大气压力对织物热湿特性影响的数值研究

为了模拟多孔织物内复杂的热湿传递过程，为不同大气压力条件下服装的热湿舒适性设计提供理论基础，从织物内热湿传输机理角度出发，建立了考虑大气压力影响的织物热湿传输耦合模型，比较了常压下的理论预测和实验结果，通过数值算例考察了大气压力对织物热湿特性的影响。     

油藏多孔介质热质传递“三箱”分析模型研究

油藏多孔介质孔隙组成及结构变化多样,一些特性参数很难全部获得,精确描述和分析困难;另外,多孔介质内渗流过程水力条件和作用机理复杂,存在热流固耦合作用,目前的一些分析方法和研究模型具有一定的局限性.提出了油藏多孔介质的表征单元体（representative elementary volume,REV）描述表征方法;基于表征单元体建立了多孔介质的黑箱模型、灰箱模型和白箱模型,据此提出了多孔介质的“黑箱→灰箱→白箱”分析过程.基于黑箱模型和灰箱模型推导了REV导热系数计算公式、给出了REV热质传递过程的热平衡方程.结合中国油藏热采情况,对多孔介质导热系数变化规律和蒸汽驱热质传递特性进行了分析,得到了一些有意义的结果.该工作为多孔介质热质传递过程分析提供了新思路和新方法.      

STUDY ON ANALYSIS METHOD OF “THREE BOX” IN HEAT AND MASS TRANSFER PROCESS OF RESERVOIR MEDIA

油藏多孔介质孔隙组成及结构变化多样,一些特性参数很难全部获得,精确描述和分析困难;另外,多孔介质内渗流过程水力条件和作用机理复杂,存在热流固耦合作用,目前的一些分析方法和研究模型具有一定的局限性.提出了油藏多孔介质的表征单元体（representative elementary volume,REV）描述表征方法;基于表征单元体建立了多孔介质的黑箱模型、灰箱模型和白箱模型,据此提出了多孔介质的“黑箱→灰箱→白箱”分析过程.基于黑箱模型和灰箱模型推导了REV导热系数计算公式、给出了REV热质传递过程的热平衡方程.结合中国油藏热采情况,对多孔介质导热系数变化规律和蒸汽驱热质传递特性进行了分析,得到了一些有意义的结果.该工作为多孔介质热质传递过程分析提供了新思路和新方法.     

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝 土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空 气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合 偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟 化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的 双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方 法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.      

Review of peridynamics for multi-physics coupling modeling

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说,近场动力学(peri-dynamics, PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法.概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热–力、湿–热–力、热–氧、热–力–氧、力–电、热–电、力–热–电、多孔介质的水–力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

底部热加载下两层多孔介质热流耦合现象研究

底部热加载条件下非线性流动传热问题的求解一直是多孔介质研究领域的难题。采用实验测试及数值模拟的方法,对底部热加载方式下两层多孔介质内热流耦合对流传热解的特性进行了研究。研究结果表明:在小瑞利数工况下,两层多孔介质内骨架内材料比例对温度场分布和非线性特性有重要影响;确定了非线性分叉、震荡解的特征值,并计算出了不同材料比例下的分叉及震荡所对应的临界瑞利数;通过实验验证了底部热加载时两层多孔介质内温度随时间呈非稳态震荡变化。结论可为实现热流分层、局部削弱或强化传热提供参考。     

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

Numerical simulation of coupled heat and mass transfer in wood dried at high temperature

The mutual effect between heat and mass transfer is investigated for wood dried at high temperature. A numerical model of coupled heat and mass transfer under the effect of the pressure gradient is presented. Based on the macroscopic viewpoint of continuum mechanics, the mathematical model with three independent variables (temperature, moisture content and gas pressure) is constructed. Mass transfer in the pores involves a diffusional flow driven by the gradient of moisture content, convectional flow of gaseous mixture governed by the gradient of gas pressure, the Soret effect and phase change of water. Energy gain or loss due to phase change of water is taken as the heat source. Numerical methods, the finite element method and the finite difference method are used to discretize the spatial and time dimension, respectively. A direct iteration method to solve the nonlinear problem without direct evaluation of the tangential matrix is introduced. The local convergence condition based on the contraction–mapping principle is discussed. The mathematical model is applied to a 3-D wood board dried at high temperature with the Neumann boundary conditions for both temperature and moisture content, and the Dirichlet boundary conditions for gas pressure.     

AN ALGEBRAIC MULTIGRID METHOD FOR COUPLED THERMO-HYDRO-MECHANICAL PROBLEMS

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ,ａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｄｉｒｅｃｔｅｄｔｏｗａｒｄｓｆｕｌｌｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ＿ｈｙｄｒｏ＿ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｅｆｏｒｍｉｎｇｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｄｕｅｔｏｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｆｌｕｉｄｓ(ｗａｔｅｒ,ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ,ｎａｔｕｒａｌｇａｓ)ｉｎｒｅｓｅｒｖｏｉｒ,ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ (Ｌｅｗｉｓａｎ…     

Mixed convection flow over a vertical wedge embedded in a highly porous medium

 The steady mixed convection flow over a vertical wedge with a magnetic field embedded in a porous medium has been investigated. The effects of the permeability of the medium, surface mass transfer and viscous dissipation on the flow and temperature fields have been included in the analysis. The coupled nonlinear partial differential equations governing the flow field have been solved numerically using the Keller box method. The skin friction and heat transfer are found to increase with the parameters characterizing the permeability of the medium, buoyancy force, magnetic field and pressure gradient. However the effect of the permeability and magnetic field on the heat transfer is very small. The heat transfer increases with the Prandtl number, but the skin friction decreases. The buoyancy force which assists the forced convection flow causes an overshoot in the velocity profiles. Both the skin friction and heat transfer increase with suction and the effect of injection is just the reverse. Received on 21 May 1999     

基于蒙特卡罗随机有限元方法的随机多孔介质内流体自然对流不确定性研究

为分析孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流换热的影响,发展了一种基于KL（Karhunen-Loeve展开）-蒙特卡罗随机有限元算法的随机多孔介质内自然对流不确定性分析数理模型及有限元数值模拟程序框架。通过K-L展开及基于拉丁抽样法生成多孔介质孔隙率随机实现,并耦合多孔介质自然对流有限元程序,进行随机多孔介质内自然对流传热数值模拟,得出了多孔介质内流场与温度场平均值与标准偏差,并分析了孔隙率不确定性条件下Da数对Nu数的影响。结果表明,孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流有重要影响。随机多孔介质内流场及温度场与确定性条件下的流场及温度场存在一定偏差,Nu数标准偏差随着Da的增大先增大后减小。     

基于渗透率连续变化的低渗透多孔介质非线性渗流模型

基于低渗透多孔介质渗透率的渐变理论,确定了能精确描述低渗透多孔介质渗流特征的非线性运动方程,并通过实验数据拟合．验证了非线性运动方程的有效性。非线性渗流速度关于压力梯度具有连续-阶导数,方便于工程计算;由此建立了低渗透多孔介质的单相非线性径向渗流数学模型,并巧妙采用高效的Douglas-Jones预估一校正有限差分方法求得了其数值解。数值结果分析表明：非线性渗流模型为介于拟线性渗流模型和达西渗流模型之间的一种中间模型或理想模型,非线性渗流模型和拟线性渗流模型均存在动边界;拟线性渗流高估了启动压力梯度的影响,使得动边界的移动速度比实际情况慢得多;非线性越强,地层压力下降的范围越小,地层压力梯度越陡峭,影响地层压力的敏感性减弱,而影响地层压力梯度的敏感性增强。     

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

Numerical simulation of compressible gas flow and heat transfer in a microchannel surrounded by solid media

In this study, a numerical model is developed to investigate the coupled compressible gas flow and heat transfer in a microchannel surrounded by solid media. To accommodate the varying flow cross-section, the compressible gas flow model is established in a non-orthogonal curvilinear coordinate system. An iterative numerical procedure is employed to solve the coupled heat transfer and gas flow equations. The computer code for the compressible gas flow is first validated against two test problems, and then extended by including the heat conduction in the solid media. The effect of the inlet Mach number on the Nusselt number is examined. It is found that the pressure difference from the pyrolysis front to the heated surface is induced essentially by the gas addition from the channel wall, instead from the pyrolysis front. The necessity of accounting for the gas compressibility is clearly demonstrated when severe heating is applied. The pressure distribution obtained along the channel axial direction is useful for further structural analysis of composite materials.     

裂缝角度对含气多孔介质热流耦合特性影响研究

为研究含裂缝多孔介质内部流体的流动和传热特性,通过热-流耦合传热实验测试对5种裂缝倾角(0°,15°,30°,150°,165°)多孔介质进行了研究.结果表明:裂缝角度y=0°的多孔介质达到稳态需要时间最长,约为720min,传热速率最慢,适用于削弱传热应用;裂缝角度旋转方向对多孔介质内高低温流体的混合能力影响较大,裂...     

An Analytical Study of Free Convective Boundary-Layer Flow in Porous Media: The Effect of Anisotropic Diffusitivity

The effect of an anisotropic thermal diffusivity tensor on the free convective boundary-layer flow in porous media is studied. Convection is induced by a generally inclined, uniformly heated surface embedded in a fluid-saturated medium. A third-order boundary-layer theory is presented in order to obtain accurate information on the effect of anisotropy on the rate of heat transfer into the porous medium. It is shown that the thickness of the resulting leading order boundary-layer flow depends on the precise nature of the anisotropy. On the other hand, the anisotropic diffusivity does not induce a fluid drift in the spanwise direction, a result which is different from that obtained in our earlier study of the effects of an anisotropic permeability. It is found that the second order temperature field does not contribute to the overall rate of heat transfer. Finally, we show that the third-order correction to the leading-order rate of heat transfer is given in terms of an explicit formula.