颗粒填充柱内溶质弥散系数的体积平均方法

发展数值模拟模型有助于深入了解多孔介质内溶质弥散规律。目前尚没有准确的数值模型能用于具有随机孔隙连接性的多孔介质内的溶质弥散过程描述。文中构造了一个颗粒填充柱单元体结构,并应用体积平均方法与数值模拟相结合计算得到了对应颗粒填充柱内溶质的弥散系数。计算获得了单元体结构内部的速度场与不同平均流速下的弥散系数,并提出了一个预测颗粒填充柱内溶质弥散系数的经验关联式。预测结果与实验数据、数值模拟结果的对比表明:采用文中构造的颗粒填充柱单元体模型与体积平均方法可以定性预测实际颗粒填充柱内的溶质弥散行为。

复合材料热压工艺多物理场耦合数学模型

针对热压工艺特点,将预浸料视为可变形的多孔介质,通过体积平均,建立了固化过程中温度、纤维应力和树脂流动多物理场耦合的数学模型。该模型考虑了纤维变形和体积分数变化的影响,反映了渗透率和纤维体积分数的关系。对于复合材料层合平板热压工艺,通过进一步简化,给出了一维固化方程,并进行了有限元数值分析。数值模拟中采用ALE移动网格方法来处理动边界问题。计算结果表明,与非耦合的经典模型相比,该模型给出的结果能更好地与实验吻合,层合板逐层压缩现象也和实验结果一致。而且该模型能预测树脂的排出量和纤维层间纤维体积分数的变化。

双级孔材料内组分有效扩散系数的理论计算

双级孔材料中扩散与吸附现象广泛存在于化工过程中,准确预测其传递性质对指导过程设计具有重要意义。从最小尺度的孔隙开始采用体积平均方法推导出一个扩散型方程,并且得到该孔隙尺度下有效扩散系数的表达式。然后以此扩散方程为基础逐级扩大孔隙尺度,直至获得最大尺度孔隙中对应的扩散型方程及其对应的有效扩散系数的理论表达式。基于此,推导出一个扩散型方程描述双级孔材料内的组分扩散与吸附过程。孔隙结构、扩散速率、吸附强度的影响由有效扩散系数衡量。将上述理论模型与孔尺度模拟方法结合,对多孔圆柱阵列内的扩散吸附过程进行预测,预测结果与文献报道的直接数值模拟的结果吻合。结果表明:体积平均理论以及推导得到的封闭方程可用于预测双级孔材料内组分的有效扩散系数,为理解孔隙结构对有效扩散系数的影响以及调控相关过程性能提供了新的方法。

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程,使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法,结合传热模型,完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算,实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程.模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算,通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算,二者通过以动能方式耦合的形式,计算出岩石固体颗粒质点的位移,从而实现了流固耦合计算.在此基础上,加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响.温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒,总体上实现热流固耦合过程.基于数值模型,模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程.研究结果表明:热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反,使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小;温度的增加使得模型孔隙度增加,但当注入温差达到150 K后,孔隙度不再有明显增加;温度的增加使得水相的相对渗流能力增加,等渗点左移.