克努森数在微尺度相似流动特性研究中的作用

为了研究克努森数对微尺度相似流动的影响,选取孔径分别为3,1,0.5,0.3mm的相似小孔模型并视流体为连续介质,在相同的雷诺数下对各尺度小孔流体克努森数不同和相同的情况进行数值模拟,计算小孔的质量流量系数并分析其内部流场特征.结果表明:在相同的雷诺数下,原件与放大件的内部流场在克努森数相同时表现出更好的相似性,小孔质量流量系数也表现出更好的吻合性,因此在采用相似放大模型研究微小尺度结构的流动特性时,为了得到更为准确的结果,必须保证相似放大件和微尺度原件克努森数相同.

克努森数对微尺度相似流动特性影响的实验

为了研究克努森数(Kn)对微尺度相似流动特性的影响,选取理论孔径分别为0.357 4mm的小孔和3.6mm的相似放大孔实验件,并保证相同的长径比.在相同的雷诺数(Re)下对孔的Kn相同和不同的情况进行实验研究,计算孔的流量系数并进行分析比较.结果表明:在相同的Re下,小孔与相似放大孔在Kn相同时,两者流量系数吻合性很好;在Kn不同时,小孔和相似放大孔流量系数不同.因此在采用相似放大模型研究微尺度结构的流动特性时,必须保证相似放大件和微尺度原件Kn相同.

跨克努森数区域的微通道内流动计算模拟研究

采用一阶和修正二阶的滑移连续介质模型,对跨克努森数区域的低速微通道流进行二维和三维数值模拟。用实验结果和DSMC方法验证滑移连续介质模型在跨克努森数区域中的适用性,并详细讨论了微通道流的可压缩效应、稀薄效应、低雷诺数效应和三维特性。研究表明,克努森数是表征稀薄效应和模型适用性的特征参数,滑移连续介质模型适用于克努森数小于0.150的氮气流动;马赫数不再是微通道流可压缩效应的唯一标识参数;雷诺数是表征低雷诺数效应和三维特性的关键参数,高宽比大于20的微通道流具备良好的二维特性。

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.

微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier-Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型,对等壁温、等热流及无温度梯度工况下,气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势(Cf.Re)和传热特性(努塞尔数)进行了数值研究。结果表明:气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数,增大气体流速;壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反,温度跳跃的影响更大;等热流加热与等壁温加热两种情况下,努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。

微槽道内气体流动的数值模拟

基于微尺度流动的滑移模型,建立了二维微槽道内气体流动的计算方法,并开发了计算程序.对相关文献中微槽道内的气体流动进行了计算,得到了压力降和速度分布剖面图,计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上,进一步研究了克努森数Kn、切向动量调节系数σv及雷诺数Re对速度分布的影响.当Kn>0.001时,边界滑移速度随着Kn的增大而增大;σv的变化对滑移速度的影响十分显著,σv减小时,边界滑移速度增大;在滑流区范围内与低Re时,Re的变化对边界滑移速度的影响很小.

致密砂岩气藏微观结构及渗流特征

随着常规油气资源的减少,致密砂岩气藏逐渐成为勘探开发的热点.然而致密砂岩气高效产出机理研究还相对滞后,已经成为目前制约致密砂岩气大规模经济有效开发的瓶颈.致密砂岩由于其特殊的地质特征,基质微观结构复杂,天然裂缝一定程度发育,投产一般需要水力压裂等增产措施,气体在其中渗流存在跨尺度效应.研究揭示出致密砂岩气在多孔介质中的流动分为解吸、扩散、渗流等几个方式,包括浓度场下的扩散、压力场中的渗流等.综述了致密砂岩存在的非常规地质特征及其研究描述方法,并依据克努森数大小,对致密砂岩气的渗流状态进行流态区域划分,为更好的理解和模拟致密砂岩气的流动状态提供了理论依据,并指出建立一种高效、简洁的微观结构精细描述方法,以及解决致密砂岩气在多尺度条件下的传质优化等是今后研究的重点方向.

致密砂岩天然气扩散能力研究

致密砂岩储层岩性致密,自生粘土矿物类型丰富且含量高,造成致密砂岩储层晶间微孔发育,岩石比表面积巨大,实验测得平均比表面积为2.13m2/g。在储层发育的纳微尺度空间内,天然气分子在其中的赋存状态以吸附为主,一旦微孔介质中天然气浓度发生变化,克努森数大于10时,吸附天然气将解吸、扩散、运移。实验室测定致密砂岩天然气扩散系数平均为6.86×10-5m2/s,通过模拟典型致密砂岩气井生产周期内天然气扩散量,证实扩散是致密砂岩天然气重要产出方式之一。

致密岩石气体渗流滑脱效应试验研究

由于致密结构和低的渗透率,气体在孔隙喉道小的致密岩石中流动会受到滑脱效应的影响。以湖南某试验场地致密砂岩为研究对象,对岩样进行了微观结构的SEM分析,通过一系列围压和孔隙压力作用下的砂岩气体流量和渗透率测试,研究气体在致密岩石中渗流特征,证明了致密砂岩气体流动存在滑脱效应现象,其渗流不符合Darcy定律。分析了孔压对滑脱效应的影响、滑脱效应对气测渗透率的影响以及滑脱因子与绝对渗透率的函数关系。研究结果表明,滑脱效应对气测渗透率的影响随着围压和气体孔隙压力的变化有所不同。同等围压下,孔隙压力越小,滑脱效应越明显,导致气测渗透率大于砂岩绝对渗透率。同等孔压下,当围压达到某一值后,其对滑脱效应的影响有限,同时也说明围压对岩石的压密是有限的。砂岩的平均气体孔隙压力与气测渗透率关系更加符合二次项曲线方程。计算获得的克努森数Kn说明了在相对高的围压和低的孔隙压力条件下,气体渗流过程位于滑脱流和过渡流之间,传统的N-S方程可能不再适用,应用Knudsen扩散方程更加合理,特别是当克努森数Kn比较高时。

基于格子Boltzmann方法的致密气藏微尺度效应研究

致密储层孔隙结构复杂,气体在致密孔喉中的流动存在微尺度效应,宏观流动规律难以准确描述其渗流特征。针对致密多孔介质孔隙主要分布在微纳米尺度的特点,建立修正克努森数(Kn)、固体边界处考虑镜面反弹(边界滑移效应)的格子Boltzmann模型。通过模拟压差驱动下的二维平板流动,验证了模型的正确性,并分析了克努森数对流动速度的影响。基于随机生长四参数生成法,对致密储层的二维微观孔隙结构进行了重构,利用修正格子Boltzmann模型进行流动模拟。结果表明:气体在致密储层中的流动存在微尺度效应,滑脱效应使得通道中间部分流体速度增大;在一定的压力梯度下,渗透率随着克努森数的增加而呈线性增加;克努森数不变时,渗透率随着平均压力倒数的增加而呈线性增加,即随着平均压力的增加,岩心的绝对渗透率减小。

微尺度阵列射流冲击结构换热特性实验研究

为了研究真实发动机尺寸下带有长圆形扰流柱阵列射流冲击结构的换热特性,选取雷诺数Re范围为1000～10000,并保证与真实发动机工况相同的克努森数Kn条件下,进行了实验研究。扰流柱排布方式分为顺排和叉排,冲击孔径D=0.4mm,0.5mm,0.6mm,冲击距H/D=1,1.5,2,详细分析了几何参数对结构整体平均对流换热系数的影响。结果表明：扰流柱的排布方式对平均换热系数影响很小,原因在于长圆形扰流柱的导流作用强于扰流作用;相同雷诺数时,孔径减小,流量减小33%,换热系数最大下降幅度10%,小孔结构具有保持相同换热强度、减小流量的应用潜力;相同雷诺数时,换热系数随着冲击距的减小而增大。

考虑应力敏感和吸附的页岩表观渗透率模型

页岩气流动存在明显的多尺度效应,而应力敏感和吸附现象的存在使得页岩气的渗流机理更为复杂。基于Beskok-Karniandakis模型,推导了考虑应力敏感和吸附的页岩表观渗透率计算模型。利用该模型进行计算并分析了应力敏感和吸附对页岩表观渗透率的影响。当页岩孔隙半径大于5 nm时,应力敏感对表观渗透率的影响占主要地位,应力敏感和吸附综合作用下的页岩表观渗透率随压力降低呈先降后升的趋势;当孔隙半径小于5 nm时,应力敏感导致的渗透率损失要小于气体解吸和滑脱引起的渗透率增大,页岩表观渗透率随压力降低而增大。

磁敏固支载流单壁碳纳米管在轴向磁场中的振动特性

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑了管型区域内滑移边界条件以及碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得轴向磁场中磁敏载流单壁碳纳米管(SWCNT)的振动控制方程以及边界条件;依靠微分变换法(DTM)对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了单壁固支载流碳纳米管的振动与失稳问题。结果表明:轴向磁场强度H_x、克努森数K_n、小尺度参数m都会对系统振动频率以及系统稳定区域产生影响,其中K_n及m越大,系统基频越低,稳定区域越小;而当外加轴向磁场强度达到一定数值后,磁场作用将使系统的稳定性明显加强。

自由分子流区气体外掠平板/圆柱体流动与传热预测

针对自由分子流区稀薄气体外掠物体流动与传热问题,基于气体分子动理论方法和相对坐标系思想,推导了预测大气外掠平板和圆柱体传热与流动的无量纲表达式,讨论了雷诺数、马赫数和克努森数对阻力与传热性能的影响。结果表明:在马赫数一定时,随着克努森数不断增加,稀薄气体外掠物体换热能力逐渐减弱;在克努森数一定时,低马赫数(Ma<0.1)对传热性能影响不大,但高马赫数(Ma>0.1)对传热性能影响显著;随着马赫数增加,流动阻力先急剧下降,当到达超声速时逐渐变缓。该研究结果可为飞行器在自由分子流区流动与传热性能预测方面提供理论依据和技术支持。

涡轮叶片尾缘微小尺度冷却通道的流动与换热特性研究

为了研究小型航空发动机涡轮叶片尾缘的新型冷却方案,应用数值模拟的方法,对不同尺度及克努森数下的冷却结构的流动及换热特性进行了研究。计算并比较了不同条件下冷却结构的总压系数、换热系数及综合冷效。

基于改进CV模型模拟超快激光加热过程

超快激光加热技术因其高精确性和高精细性等优点已广泛用于微/纳米薄膜和器件的加工中,而由此引发的超快速和超小尺寸的传热过程却无法由经典的傅里叶传热定律解释,因此研究超快激光加热薄膜的导热过程,对微/纳米薄膜和器件中散热器制造具有重要的理论意义。文章基于CV模型提出了一种的反映尺寸和记忆效应的改进导热模型(简称改进模型),用以求解超快激光诱导的薄膜中的一维热传递问题,并比较了CV模型结果。结果表明:改进模型展示出受热处温度迅速升高且峰值要高于CV导热模型的结果,而且薄膜内部的温度会随着克努森数的增加而升高;两个模型所得无量纲速度值会随着克努森数值的变化而发生改变;改进模型能够反映尺寸效应和记忆效应,从而可以描述有限热波传播速度对传热的影响。

激光聚变黑腔中等离子体的热流研究

辐射流体采用限流的局域Spitzer-Harm(S-H)电子热流近似,在预估等离子体状态时可能与实验观察存在偏差.利用一维(1D3V)含碰撞的粒子模拟程序,研究了激光聚变黑腔中金等离子体的电子分布函数和电子热流.分析表明,在等离子体的冕区,α=Z(νos/νte)^2>1,电子分布函数表现为超高斯分布(m=3.34),克努森数λe/Le=0.011大于局域S-H理论的临界值2×10^-3.这导致了局域S-H电子热流远大于实际热流.这种实际热流受限现象将导致辐射流体模拟给出的冕区电子温度高于神光实验测量值.而在等离子体的高密度区域,电子分布函数仍表现为超高斯分布(m=2.93),克努森数λe/Le=7.58×10^-4小于局域S-H理论的临界值,限流的局域S-H电子热流具有一定的适用性.但电子热流严重依赖于限流因子,辐射流体模拟需要根据不同位置的光强和电子温度调整的大小.

气相饱和度对气体滑脱效应影响实验

开展砂岩CO2驱实验,研究滑脱效应与气相饱和度关系;利用束缚水测定高气相饱和度下的滑脱因子,引入强凝胶体系和高黏淀粉溶液测定低气相饱和度下的滑脱因子;通过在24.45%~100%气相饱和度条件下微观实验测定滑脱因子,分析滑脱因子随气相饱和度变化的原因.结果表明：随着气相饱和度的增加,气体滑脱效应先增加后减小,最后达到稳定.在气驱前期CO2不是连续相,滑脱效应影响较小;在气驱中期随着窜流通道数量的增加,滑脱效应不断增大;在气驱后期随着气窜通道的拓宽,滑脱效应逐渐减小.滑脱效应同时受气相饱和度和气相饱和度分布的影响.

稀薄气体环境对逆向喷流的减阻和防热效果的影响

为研究在稀薄气体环境下逆向喷流的有效性,对使用逆向喷流的超声速钝头体在稀薄气体环境中飞行的流场结构及减阻和防热效果进行了计算.首先使用直接模拟蒙特卡罗方法计算全局克努森数为0.01、0.03及0.05时的流场结构,分析不同克努森数时逆向喷流的减阻和防热效果;然后研究了稀薄气体环境下,总压比、气体种类、喷流速度及气体温度等参数对逆向喷流效果的影响.结果表明:随着全局克努森数的增大,马赫盘和剪切层的厚度增加,回流区域减小,使逆向喷流的减阻和防热效果降低;增大总压比能增加逆向喷流的效果,但过大的总压比不仅会导致飞行器的阻力增大,而且会降低飞行器表面热流密度的减小效率,因此应避免使用过大的总压比;改变喷流的其他参数,如喷流气体种类、喷流速度以及喷流气体温度,可以改善逆向喷流在稀薄气体环境中的减阻和防热的效果.

煤层气在煤中的扩散模式研究

依据近年来煤层气扩散领域的文献资料,概括了煤层气在煤中的扩散模式,主要包括由克努森扩散系数确定的Fick扩散、Knudsen型扩散、过渡型扩散、双扩散模型、晶体扩散以及表面扩散,分析了煤中煤层气各种扩散模式的适用条件。