介孔材料低温氮气吸脱附的孔道网络模型

介孔结构的表征和分析对于介孔材料的开发至关重要,其中低温氮气吸脱附法是最常用的介孔表征方法之一。然而,目前氮气吸脱附法采用的分析模型仍基于平行孔假设,无法描述脱附过程堵孔现象,以及获取孔道连通性等重要孔结构信息。本文建立了低温氮气吸脱附的孔道网络模型,用于分析介孔结构对氮气等温吸脱附行为的影响。通过对比氧化铝材料的氮气吸脱附实验数据和模拟结果,证实了建立的孔道网络模型能很好地描述介孔材料中低温氮气吸脱附行为。模拟结果表明平均孔径较小时,毛细凝聚分压低,液氮堵孔效应显著,氮气吸脱附曲线回滞环的范围和面积较大;孔径分布较宽时,小孔和大孔数量均较多,毛细凝聚和堵孔效应显著,回滞环面积较大;孔道连通性不会影响吸附过程,但会通过改变堵孔效应显著影响脱附过程,连通性越差,堵孔效应越强。证实了堵孔效应对氮气脱附过程影响显著,因而氮气吸脱附法需要考虑堵孔效应,建立的孔道网络模型也可为介孔结构分析提供合理的模型工具。

苹果切片干燥收缩变形的孔道网络模拟及试验

为揭示果蔬干燥收缩变形的传热传质与应力应变的机理,确定果蔬微孔结构特性及内部毛细力等因素对其干燥过程的影响,该研究运用孔道网络方法、热质传递原理和细观力学理论等交叉学科知识,构建了孔隙尺度下果蔬切片干燥收缩变形的孔道网络模型,采用VC++开发孔道网络求解程序,模拟分析了果蔬切片的湿分场、温度场以及应力应变场等情况,并以苹果切片作为果蔬典型代表进行了热风干燥试验及模型验证。结果表明:湿含量、温度和收缩变形率的模拟值与试验值的相对误差小于10%,模型可有效模拟果蔬干燥热质传递与应力应变的收缩变形真实过程,再现了干燥过程中的“非规则收缩变形”现象;孔道网络模拟的湿分场、温度场及应力应变场均呈现为不规则非对称变化规律,产生了明显的干斑、湿斑、非规则干燥前沿等;毛细应力和湿应力对果蔬干燥收缩变形影响较大,其中毛细应力是引起非规则收缩变形的主导因素;孔隙结构参数对果蔬干燥过程影响显著;孔隙率越大,干燥时间越长,毛细应力越小;配位数越大,毛细应力越大,干燥时间越长;孔隙直径分布呈现均一直径分布规律的物料产生的毛细应力大,其次为孔隙直径分布呈现正态分布规律的物料和试验物料分布。研究结果为果蔬干燥品质及工艺优化分析提供了一定的理论基础。

多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅰ.模型建立

目前孔道网络干燥理论中普遍以“人造多孔介质”为孔道网络模拟的研究目标，尚未涉及实际多孔体的应用问题。以农副产品中常见孔隙直径范围（10^-7～10^-4m）的自然多孔介质为研究对象，运用分形几何学、多孔介质渗流物理和传递过程原理。建立了描述多孔介质干燥过程热质传递的分形孔道网络模型和规则孔道网络模型。模型中考虑了多孔介质孔隙内的液相流动、汽相扩散、温度梯度以及孔道微细结构特征等诸多因素对干燥过程热质传递特性的影响。为了更准确地契合自然多孔介质的孔道网络拓扑结构，应用分形孔道网络替代了通常采用的规则孔道网络。

分形多孔介质孔道网络模型的构建

采用压汞试验获得实际多孔介质的微观结构参数。以冻干马铃薯为例计算了孔隙分形维数,结果表明冻干马铃薯结构具有显著的分形特性。运用位似变换理论、分形理论、Voronoi图以及马铃薯的特征参数等,构建出与马铃薯结构参数相对应的二维分形孔道网络模型。构建的网络模型考虑了影响多孔介质干燥的孔道微细结构特征,模型参数能够很好地反映多孔物料的微观结构,且获得了合理的分形维数。

多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅱ.数值模拟与试验验证

为验证笔者建立的自然多孔介质干燥分形孔道网络模型(袁越锦,杨彬彬,焦阳,等.多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:I.模型建立.中国农业大学学报,2007,12(3):65-69)的正确性,采用新鲜土豆切片进行热风对流干燥试验,并对干燥过程进行数值模拟。结果表明:分形孔道网络模型模拟得到的多孔介质内部温度、水分含量的分布与响应较规则孔道网络模型的更接近试验结果;分形孔道网络模型能合理地解释目前常用干燥理论所不能解释的湿斑和不规则干燥前沿等现象;多孔介质的喉径分布对干燥有显著影响,喉径分布不均匀程度越高,干燥时间越长;孔隙分形维数的大小与干燥时间无确定性关系。孔道网络模型考虑了多孔介质孔道细观结构对干燥过程的影响,在预测多孔介质内部水分分布与响应方面更接近真实干燥过程。

多孔介质恒温缓慢干燥的孔道网络模型与模拟

在自然多孔介质参数分析的基础上构建了多孔介质孔道网络模型,对其干燥过程中的湿分迁移机理进行了分析。采用Matlab软件模拟恒温缓慢干燥过程,并进行了多孔介质干燥实验。结果表明,基于孔道网络模型的模拟方法能较好地模拟多孔介质干燥过程,孔道尺寸分布对介质内的相分布影响显著。

多孔介质干燥分区域模型的孔道网络理论分析

针对多孔介质干燥分区域模型内在机理不清等问题,运用孔道网络干燥理论,基于砂床恒温缓慢干燥过程,建立其孔道网络干燥模型。模拟与试验结果表明:多孔介质孔隙大小分布是影响分区域模型中湿分相分布状态的主要因素,孔隙服从高斯分布的多孔介质适合采用双区域模型;而孔隙服从对数正态分布的多孔介质则适合采用三区域模型。

仓内谷物通风干燥过程的孔道网络模型

以仓内玉米堆为研究对象,运用孔道网络方法和传递过程原理等知识,建立了考虑颗粒自身热质传递、孔隙气相对流、温度梯度和孔道结构特征等因素的仓内谷物通风干燥孔道网络模型。该模型具有易拓展,干燥变量信息全面,可直接输入物料结构特征参数来模拟预测干燥特性等优点。

仓内谷物通风干燥孔道网络数值模拟与验证

利用前已建立的仓内谷物通风干燥孔道网络模型,对玉米热风干燥实验过程进行了数值模拟,并将模拟结果与实验数据进行了比较。结果表明:该模型可有效模拟谷物的干燥过程;干燥时玉米颗粒平均温度与玉米堆孔隙气相平均温度之间存在明显的差别,后者始终比前者温度要高,故以往将谷物与孔隙气相温度不加区分,视为同一值的做法是不妥的;配位数对干燥的影响十分显著,其值越大,物料干燥越快;当物料含杂、配位数值较小时,干燥仓内会出现"湿团"现象。

果蔬多孔介质干燥传热传质过程的孔道网络模拟及试验

为研究果蔬多孔介质干燥的传热传质机理,确定其内部不同物理结构特性对干燥过程的影响,本文运用孔道网络理论和热质传递原理等知识,建立了果蔬多孔介质干燥传热传质的孔道网络模型,并进行了以苹果切片为典型代表的果蔬多孔介质热风干燥试验,模拟分析了苹果切片的含水率、温度场和湿分场等情况.结果表明:建立的模型能够较好地模拟果蔬多孔介质干燥过程;其温度场表现为四周区域温度高,中心区域温度低,而湿分场则相反,呈现出四周区域低,中心区域高的趋势;果蔬物理结构参数对干燥过程的影响显著,孔隙率越大,果蔬干燥所需时间越长;配位数越小,对应的干燥时间越短.研究结果为果蔬多孔介质干燥工艺及品质分析提供了理论基础.

液压集成块孔道网络优化设计

针对液压集成块孔道网络优化设计问题,给出该问题的数学优化模型,研究实时干涉校核下的两端和多端线网的三维连通算法,在此基础上提出对布线顺序的处理策略,实现了自动寻优的液压集成块孔道网络连通设计,并在应用实例中得到验证.

砂粒堆积床恒温缓慢干燥的孔道网络模拟

对砂粒堆积床这一自然多孔介质的结构特性及孔道网络干燥模型进行了描述,并对砂粒堆积床结构参数与孔道网络模型参数进行了对应分析;建立了堆积床的孔道网络模型,并利用该模型进行了砂堆积床干燥过程的孔道网络模拟;模拟的结果与干燥实验数据进行了验证。

多孔介质干燥孔道网络模型的研究进展

建立在物质微观传输基础上的孔道网络干燥理论,通过完全离散化的方法在孔道等级上对干燥过程进行研究,描述了多孔介质内部结构参数对干燥过程的影响。介绍了建立孔道网络模型的原理和方法,阐述了基于单元体上孔道网络研究的内容及目的,综述了基于产品等级上孔道网络研究的最新进展,阐明了孔道网络模型方法对干燥理论研究的重要意义。指出,进一步提高网络模型中孔道的拓扑等价性、形状的不规则性及尺寸的相关性,探索网络构建新方法以及增加孔道网络信息量,是孔道网络干燥理论的主要发展方向,并应加强同分形、渗流理论的进一步结合。

多孔介质物料热风干燥孔道网络模型研究进展

多孔介质物料热风干燥广泛应用于工业干燥各个领域。孔道网络模型干燥理论是一种完全离散化的方法,能建立多孔介质微观结构特征与宏观传递现象之间的联系。常用的孔道网络模型包括二维规则孔道网络模型、二维分形孔道网络模型和非固结双尺度孔道网络模型等。但是对于孔道网络模型的研究,目前还存在人工构造多孔介质网络的困难,模型参数还不能准确描述实际多孔介质物料以及研究结果不能完全反映自然多孔介质干燥过程等问题。今后应进一步探索网络构建新方法,在模型构建中考虑更多的多孔介质物料特性,以期更准确地描述自然多孔介质实际的干燥过程。

仓储粮堆三维非规则孔道网络模型的优化研究

为了更详尽地反映仓储粮堆内部粮食颗粒与孔喉之间、孔隙与孔隙之间的位置关系,更合理地描述仓储粮堆内部在机械通风过程中的湿热传递规律,利用三维CT扫描设备与Avizo软件对颗粒堆积样件的孔喉进行提取,获得颗粒堆积样件实际三维孔道网络模型。其中喉道长度主要分布在6.0~14.0 mm之间,大约占喉道总数的96%,喉道长度分布大致为Poisson分布;孔隙半径多在2.0~10.0mm之间。通过EDEM软件模拟粮食颗粒堆积状态,基于泰森多边形原理,通过voro++软件处理堆积体中的颗粒坐标及半径等参数,结合孔隙划分规则对不合理孔隙进行处理,获得仓储粮堆三维非规则孔道网络模型。其中孔隙配位数主要集中在3、4、5和6,喉道长度主要分布在3.0~13.0 mm之间,孔隙半径分布大致在2.0~10.0 mm之间,三者均大致呈Poisson分布;颗粒配孔数在7~18之间,颗粒配喉数在4~20之间,其中大部分配孔数集中在8~16之间。软件构建所得的三维孔道网络模型可以描述仓储粮堆内部孔隙结构,且构建所得结构参数较Avizo软件提取获得的结构参数更加全面,更能准确地描述仓储粮堆内部颗粒、孔隙以及喉道之间的关系。

多孔介质干燥的孔道网络试验及模拟

结合孔道网络及侵入渗流理论,试验并模拟研究了刚性多孔介质的干燥过程。观察了孔道网络内部湿组份的分布状态,孔道网络干燥前沿的形成及发展过程。验证了多孔介质在干燥过程出现的蒸发前沿及其具有的不规则特征。模拟研究了多孔介质在等温条件下不考虑重力时的干燥过程。通过模拟给出了多孔介质在干燥过程内部相的动态分布。模拟结果显示,干燥前沿具有非常不规则的特征。通过相图分析,干燥中内部湿分的迁移不仅是一个从里到外的过程,也同时存在逆向扩散。

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.

基于数字岩心孔道流动模拟稠油开发参数测算

疏松砂岩稠油油藏在开采过程中地层极易出砂,固相颗粒的迁移、堵塞及稠油中沥青质的沉降,导致储层物性变差,采用排砂冷采及化学降解工艺可以减小储层伤害。针对目标油藏典型岩样的数字岩心,参照实验观察和测试结果,分析岩石孔道孔径及连通条件对渗流环境的响应程度,将储层伤害因素转换为连通孔道网络渗流阻力的变化程度,利用孔道网络流动模拟技术,实时计算储层岩石的有效孔隙度和表观有效渗透率,并回归建立渗流环境、开采方式与主要渗流参数之间的相关式;再基于原始地层渗透率,以压力梯度为结合点,将微观模拟结果映射到宏观渗流空间,得到有效渗透率和波及系数在储层的实时分布,可用于评价敏感油藏储层伤害程度及防砂和排砂冷采对地层渗流场的影响,并进一步测算采收率、极限井距、合理井距等关键开发指标参数。本方法立足于敏感稠油油藏储层岩石孔道网络内的渗流过程,考虑了多种复杂的渗流环境,降低了开发过程的不确定性,可用于该类油藏主要开发技术参数的快速测算和评价。

多孔介质干燥理论的回顾与展望

简要回顾了固体物质在干燥过程中湿分迁移的理论及这一理论的发展历程;介绍了固体物质中湿分传递的主要理论和模型,包括传统的连续介质假设模型和为了克服它们在描述微观结构特性上的不足而创立的应用于多孔介质的体积平均理论;还介绍了近10余年来干燥理论研究的趋势,特别是在利用相邻学科的成果应用于揭示湿分在固体物质内部迁移的微观原因方面所做的努力,其中包括孔道网络模型和多尺度方法,以及分形理论在多孔介质干燥中,内部水分迁移过程的应用前景。

多孔介质有效导热系数的实验与模拟

应用实验与数值模拟相结合的方法研究了多孔介质的有效导热系数。将分形理论与孔道网络模型相结合的分形孔道网络模型用于研究多孔介质的有效导热系数,为太阳池储热、地源热泵传热、食品干燥等方面打下了基础。模拟计算结果与实验结果吻合较好,证明了分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数。研究了孔喉比、配位数、垂直热流方向喉道比例、喉道长度、孔隙率、固体骨架导热系数(Ks)及流体导热系数(Kf)等多方面对多孔介质有效导热系数的影响。结果表明,垂直热流方向喉道会增大多孔介质的热阻,降低多孔介质的有效导热系数。当Ks大于Kf时,随着孔喉比的增大以及喉道长度的减小,多孔介质的有效导热系数越大。当平行热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的减小而增大;当垂直热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的增大而增大。