面、流体从多孔介质的边界沿孔隙流到另外一端的过程。此类现象可归结为载流子在多孔介质通道(基质或孔隙)中沿外部势差方向的运动过程。多孔介质通道具有分形特征,可以采用分形维数来描述其通道的通透性。本文基于现象的相似性特征,提出并发展了粒子在多孔介质中的方向随机行走模型,用粒子在基质中的方向随机行走过程来模拟真实的热流传输过程;根据分形统计规律得到粒子方向随机行走分形谱维数,并用其描述基质结构的连通性和方向性。研究结果表明,在孔隙率相同情况下,粒子在基质中的方向随机行走分形谱维数与有效导热系数大小有相同的变化趋势。     

组合式吸液芯内液汽相变过程的数值模拟

本文对高温热管吸液芯多孔介质内金属钠液的液汽相变过程进行了模拟研究,并采用流体体积分数模型和传质模型对此过程进行了数值分析.研究表明孔隙率和渗透率越大的组合式吸液芯多孔介质,热量在液态金属中的传递速率越快,进而可以增加高温热管的传热量,提高传热效率;但是孔隙率和渗透率越大,组合式吸液芯多孔介质加热壁面的温度分布越不均匀,产生沸腾传热极限的可能性亦越大.     

多孔介质有效热导率的一种新模型

多孔介质的有效热导率是各种保温材料、石油开采、土壤科学等工程应用领域的一个重要参数。本文利用分形理论及与热电模拟方法,提出了由一束平行正弦形收缩性弯曲毛细管组成的多孔介质有效热导率的一种新分形模型。结果表明,多孔介质有效热导率是固相热导率、气相热导率、多孔介质孔隙率、横截面积、最大平均孔隙半径、幅度波动因子的函数;多孔介质有效热导率分形模型理论预测值与实验测量数据进行对比,结果显示吻合很好;同时还分析了幅度波动因子及分形维数对多孔介质有效热导率的影响。     

多孔介质中熔融盐流体高温斜温层蓄热的热特性

对熔融盐高温斜温层蓄热过程进行了较深入的理论与实验研究.基于多孔介质局部热平衡理论,建立了多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热的局部热平衡数值模型,研究了熔融盐、多孔介质孔隙结构参数对多孔介质中熔融盐流体传热与流动的影响规律,并在熔融盐传热-蓄热实验平台上进行了试验研究.结果表明:与熔融盐单相流体斜温层(无填充多孔介质)蓄热系统相比,多孔介质填料能够减少斜温层的厚度和改善其形状,采用单位体积热容量(pc)s大于(pc)f,孔隙率(?)小于0.4有利于降低斜温层厚度及其移动速度.揭示了多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热系统的蓄热特性,为熔融盐高温斜温层蓄热的设计和运行控制提供依据.     

随机多孔介质的蒙特卡罗重构与渗流特性模拟

根据多孔介质微观结构的分形尺度标度特征,采用蒙特卡罗方法分别重构随机多孔介质的微观颗粒和孔隙结构,并基于分形毛管束模型研究多尺度多孔介质的气体渗流特性,建立多孔介质微观结构和宏观渗流特性的定量关系。结果表明：分形蒙特卡罗重构的多孔介质微细结构接近真实介质结构,气体渗流特性的计算结果与格子玻尔兹曼模拟数据较为吻合; 多孔介质气体渗透率随着克努森数的增加而增大,孔隙分形维数对于气体渗流的微尺度效应具有显著影响,而迂曲度分形维数对于表观渗透率和固有渗透率的比值影响可以忽略。提出的分形蒙特卡罗方法具有收敛速度快且计算误差与维数无关的优点,有利于深入理解多尺度多孔介质的渗流机理。     

氨热法生长氮化镓晶体中传热传质的研究

本文利用基于非正交网格的二阶精度有限体积法,对氨热法生长过程中温度场和流场进行了模拟,其中隔板开孔率分别为10%(中心开孔5%,侧壁与隔板边缘开孔5%)和20%(中心开孔10%,侧壁与隔板边缘开孔10%).通过对流场和温度场的分析,了解了高压釜内部营养素的输运及溶液结晶的本质.结果显示在釜底的多孔介质层流动较弱,在流体层流动较强.在多孔介质层热量的输运主要通过热传导;在流体层中,流体与原料的分界处以及流体和高压釜的侧壁出现了大的温度梯度.     

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．     

变形双重介质分形油藏非达西流动分析

考虑与实际生产相符的介质的双重特性和分形特征,并考虑介质的变形,引入双重分形介质渗透率模数,建立应力敏感地层双重分形介质系统的流动方程.采用Douglas-Jones预估-校正法获得无限大地层定产量生产时变形双重分形介质模型的数值解和无限大地层定压生产时分形介质双孔模型的数值解,作出了典型的压力曲线图版.     

Tortuosity for streamlines in porous media

An analysis of tortuosity for streamlines in porous media is presented by coupling the circle and square models. It is assumed that some particles in porous media do not overlap and that fluid in porous media is incompressible. The relationship between tortuosity and porosity is attained with different configurations by using a statistical method. In addition, the tortuosity fractal dimension is expressed as a function of porosity. Those correlations do not include any empirical constant. The percolation threshold and tortuosity fractal dimension threshold of porous media are also presented as: c = 0.32, D T c = 1.07. The predicted correlations of the tortuosity and the porosity agree well with the existing experimental and simulated results.     

A Particle Resistance Model for Flow through Porous Media

A particle model for resistance of flow in isotropic porous media is developed based on the fractal geometry theory and on the drag force flowing around sphere. The proposed model is expressed as a function of porosity, fluid property, particle size, fluid velocity （or Reynolds number） and fractal characters D f of particles in porous media. The model predictions are in good agreement with the experimental data. The validity of the proposed model is thus verified.     

变形双重介质分形气藏非线性渗流理论模型及数值研究

以Warren-Root模型为基础,引入分形参数和压缩系数,考虑压力对具有分形特征的渗透率和孔隙度的影响,建立变形双重介质分形气藏渗流数学模型.应用高收敛和高精度的有限元法求解这类含有第二类边界条件的数学模型.利用压力曲线,压力导数,参数对压力的影响率详细分析了部分参数对压力的影响及在变形双重介质分形气藏渗流数学模型中所具有的独特意义.     

考虑相重新分布的双重介质分形油藏不稳定渗流压力动态特征

基于分形油藏渗流力学,针对存在井筒储集、表皮效应和井筒相重新分布影响下的不稳定渗流问题,建立双重介质分形油藏有效井径数学模型,并采用Douglas-Jones预估校正法求得无限大地层定产量生产条件下的非线性数值解.由数值解可知,该系统完整的压降曲线由四个流动区组成.最后分析各个分形参数、相重新分布参数和双重介质参数变化时压力的变化规律,做出典型压力曲线图版,为研究复杂渗流系统中相重新分布影响下的不稳定渗流规律提供参考.