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。     

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.     

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．     

凝华结霜霜层导热系数理论分析

研究水蒸汽凝华结霜过程在冷壁上形成的霜层的导热系数,依据随机管子多孔介质霜层模型,假设霜层是由孔隙空间与冰晶骨架构成的多孔介质,其中孔隙空间由随机毛细管及连接管子的接头形成,湿空气中的水蒸汽在霜层的孔隙空间中扩散输运并凝华结霜,根据传热传质学理论,导出霜层导热系数关系式。     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

生物组织的当量导热系数分析

导热对研究冷刀治疗的传热过程很重要.为了对冷刀治疗热过程有更好的理解,本文研究了生物组织的当量导热系数以及相关因素对当量导热系数的影响.将生物组织视为多孔介质,包括血管和正常组织两部分.建立了血管的分形模型,通过分形维的概念得到血管树的当量导热系数,采用盒计数法得到生物组织的当量导热系数.研究结果表明血管树的形状对组织的当量导热系数有很大的影响.     

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.     

分形多孔介质中流体流动的LBM模拟

基于分形理论构造了规则Sierpinski地毯结构来模拟多孔介质孔隙结构,采用Lattice Boltzmann Method(LBM)分别对不同孔隙率与进出口压差下的分形多孔介质中的流体流动进行了数值模拟.结果表明,分形多孔介质的某些流场结构也具有分形特征;体积流量和流场进出口压差呈线性关系,符合Darcy定律;流体穿过分形多孔介质的体积流量与孔隙率成指数函数关系.     

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     

Heat Conduction and Characteristic Size of Fractal Porous Media

Based on fractal theory, two types of random Sierpinski carpets （RSCs） and their periodic structures are generated to model the structures of natural porous media, and the heat conduction in these structures is simulated by the finite volume method. The calculated results indicate that in a certain range of length scales, the size and spatial arrangement of pores have significant influence on the effective thermal conductivity, and the heat conduction presents the aeolotropic characteristic. Above the length scale, however, the influence of size and spatial arrangement of pores on the effective thermal conductivity reduces gradually with the increasing characteristic size of porous media, the aeolotropic characteristic is weakened gradually. It is concluded that the periodicity in structures of porous media is not equal to the periodicity in heat conduction.     

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。     

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。     

基于显微CT图像的岩芯孔隙分形特征

采用国内自主开发的高分辨率显微CT设备,对岩芯样本进行图像采集,运用数字图像分析方法获得图像中的岩芯孔隙目标,并以此为基础重建三维模型。然后基于分形理论,分别从二维图像和重建的三维模型角度计算孔隙的分形维数。最后,再采用基于多孔介质的分形模型对岩芯孔隙分形特征进行验证,得出岩芯的二维分形维数和三维分形维数之间的差值均值为1.000 3,最大偏差为0.004,很好地满足多孔介质分形模型中关于二维和三维分形维数的关系。     

基于显微CT图像的岩芯孔隙分形特征

采用国内自主开发的高分辨率显微CT设备,对岩芯样本进行图像采集,运用数字图像分析方法获得图像中的岩芯孔隙目标,并以此为基础重建三维模型。然后基于分形理论,分别从二维图像和重建的三维模型角度计算孔隙的分形维数。最后,再采用基于多孔介质的分形模型对岩芯孔隙分形特征进行验证,得出岩芯的二维分形维数和三维分形维数之间的差值均值为1.000 3,最大偏差为0.004,很好地满足多孔介质分形模型中关于二维和三维分形维数的关系。     

On the origin of slow processes of charge transport in porous media

Dielectric relaxation spectra in porous media reveal the importance of slow processes of charge transport with polarisation currents down at least to mHz. The spatial scale of the relaxation is frequency-dependent, potentially allowing information about the structure of the medium to be obtained from the AC conductivity. Many mechanisms of relaxation have been proposed, but we review only two in any depth. These two approaches relate long relaxation times on the one hand to diffusion limited relaxation, on the other, to geometrical limitations on conduction pathways. For equidimensional non-fractal particles, the first (second) generates a quadratic (linear) dependence of relaxation time on particle (or pore) size. In each a fractal model of the pore space generates a power-law AC conductivity with the power of the frequency a function of the fractal dimensionality, but the powers have different relationships with system parameters. Comparison with data does not support either interpretation generally, though some data sets agree with each. Since surface conduction yields a quadratic dependence for particles elongated in one dimension, but more complex dependences for fractal interfaces, it seems easier and more productive to start from the perspective that surface conduction processes are the basis for the relaxation.     

分形理论在碳化材料三维烧蚀热防护计算中的应用

烧蚀过程中的传热传质对烧蚀防护工程具有重要意义,准确的温度评估可以为高超声速飞行器的热防护结构和烧蚀材料的设计提供有效的支持.由于材料烧蚀形成的碳化物是一种典型的多孔介质,其结构具有自相似性,可以用分形理论来描述.在烧蚀计算中引入了分形渗透率张量模型进行计算.针对烧蚀过程中热解气体在碳化层中的扩散方程、温度、材料等参数...     

A fractal streaming current model for charged microscale porous media

An analytical expression for the streaming current in fractal porous media is developed based on the capillary model and the fractal theory for porous media. The proposed fractal model is expressed as a function of the space charge density at the solid–liquid interface, the fluid flow rate, the Debye–Huckel parameter, the minimum and maximum pore/capillary radii and fractal dimensions for porous media. The results are compared with available experimental data and good agreement is found between them. In addition, factors influencing the streaming current in porous media are also analyzed.