逾渗理论在多孔介质渗透性能研究中的应用

逾渗现象广泛存在于自然界的各种物理过程中,逾渗理论已经在众多领域得到广泛的应用和研究.区别于传统的以渗透系数为主要参数渗流理论,用逾渗理论表征多孔介质的渗透性能,这可能是解决复杂渗流问题更合理的方法,如当气相侵入饱和多孔介质时,对非混溶的两相流动系统中气相运动的表征。多孔介质可以视为由孔腔与孔喉组成,它们分别对应逾渗网络模型里的节点与连接节点的键,在此概化的基础上逾渗理论可以应用于多孔介质,进而运用逾渗理论中关键路径分析的方法对饱和渗透系数与非饱和渗透系数进行理论推导。以泊肃叶方程为起点,结合连通性以及逾渗临界体积含量等概念,构建出了饱和渗透系数与孔隙临界半径的关系,并在此基础上将孔隙度以孔隙半径的概率密度函数的形式给出并引入平衡半径的概念,加入推导,最终得出非饱和渗透系数的表达式。并使用Rijtema数据库的两种土样实测数据与预测值对比,分析了非饱和渗透系数表达式的适用性。结果发现,给出的非饱和渗透系数的表达式只有在远离逾渗阈值的范围区间内,即饱和度大于0.9时,预测值才与实测值接近,而在小饱和度时,甚至产生了几个数量级误差。这些误差的产生与前述推导过程中的假设与近似处理以及接近逾渗时拓扑的复杂性有关,其结果是越接近临界饱和度,其预测值越不准确。

基于逾渗理论的超低温泛塞密封圈的性能分析

泛塞密封圈能够补偿压缩量偏差,具有良好的高速表面动态性能,但由于泛塞密封圈壳体主要采用热膨胀系数较大的塑料,因此在液氢环境下常常会导致密封性能下降,甚至产生较大的泄漏。本文基于逾渗理论,考虑密封面粗糙度因素,建立超低温旋转泛塞密封圈热固耦合分析模型,以液氢环境下的摩擦力和泄漏量为密封性能的评价指标,分析了不同壳体材料对密封性能的影响程度,以外径、密封唇厚度、内径为主要参数,分析了各密封壳体结构参数对密封性能的影响程度,得到给定要求下的最优模型尺寸参数,并进行了试验验证。结果表明:在液氢环境5MPa介质压力下,相同结构参数的聚三氟氯乙烯(F3)壳体材料摩擦力是聚四氟乙烯(F4)的2.26倍,泄漏量为0.867倍。当其它结构不变时,泛塞密封圈外径越大,摩擦力增大而泄漏量减小;厚度越厚,密封圈摩擦力与泄漏量越大。泛塞密封圈经过结构参数优化后,在介质压力为5MPa时,泄漏量最大下降了63.30%。

“从心所欲”和“不逾矩”

孔子说:“吾十有五而志于学,三十而立,四十而不惑,五十而知天命,六十而耳顺,七十而从心所欲,不逾矩。”在孔子看来,从心所欲不逾矩,是人生在世最高境界。后学读这个典故,每每欣羡,以为至人。然而后人羡慕的,往往是孔子的“从心所欲”,对“不逾矩”则重视不够。潜意识里,好像都有一种不被约束的希望,如鲲化为鹏,“九万里则风斯在下矣”;如鸿鹄展翼,“一举兮,知山川之纡曲;再举兮,睹天地之圜方”。

基于AE的花岗岩三维裂隙连通逾渗模型研究

深部开采面临着错综复杂的环境和技术难题,探究北山深部花岗岩的破坏过程,通常使用的传统意义的声发射描述因数据分布的过于杂乱而导致辨识难度增加且无法精确地探知其内部关联。通过建立三维裂隙连通逾渗模型,能够实现裂隙的可视化精确描述。结果表明:以声发射能量数为损伤变量,采用ANSYS建立出考虑损伤的模型,并植入FLAC3D数值模拟软件中,模拟出花岗岩三轴条件下的全过程破坏情况,将破坏过程分为4个阶段:裂隙闭合阶段,线弹性变形阶段,裂隙萌生发育阶段,残余应力阶段。不同围压情况下的峰值应力与实验相统一,证明了损伤模型的有效性,为未来的岩石破坏研究提供参考。

硅橡胶-炭黑导电橡胶的逾渗特性研究

以炭黑为导电相填充硅橡胶制备导电橡胶,并基于Matlab软件建立了相应体系的逾渗模型,对比研究了炭黑含量及粒径对导电橡胶体系粒子逾渗特性和导电性能的影响。结果表明,当炭黑粒径一定时,炭黑含量是影响所制导电橡胶导电性能的重要因素,当炭黑含量达到逾渗阈值,材料电阻急剧减小,炭黑粒径越小,所制材料的逾渗阈值越低。不同炭黑粒径下,导电橡胶体系的分形维数均随着炭黑含量增加而增大,并且炭黑粒径越小,体系分形维数越小,而分形维数较小的体系在逾渗状态前形成导电集团的能力更强。对比实验和数值模拟结果可知,本文构建的逾渗模型能较好地反映硅橡胶-炭黑导电橡胶中导电相的结合特性。

逾渗理论的研究及应用进展

逾渗理论是处理强无序和具有随机几何结构系统常用的理论方法之一,为描述空间分布的随机过程,提供一个明确、清晰、直观的模型。本文系统地阐述了逾渗理论的中心内容(即在逾渗阈值处系统的物理性质会发生尖锐的变化)、基本特点;以导电复合材料体系为例分析总结了8种逾渗模型的特点;概述了逾渗理论的应用领域,并展望了其发展前景。

基于双重逾渗模型的裂隙多孔介质连通性研究

孔隙和裂隙是裂隙多孔介质的2种渗流通道。在低渗和特低渗情况下,孔隙和裂隙能否构成贯穿的通道,决定介质能否发生渗流。针对低渗和特低渗裂隙多孔介质的连通性,结合孔隙逾渗理论和裂隙逾渗理论,提出一种双重逾渗模型。基于该模型,提出能够反映和比较裂隙多孔介质连通性的2个量化参数A0和D,并重点讨论这2个量化参数物理意义。根据A0和D这2个参数分析裂隙多孔介质的连通性特征。分析结果表明,以D=2为临界值,可以将裂隙多孔介质分为3种类型:"弥散型"、"临界型"、"指向型"。当D>2时,介质具有自封闭趋势,属于"指向型";随着孔隙连通和裂隙方向随机性的增强,这种自封闭趋势会被破坏,使介质趋向于"弥散型",即利于连通。少量长裂隙的存在对介质的连通性起决定作用。

Al_(2)O_(3)基导热聚合物中的热逾渗网络

添加高导热填料的有机聚合物是最常用的一种热界面材料.其中一种提升热导率的方式是采用不同形貌填料复合添加,结合各种填料的优点,取长补短.然而,由于有效介质理论的局限性,以及热逾渗理论的滞后研究,对于不同形貌填料的协同机制依旧缺乏探索.为了剔除不同材料的耦合影响,本文采用不同形貌的同种氧化铝作为填料,分别制备了添加氧化铝球、氧化铝片以及球/片1∶1混合的环氧树脂复合材料.通过稳态法测量样品的热导率,发现球/片1∶1混合样品热导率得到显著提升.结合热逾渗理论,以及对填料微观分析的观测,发现片状和球状填料复合添加的协同作用对热逾渗网络有促进作用.

孔隙裂隙双重介质的三维逾渗数值模拟研究

基于三维孔隙介质的逾渗模型,首次把裂隙这一重要的渗透通道引入到三维逾渗研究中,提出了孔隙裂隙三维逾渗的研究方法,并建立了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模型,这一模型的建立使得逾渗理论的研究成果可以被应用到更多的领域中,如煤体、岩体等。基于VC++6.0开发了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模拟软件,模拟研究了双重介质的逾渗规律,模拟研究表明:裂隙的存在在很大程度上提高了介质的逾渗概率,使孔隙裂隙双重介质的逾渗规律明显不同于孔隙介质;随孔隙率、裂隙分形维数、裂隙数量分布初值由小到大逐渐增长,必然发生逾渗转变的自然现象。

逾渗理论及聚合物脆韧转变逾渗模型

在介绍逾渗理论的历史发展及其描述方法的基础上,总结了聚合物共混体脆韧转变(BDT)中的逾渗模型的提出、发展及应用.并指出对BDT逾渗模型的进一步研究具有很明显的科学意义和实际意义.提出了可深入着手研究的五个方向,即建立系列聚合物和系列共混体系的逾渗模型、将其宏观性能与组分特征参数建立联系、展开脆韧转变的逾渗理论的过程研究、进行纳米共混物脆韧转变的逾渗研究以及聚合物体系逾渗过程的计算机模拟.

地震活动的逾渗模型及临界状态的研究

利用现代非线性物理理论及震源理论，结合地震活动的特点，建立了地震活动的逾渗模型．把一次大地震孕育发展的过程看做一次逾渗相变过程，应用重正化群方法处理了逾渗相变．把逾渗相变中的相关长度为无穷大作为重正化群变换中的不动点，在不动点下计算系统的临界性质，得到了逾渗概率指数、相关长度指数等临界指数．利用１９７５年海城地震以及１９７６年唐山地震前后的地震活动资料，对两次地震的逾渗相变过程进行了讨论．

储层岩石的三维逾渗模型研究

研究储层中的石油流通状况与逾渗规律,一直是油田开发领域的重点。基于逾渗理论,运用数值模拟方法建立三维逾渗模型,能够模拟储层岩石的裂缝连通团分布情况、逾渗规律、逾渗阈值,并判断其是否可渗透。结果表明,连通概率从0开始增加时,总簇数增加。连通概率增加到0.17时,总簇数开始减少;连通概率较小时,逾渗概率随着连通概率的增加缓慢增加,连通概率超过第一临界值时,逾渗概率的增长率突然增大,连通概率超过第二临界值时,逾渗概率再次开始缓慢增加并最终趋近于1;渗流集群可以准确地判定多孔介质是否可渗透,精准捕捉逾渗阈值。逾渗阈值的大小与介质的尺寸和形状都有关;最大簇大小与平均簇大小、最大簇大小与总簇数之间的关系没有明显的规律性。结论认为,此三维逾渗模型能够模拟多孔介质中由于连通概率变化所引起的长程联结性突变,可以用它模拟岩石的渗透性与逾渗规律。

双逾渗结构碳系填充导电高分子复合材料的研究进展

综述了导电高分子复合材料(CPCs)导电性能的逾渗理论和双逾渗机理,阐述了以碳材料为导电填料的具有双逾渗结构的CPCs的研究进展,其填料主要包括炭黑、碳纳米管;展望了双逾渗结构CPCs的研究前景。

基于微逾渗理论的电树枝引发和生长特性

为研究绝缘介质内电树枝的引发与生长机理,该文提出微逾渗理论,进而建立电树枝的微逾渗模型,并利用环氧树脂CY1311的数值模拟与实测结果进行了有效性验证。数值模拟结果显示,微逾渗模型针对环氧树脂CY1311在7、10和15kV下的电树枝仿真图像与实验结果非常贴近,且7、10kV时数值模拟结果的分形维数与实验结果间的最大误差仅为5.8%。结果表明,在工频电压作用下,由针尖注入的电子增加了微区域的键逾渗概率,以及热电子对聚合物分子链的撞击,二者共同引发电树枝,并形成绝缘失效区;而邻近微区域中高能电子的冲击可进一步确定电树枝的生长方向。进一步地,外加电压与温度的升高均会增大微逾渗概率。所得结果有助于从微观层面理解电树枝的引发及生长过程,为探究电树枝的抑制措施提供参考。

自然发火煤层逾渗漏风裂隙的分形特征研究

探讨了煤层巷道巷帮煤体及采空区冒落煤体逾渗漏风裂隙的分形特征,并对东滩煤矿43_上08工作面煤层巷道构造位置逾渗裂隙的形成与扩展情况进行了分析和讨论。

碳系导电填料混杂填充聚合物共混体系的导电逾渗模型

以排除体积理论为基础,提出了3种碳系导电填料混杂填充聚合物共混体系的导电逾渗模型,并利用三维图和二维图对导电逾渗模型进行了描述.选用炭黑、聚团状碳纳米管和阵列碳纳米管3种导电填料,以聚碳酸酯(PC)/苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)(70∶30,质量比)和PC/聚苯醚(PPO)(70∶30,质量比)2个共混体系进行研究,通过不同导电填料在单一聚合物及其共混物中逾渗值的测量,对导电逾渗模型公式的各个参数进行计算和修正.导电逾渗模型预测结果与样品实际电阻率基本吻合,证明了模型的普适性和实用价值.对于基体相不变的系列聚合物共混体系,可以通过任意一种导电填料在共混体系中的逾渗值及在基体相聚合物中的逾渗值之比得到模型公式的相关参数,从而极大地方便了模型的推广和应用.

三维表面形貌的逾渗特性表征

为了建立表面形貌微观结构与其功能特性之间的关系,基于逾渗理论建立了表面形貌的逾渗模型,用逾渗概率、空体集团平均大小和空体集团分布系数对三维表面形貌的逾渗特性进行了量化表征。采用数字滤波技术生成具有给定自相关函数和纹理取向的数字化粗糙表面,分析了具有相同均方根粗糙度而结构不同的三维表面形貌的逾渗特性,给出了表面纹理方向参数和自相关长度对表面逾渗特性的影响,并借助部分三维形貌参数(ISO25178)建立了表面形貌与逾渗特性参数间的量化关系。结果表明:对于各向异性表面,沿横向搜索跨越空体集团,表面逾渗发生时的表面高度、逾渗阈值和逾渗体积均随着表面纹理方向参数的增大呈减小趋势,而空体集团分布系数呈增大趋势;沿纵向搜索时,其变化规律与横向相反。对于各向同性表面,逾渗发生时的表面高度和逾渗阈值随着表面自相关长度的增大呈先减小后小幅增大趋势,而逾渗体积和空体集团平均大小呈逐渐减小趋势。研究结果为面向功能的表面形貌设计提供了理论基础。

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。

橡胶纳米增强中的逾渗行为及其机理

通过考察炭黑、纳米氧化锌等纳米增强剂对丁苯橡胶和三元乙丙橡胶的增强作用,首次报道在橡胶的纳米增强中存在着类似于橡胶增韧树脂的逾渗现象,也即橡胶的拉伸强度随着纳米增强剂用量的增加先缓慢增加,进而迅速上升,而后达到平衡;同时,增强剂的粒径越大、逾渗点的增强剂体积分数越高,对应的橡胶拉伸强度也越低。分析认为,这种逾渗现象与纳米增强机理有关;纳米粒子的增强在于诱导产生粒子间伸直链的形成,因而与粒子间距有关;纳米粒子与橡胶间不能完全以化学键结合,否则会严重妨碍伸直链的形成,部分大分子与纳米粒子间形成物理吸附是必要的;高交联密度影响伸直链的形成,进而影响纳米增强效果;应该存在着最小的增强剂临界粒径。

填充型导电高分子复合材料的逾渗理论进展

总结了粒子填充型导电体系逾渗网络的形成及逾渗理论概况 ,以热力学和动力学的观点对导电粒子种类、形状、浓度、分布和分散、基体树脂的种类、粒子与基体树脂的相互作用、加工条件等影响逾渗的重要因素作了系统的分析 ,阐明了体系的导电性、微观形貌、流变性能和物理性能的相互关系。