基于kHz~MHz频段电频谱的多孔介质中水合物饱和度评价方法:数值模拟研究

宽频电频谱蕴含了导电、电极化及其频散机制的信息,天然气水合物的介电常数在kHz~MHz频段呈现频散特性,提出了基于该频段的电频谱来反演水合物饱和度的新思路。首先建立含水合物多孔介质的电场有限元数值模型,然后探讨水合物饱和度、水合物微观赋存模式、电场频率等因素对宽频电频谱的影响规律,最后针对含悬浮型和包裹型水合物多孔介质分别提出基于两步法的三相介电混合模型,进而建立水合物饱和度计算模型。研究结果表明:(1)在含包裹型水合物多孔介质中,水合物将石英砂颗粒与孔隙水隔离,则多孔介质低频段(<kHz)电频谱不受双电层极化的影响;当频率高于水合物频散频率时,含悬浮型和包裹型水合物多孔介质的复电导率虚部和复介电常数实部随着水合物饱和度的增大而显著降低;(2)对于含悬浮型水合物多孔介质,先将孔隙水与水合物的混合物视为等效孔隙流体相,采用Bruggeman(BR)模型计算等效介电常数,后将等效孔隙流体相与骨架颗粒混合,采用Bruggeman-Hanai(BH)模型计算含水合物多孔介质的等效介电常数,利用该BR-BH三相介电混合模型计算水合物饱和度,最大绝对误差为0.08,最大相对误差为5.67%;(3)对于含包裹型水合物多孔介质,先将骨架颗粒与水合物的混合物视为等效骨架颗粒相,采用Maxwell Garnett(MG)或BR模型计算等效介电常数,后将等效骨架颗粒相与孔隙水混合,采用BH模型计算含水合物多孔介质的等效介电常数,利用MG-BH和BR-BH三相介电混合模型分别计算水合物饱和度,最大绝对误差均为0.04,最大相对误差均低于10%。该研究建立了一种新的水合物饱和度评价方法,为天然气水合物储层定量评价和动态监测技术的开发提供了理论基础。

微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.

微TPV系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

为优化燃烧室的设计,提高微热光电系统的整体效率和工作性能,建立了颗粒填充型多孔介质燃烧室.通过试验验证,应用Fluent软件对多孔介质结构的微燃烧室进行数值模拟,分析孔隙率、氢氧体积混合比和流量比等因素对燃烧室性能的影响.模拟结果表明,采用多孔介质结构可以改善燃烧室的燃烧性能,燃烧室在多孔介质孔隙率为0.52,氢氧体积混合比为2∶1,入口流量为200mL/min时燃烧效率较高,有利于微热光电系统稳定高效地工作.

内插多孔介质微通道热沉的数值模拟

以水为流动介质,在微通道内添加堆叠金属丝网多孔介质,采用局部非热平衡假设和双能量方程模型,分析了内插不同目数金属丝网的微通道在层流状况下的传热与阻力特性,并采用数值计算方法对微通道热沉进行了数值模拟。结果表明,在微通道内插入多孔介质能显著提高热沉的对流换热系数、降低加热面平均温度,但阻力增加较大,且当插入的金属丝网目数为100目时,微通道热沉的对流换热系数较大,与填充其他目数金属丝网相比阻力增加较小。

基于红薯片多孔介质的间歇微波干燥数值分析

针对红薯薄片内部多孔介质子域和外部热空气自由流动子域,采用COMSOL Multiphysics软件分别在不同间歇比(PR=2,PR=3,PR=4,PR=5)条件下构建并求解多相流间歇微波联合对流干燥模型;在热风60℃,风速1.2 m/s的干燥工况下,与红薯薄片热风对流干燥特性进行对比。结果表明,间歇微波对流干燥的最优间歇比为3,干燥速率随间歇比的增加而减小。采用PR=3的间歇微波对流干燥薄片与采用热风对流干燥的薄片相比,前者干燥至相同的含水量时内部液态水和水蒸气通量分别高于后者0.37~2.28倍和0.67~1.9倍,核心温度提高了9.3~69.3℃,导致含水量降低到1.8 kg/kg时前者的干燥速率是后者2.63倍,前者的整体干燥时间比后者缩短68.6%。结合薄片NO.4内通量分布表明,水蒸气和液态水通量聚集于距离薄片表面0~0.01 m区间内,选用间歇微波可降低水分传输到外界的路径,实现了干燥优化。研究结果为红薯薄片间歇微波对流干燥工艺优化提供科学依据。

三维小球随机堆积多孔介质内黏弹性流体流动数值模拟分析

复杂流体在多孔介质内的流动广泛存在于自然界和工业生产中,研究复杂流体的非牛顿特性对多孔介质内流动的影响具有重要的意义。基于黏弹性流体本构方程,对三维颗粒随机堆积的多孔介质模型进行研究,获得了流体流变性质对多孔介质内流动特性的影响规律。研究发现,流体的流变性质对多孔介质流场内流动的压力降和渗透率等有着显著的影响。对于黏弹性流体来说,随着弛豫时间的增大,即流体的弹性增强,导致流场内压力降减小,渗透率增大;当表征剪切稀化效应的迁移因子增大时流场内部压力降减小,渗透率增大。

基于多孔介质模型的蓄热储能装置流场数值模拟

为解决新疆地区的电网调峰问题,提出一种蓄热储能装置。采用单孔道压降–流速曲线拟合的方式,计算蓄热砖体的黏性和惯性阻力系数,使用3×3和6×6孔道模型进行数值模拟验证,压降结果误差控制在7%,且能够有效节约计算资源和时间。根据余热锅炉设计参数,将两系数的求解延展至装置加热段,通过增加风机数、改变出口管道布置方式和加宽蓄热砖体等方法,对当前设计的加热段结构提出改进。优化后的模型内部高温滞留现象明显减弱,砖体截面平均温度提高5℃,气体出口流量分配差异率降低56.8%,装置的可靠性和稳定性显著提升。当经验公式不适用且实验条件受限时,该研究提出的方法可为多孔介质结构的数值模拟提供参考。

多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用

利用FLUENT软件中的多孔介质模型,对板翅式燃气热水器换热器芯体内流体的流动与传热进行三维数值模拟。计算分析了不同操作参数条件下,换热器芯体的流场分布特点,计算结果与热水器样机测试实验结果吻合,表明该模型的应用是切实可行的。

基于多孔介质的玻璃温室加热环境数值模拟

利用CFD方法对冬季夜间加热温室热环境进行建模,模型中考虑热压、热辐射和作物的影响,作物用多孔介质替代,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法的有限体积法对流场微分方程进行离散,对室内流场和温度变化以及分布进行了数值模拟。通过在Venlo型温室采集关键位置的温度和速度数据,与仿真结果比较发现,测试点的温度误差均控制在2℃之内,少数相对误差控制在15%之内,大多数控制在10%之内,验证了所建CFD模型和用多孔介质替代作物的正确性。

多孔介质流动的直接数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent建立了一个二维DNS模型,研究了多孔介质中的流动阻力和压降.模拟时对填充的圆柱粒子采用了2种几何排列方式,即直排和叉排.DNS直排模型的压差为53.5Pa,接近于采用原始系数A=150,B=1.75的尔格方程计算结果55.6Pa.叉排模型的压差为65.1Pa,接近于采用修正系数A=180,B=1.80的尔格方程计算结果62.1Pa.对于真实多孔介质材料的模拟来说,圆柱形粒子叉排比直排更为准确.因此DNS结果确认了修正系数组(A=180,B=1.80)比原始系数组(A=150,B=1.75)更适合尔格方程模型.应用文中推荐的DNS方法,通过采用不同的粒子几何排列方式、填充不同形状的粒子可以进一步地预测尔格方程系数或改善其他的多孔介质模型.

孔隙介质渗流微观数值模拟

论述了孔隙介质渗流宏微观研究之间的联系,以及微观渗流研究的重要意义。综述了国内外有关渗流微观结构模拟方面的研究问题和当前主要研究方法,分析了各种微观物理模型及相应的各种数学模型的研究特点和研究手段。比较了孔隙结构研究的随机模拟方法和全局升尺度法,指出了两种方法的优缺点,最后对孔隙介质微观渗流研究的发展趋势进行了展望。

基于多孔介质模型的钾热管数值模拟

为研究钾热管内传热传质机理,对钾热管进行了数值模拟。建立了固液气三相耦合数学模型。其中对吸液芯液体流动区域采用了多孔介质模型,该模型考虑了液体流动对热管传热性能的影响。利用PHOENICS3.6对数学模型进行数值计算,得到了热管内的稳态工作参数。分析模拟结果得到了钾热管内部各相工质传热、传质机理,并与试验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与试验数据符合较好。

多孔介质内H_2S贫氧燃烧制氢数值模拟

为探索H2S在多孔介质内超绝热缺氧燃烧裂解制氢的机理,采用流体力学数值模拟与化学动力学研究相结合的方法,使用一个17组分、57步的复杂化学反应机理,模拟了H2S在直径为3mm的Al2O3圆球堆积的多孔燃烧反应器内的缺氧燃烧制氢过程,模拟结果与试验数据基本吻合.模拟结果显示:富燃条件下,多孔介质内H2S的燃烧温度超过了绝热燃烧温度,为H2S的裂解制硫、制氢提供了高温环境,H2S部分裂解生成单质硫和氢气,从而实现了对硫化氢中的硫和氢同时利用的目的.

多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用

本文详细讨论了多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用,开发了一套能自动生成多孔介质特性参数的通用程序。该程序主要基于三维交错网格及SIMPLE算法,然后运用该模型,采用改进的κ-ε模型和壁面函数法,对换热器壳侧的湍流流动进行了数值模拟。计算结果与换热器冷态实验结果符合良好,表明该模型和计算方法是切实可行的。

气体和气溶胶在多孔介质中迁移的数值模拟

为了研究多孔介质对气体和气溶胶的封闭能力,用数值方法模拟了气体和气溶胶在多孔介质中的迁移.考虑了渗透、吸附过滤、扩散、热传导等因素,在柱对称坐标下用双孔双渗模型进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.计算结果显示,多孔介质对气溶胶有较强的阻挡作用,模拟实验结果也证明了这一点.

往复热循环多孔介质燃烧点火特性数值模拟

采用无量纲形式,以有限容积法为基础,对往复式热循环多孔介质燃烧系统点火燃烧特性进行数值模拟,分析不同点火位置对多孔介质燃烧过程中点火燃烧演变过程、燃烧稳定状态、及点燃燃气热值的影响。指出在点火燃烧演变过程中,各点火位置下的温度分布经历明显演变过程,燃烧火焰位置均逐渐向"特定位置"移动;燃烧稳定时,火焰位置相互重合,预热区温度和峰值温度基本不变,点火位置向燃烧蓄热器中心靠近,蓄热区域内温度越高,直接点燃燃气热值越低。

多孔介质燃烧的二维数值模拟

利用商业软件FLUENT6.2结合用户自定义标量和用户自定义函数,采用二维稳态模型和简单化学反应机理,对堆积床内丙烷/空气预混燃烧进行了数值模拟,并与实验结果进行对比.结果表明,由于壁面粘性和壁面散热的影响,多孔介质燃烧火焰呈现明显的二维结构.所以在实际的燃烧器设计中应考虑壁面带来的影响.

多孔介质融化相变自然对流数值模拟

根据体积平均理论,建立多孔介质中融化相变过程自然对流模型。数值模拟了以石英砂颗粒为骨架、冰为填充相的二维融化过程。数值结果表明,在融化区上部发生较强烈的自然对流,融化界面与水平线倾角随融化时间越来越大。

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现:当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.