Ca(OH)2/CaO热化学储能过程中变孔隙率影响的多物理场耦合数值模拟研究

基于Ca(OH)₂/CaO的热化学储能体系在实验中均表现出孔隙结构的显著变化，而该现象在已有的大多数数值模拟研究中并未被考虑。本文针对该现象建立了变孔隙率反应动力学模型及非稳态“流动–传热–化学反应”耦合模型，并基于此对直接、间接传热式固定床反应器中Ca(OH)₂/CaO的定/变孔隙率脱水反应过程特征参数(反应渗透率、压力、温度、反应速率及转化率等)变化进行了对比模拟研究。结果表明：定孔隙率模型与变孔隙率模型之间有明显的差异，且变孔隙率模型更能体现实际反应过程的特征。以初始孔隙率为0.8的工况为例，定孔隙率假设在直接传热式反应器中的转化速率比变孔隙率模型快19.8%，而在间接传热式反应器中转化速率比变孔隙率慢6.1%。说明以往研究中使用的定孔隙率假设高估了直接传热式反应器的性能，而低估了间接传热式反应器的性能。     

木材微结构对其传热特性影响的实验研究

对落叶松和红松的试样进行了剖面结构的扫描电镜观察,图片显示在木材内部有非常明显而规则的多孔结构。通过实验测量了不同含水率的木材试样在20-200℃范围内的导热系数,并根据其多孔结构的特点对木材的传热特性进行了理论分析。结果表明,木材微结构的不同对其传热特性有显著影响,木材多孔部分在整个传热过程中起重要作用。木材的传热特性随着其多孔部分的孔隙分布和孔隙大小的不同而变化,在相同含水率的情况下,孔隙率高而孔隙小的木材传热能力较弱。     

CaO高温分离CO2过程的数值模拟

钙基吸收剂煅烧-碳酸化循环法(CCRs)是一种新兴的分离燃煤锅炉尾部烟气中CO2的方法.CaO与CO2碳酸化反应对于CCRs法的应用起着非常重要的作用.本文采用随机孔隙模型(RPM)对CaO与CO2碳酸化反应过程进行了研究,结果表明,适当提高CaO与CO2碳酸化反应的温度和系统压力,增加CaO吸收剂的初始孔隙率、优化CaO的初始比表面积等措施能够有效提高CaO碳酸化转化率和对CO2的吸收容量.     

膜生物反应器内生化反应过程的格子Boltzmann模拟

采用介观尺度的格子Boltzmann数值算法研究平板式膜生物反应器内生物膜结构对生化反应及流动传输的影响.利用四参数随机生成法重构不同多孔结构的生物膜,计算中耦合多块模型获得局部详细信息且提高计算效率.结果表明：生物膜结构稳定条件下,孔隙率增大有利于主流区与生物膜内的物质传输,可以提高底物降解效率;孔隙率一定条件下,改变生物膜的孔隙结构分布可以加强传质,强化生化反应过程,提高底物降解效率.     

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.     

孔隙率对铌硅粉末混合物冲击反应的影响

借助二级轻气炮加载平台和飞片撞击技术,在高冲击速度下实现不同初始孔隙率铌硅粉末混合物的冲击回收。对回收产物进行表征分析并探讨高冲击速度下孔隙率对铌硅粉末冲击化学反应的影响,实验结果表明:低孔隙率(10%)铌硅粉末混合物几乎不发生反应;20%孔隙率铌硅粉末发生不完全化学反应并生成了NbSi2;高孔隙率(35%)样品在相同冲击速度(飞片速度约为2.35 km/s)下发生完全反应获得单组分Nb5Si3。在高孔隙率的粉末混合物中,孔隙崩塌产生的高温是导致铌硅粉末反应物发生完全反应的主要原因。     

地质封存过程中饱和二氧化碳水溶液在岩心中矿化反应研究

本文以二氧化碳地下深部咸水层封存为背景,研究了在地质封存过程中二氧化碳水溶液通过天然岩心时发生矿化反应的过程。本文主要通过实验研究,利用核磁共振设备,对比了矿化反应前后,钙化岩心注入二氧化碳饱和水溶液后渗透率、孔隙率等基本参数的变化。发现在矿化反应过程中,岩心的渗透率和孔隙率都会不断增加,而入口及原大孔隙部分孔隙率增加尤为明显,发现矿化反应对渗透率的影响较大,在实际二氧化碳地质封存模拟时,需要考虑矿化反应对渗透率的影响。     

CaO孔隙形成与钙转化的实验研究

本文采用变升温速率煅烧和改变煅烧温度探索孔隙形成的特点,同时利用热重分析进行硫化反应,分析煅烧产物的钙转化率,结果表明升温速率和煅烧温度对孔隙特性有重要影响,此外硫化反应对孔径分布有特定要求。     

多孔介质内溶解与沉淀过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟了多孔介质内的溶解和沉淀现象, 并分析了雷诺数、施密特数、达姆科勒数对多孔介质孔隙结构及浓度分布的影响. 结果表明: 对于多孔介质内的溶解(沉淀)过程, 当雷诺数越大时, 孔隙率越大(小), 平均浓度值越小(大); 当达姆科勒数或施密特数较小时, 溶解和沉淀过程均受反应控制, 此时反应在多孔介质的固体表面较为均匀的发生; 当达姆科勒数或施密特数较大时, 溶解和沉淀过程均受扩散控制, 此时反应主要发生在上游及大孔隙区域.     

纳米孔隙薄膜中孔隙率与折射率关系的研究

用时域有限差分算法(FDTD)构造了纳米孔隙高分子薄膜的网格结构，并模拟了理想单色平面光波在纳米孔隙高分子薄膜中的传输过程，计算出不同孔隙率的薄膜所对应的等效折射率。模拟结果显示纳米孔隙薄膜的等效折射率与孔隙率呈线性递减的关系。还利用固体材料学中的混合材料等效介电常量理论建立了一种混合介质并联理论模型，很好地解释了纳米孔隙高分子薄膜孔隙率与等效折射率的关系而且得到了纳米孔隙高分子薄膜等效折射率与孔隙率的函数关系式。将模拟结果与混合介质并联理论模型相比较，发现该理论模型的函数曲线与时域有限差分算法模拟的结果相互吻合。     

泡沫镍孔隙尺度光谱辐射特性的实验与数值研究

实验测量了不同厚度的泡沫镍在0.4~2.2μm波长的法向-半球反射率/透射率,采用蒙特卡罗法对泡沫镍的计算机断层扫描结构进行孔隙尺度辐射传输建模,对比研究了泡沫镍辐射特性随入射光谱和样品厚度的变化,计算得到了泡沫镍辐射特性的孔隙尺度分布特征。结果表明:所建立的泡沫镍孔隙尺度辐射传输模型在计算其光谱辐射特性方面具有正确性。波长增长,吸收率逐渐降低,反射率逐渐升高;样品厚度增加,吸收率逐渐升高并趋于稳定,透射率逐渐降低至0。孔隙尺度辐射特性分布强烈依赖于局部纹理结构,波长1.5μm时,泡沫孔隙中的平均吸收率是肋筋上的1.5倍,而肋筋上的平均反射率则达到孔隙中平均反射率的3.7倍。     

微流燃料电池空气阴极物质传输孔隙尺度模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微流燃料电池空气阴极多孔扩散层内多组分物质传输特性。随机重构了扩散层,获得渗透率及有效扩散系数。建立了耦合边界电化学反应的二维模型,研究了过电位、孔隙率对氧气、水蒸气浓度分布及局部反应速率的影响。结果表明,常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数;扩散层孔隙结构对物质传输有重要影响,孔隙率减小使得传质阻力增大,导致局部氧气浓度降低,局部反应速率降低,而水蒸气浓度增大,当孔隙率从0.83降至0.7,催化界面平均氧气浓度从8.472降至8.466 mol·m^-3。     

单层元胞结构金属泡沫的透射特性

本文构建了开孔泡沫铝的简化几何模型,并利用有限积分法模拟了具有单层元胞结构的金属泡沫材料在线性极化平面波垂直入射情况下的透射率。基于菲涅耳-基尔霍夫衍射理论分析了孔隙率、孔径尺寸、材料厚度和骨架结构对金属泡沫材料辐射特性的影响。当尺度参数较大时,金属泡沫材料的固相支架结构满足良导体条件,宏观电磁屏蔽效应显著,金属泡沫材料呈现"非透明"性质。随着入射电磁波波长逐渐接近于孔径尺寸,散射效应越来越显著,金属泡沫材料的"半透明"性质开始显现,不同孔隙率的金属泡沫材料的透射率以相近的规律随波长变化。随着波长的进一步减小,衍射效应对于金属泡沫材料透射特性的影响逐渐占据主导地位,采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论可以较好地描述透射能流在孔隙结构内的分布。当衍射效应占据主导地位时,对于相同孔隙率金属泡沫材料,孔径尺寸对衍射光学行为影响不大,而材料厚度、孔隙率和骨架结构会显著影响金属泡沫材料的透射率。     

石灰石消溶的液固反应模型及消溶速率

基于单颗粒消溶的缩核模型,建立了酸消溶石灰石反应在液膜传质和化学反应共同控制条件下的颗粒群的液固反应模型。实验研究了五种石灰石样品在不同温度、不同pH值和不同粒径分布下的消溶过程,模型理论计算与实验进行了验证,得到了不同种类的石灰石在不同反应条件下的平均整体反应常数k_m,且k_m是一个与反应条件相关的特征数。通过实验数据和理论模型对反应过程中的整体反应常数进行反推,发现同一反应条件下k_m随时间不断缩小并趋于常数,但粒度分布不同和产地不同的样品在相同反应条件下的整体反应常数相差不大。     

温度对微通道CH4/O2/H2O自热重整暂态特性的影响

利用计算流体力学软件CFD和化学反应动力学软件CHEMKIN研究了微通道内催化壁面温度、反应混合气体初始温度对镍基催化剂上CH₄/O₂/H₂O自热重整反应暂态特性的影响。结果表明,微通道内的甲烷自热重整反应暂态特性与温度关系密切。温度越高,反应趋于平衡所需的时间越短;当反应器壁面温度较高时,提高反应混合气入口温度对反应影响不大;在相同的温升下,提高反应器壁面温度比提高反应混合气体初始温度对反应过程中氢气的产生和甲烷的转化更有利。     

漆黄素与酸、碱、盐反应的动态紫外吸收光谱

采用ICCD动态光谱探测系统,对6.25×10-5 mol/L浓度漆黄素分别与不同浓度盐酸溶液、氢氧化钠溶液和硝酸钠溶液的反应过程进行了实时吸收光谱测量。结果显示,漆黄素与不同浓度的NaOH溶液都能发生反应,特别与浓度0.04mol/L的NaOH溶液反应最为明显,反应过程中有中间产物的331nm和393nm光谱吸收峰出现;漆黄素只与部分浓度NaNO3溶液发生反应,但与0.5mol/L的NaNO3溶液反应非常明显。这些反应的最终产物都非常稳定。本实验首次发现6.25×10-5 mol/L漆黄素还能与一个特定浓度6mol/L的HCl溶液发生反应,并观察到了其最终产物在237nm和314nm的两个吸收光谱峰。本文研究结果为了解漆黄素与酸、碱、盐等物质反应的特性提供了实验依据。     

低速过滤燃烧火焰面倾斜动力学因素数值预测

采用数值手段对贫甲烷/空气预混气体低速过滤燃烧火焰面倾斜动力学因素进行数值预测。确认多孔介质内局部孔隙率分布不均匀性、初始预热段预热不均匀性等因素是火焰面倾斜不稳定性发生的动因。火焰面倾斜演变的快慢与孔隙率分布不均匀性及初始预热段预热不均匀性具有相关性,孔隙率分布及初始预热越不均匀,火焰面倾斜不稳定性发展越快。此外,将数值预测结果与实验结果分析比较,确认实验中火焰面倾斜不稳定性发生及发展是多因素叠加扰动的结果。     

非固结多孔介质干燥的双尺度孔道网络模型与模拟

以农产品颗粒物料中常见孔隙直径范围(10~(-4)～10~(-3) m)的非固结多孔介质为研究对象,运用孔道网络方法和传递过程原理等知识,建立了考虑骨架吸湿、汽相对流、温度梯度和孔道结构特征等因素对干燥过程影响的非固结多孔介质双尺度孔道网络干燥模型,并进行了相应的干燥实验.模拟与实验结果表明:该模型可有效模拟非固结多孔介质的干燥过程;非固结多孔介质的孔隙率、直径(包括粒径与孔径)分布对干燥的影响十分显著,孔隙率越大,物料干燥越快,达到相同湿含量干燥所需时间越短;直径分布的不均匀程度越高,干燥所需时间越长,物料湿含量分布的差异也越大。对于窄筛分农产品颗粒物料,进行干燥计算时可以采用同一直径分布代替实际分布.     

槲皮素与Cu2+反应形成配合物的紫外-可见吸收光谱法研究

采用带有快门的增强型瞬态光谱探测系统ICCD,实时拍摄了槲皮素在中性和酸性条件下与Cu2+反应形成配合物的紫外一可见吸收光谱.光谱每幅曝光时间为0.1 ms,Cu2+与槲皮素的摩尔比分别为0.2,0.5,1.0,2.0,5.0和10.0.实验结果表明不同摩尔比的反应物在其他条件相同时吸收光谱带的变化是相似的,但摩尔比越大反应时间越短;在中性和酸性条件下形成配合物的反应过程不一样,在中性条件下有吸收峰值为428 nm的反应中间产物出现,而在酸性条件下则直接反应生成最终产物,但它们的最终产物都只有一个吸收峰值为296 nm的吸收带;反应物暴露在空气中和隔离空气的反应过程没有差别.文章首次观测到槲皮素与Cu2+反应形成配合物有中间产物出现,且最终产物的吸收峰值为296nm.结果为研究槲皮素-Cu2+配合物的形成机理提供了实验依据.     

镁渣脱硫剂孔隙结构分形特性的研究

本文在实验室条件下通过镁渣和粉煤灰的水合反应,制备了可用于循环流化床锅炉的脱硫剂。采用热重分析法测定了脱硫剂的钙转化率,借助N2吸附法研究了不同水合条件下脱硫剂孔结构分形维数的变化特性以及分形特性对脱硫能力的影响。结果表明,镁渣孔结构的分形维数会随孔隙平均孔径的增大而减小,也会随水合温度和灰钙比的增大而增大,但在水合时间为8 h时呈现峰值特征;在最佳水合参数下,得到分形维数适中的镁渣脱硫剂,从而达到较好的脱硫效果。