多孔甲烷水合物样品导热系数的测定和模拟

天然气水合物是由水分子和气体分子在一定温压条件下形成的一种类冰状笼形化合物．天然气水合物主要存在于海底和大陆的永久冻土区和青藏高原等多年冻土区，是一种潜在的替代能源．在考虑对天然气水合物资源进行开采和考察地球温压变化对含水合物层的影响时，有必要掌握水合物的热物性和含水合物层的有效导热系数，但目前报道的水合物导热系数数据不一、差异很大．水合物是一种非化学计量的化合物，因此很难获得一个不含自由气、自由水的零孔隙率完美样品．利用多孔介质的理论模型对多孔水合物的导热系数进行预测是获得水合物本征导热系数的有效途径之一．我们在一个自行设计的实验台上使用HotDisk系统独特的单面测试技术，并利用瞬态平面热源法测定了含甲烷气的多孔甲烷水合物的有效导热系数，获得该样品的导热系数和温度以及所加压力的关系．为了研究含甲烷气的多孔甲烷水合物的有效导热系数与孔隙率的关系，我们利用自相似的Sierpinski地毯分形模型，先假设多孔介质体系由多孔介质和流体两部分组成，而多孔介质颗粒则由随机分布不相接触的颗粒和带有接触热阻的自相似分布颗粒组成，再通过一维热流假设和采用等价电阻网络（即通过电一热阻模拟分析得到系统的热导率）分别模拟了干砂（含空气）和多孔甲烷水合物样品（含自由甲烷气）导热系数与样品孔隙度的关系，推测了无孔隙水合物样品的导热系数．实验和模拟结果均显示样品的有效导热系数随着孔隙度的增大而降低，样品的有效导热系数在30％的孔隙度时降低了25％．通过分析实验结果和模拟结果发现，无孔隙甲烷水合物样品的导热系数约为0．7Wm^-1K^-1．