基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.

基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。

基于随机生长四参数法的多孔介质模型

为了研究所列因素的改变对生成孔隙空间以及程序运行时间的影响,使用向量乘法建立四参数随机生长方法(QSGS)模型,并讨论模型参数对生成孔隙结构及计算机生成孔隙模型耗时的影响,使用Matlab软件针对不同孔隙度、固相核分布和生长概率参数建立二维和三维孔隙模型。结果表明:孔隙率与固相核占比呈正相关,孔隙率选取过大会生成无效孔隙,过小会导致固相核孤立。在二维和三维模型中,模孔隙率参数越大生成孔隙模型时间越长,而生长概率与孔隙分布参数改变对模型生成时间影响较小。在三维模型情况下由于消耗更多计算资源,因此研究计算区域网格数对孔隙模型生成时间影响,且随网格数增加模型生成时间显著增加。

基于改进QSGS-LBM法的各向异性重构土体的渗流模拟

为解决传统四参数随机生长(quartet structure generation set, QSGS)方法重构模型与真实土体情况不符的缺陷,提出一种改进的QSGS方法,在综合考虑各向异性、孔隙率、土体颗粒大小情况下构建各向异性多孔介质模型.采用两点自相关函数法验证模型的有效性,并结合格子玻尔兹曼方法自编Matlab程序来模拟细观渗流过程.实验发现,各向同性模型和土体CT切片的两点相关系数最大差值是各向异性模型的2.5倍以上,且流体粒子在孔道中线处的渗流速度最大,达到0.03,在孔壁处渗流速度接近于0.结果表明,各向异性模型在孔隙结构和空间分布上更接近真实土体情况,流体在渗流后期出现大孔隙优先流现象和指进现象.

采用随机生长四参数生成法构造黏土微观结构

针对黏土微观结构复杂、构造困难的问题,采用随机生长四参数生成法构造黏土微观结构.介绍随机生长四参数生成法,构造黏土微观结构的基本原理和详细的生成步骤,联合应用Matlab和AutoCADVBA编制相应的程序,讨论构造的黏土微观结构对地下水渗流的影响.程序生成的微观结构可以直接导入有限元程序,便于采用数值分析软件研究微观结构相关问题.构造的黏土颗粒大小分布、形状各异,孔隙结构微小,迂回曲折,与真实的黏土微观结构相似.

基于QSGS法3D重构土体渗流场的LBM数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS)以及改进QSGS方法等效重构三维(3D)各向同性/各向异性土体内部孔隙结构,结合格子玻尔兹曼方法(LBM),采用MATLAB自编程序进行细观渗流场数值模拟,分析不同孔隙参数及模型各向异性等因素对渗流特性的影响规律.结果表明:3D模型尺寸100×100×100格点时,连通孔隙率nc达到最大增幅19.23%.流体易在连通性好、孔喉直径大的部位形成主渗流通道,且存在“指进效应”,流体越靠近孔道中轴线流速越快.3D重构土体的计算渗透率k随模型孔隙率n增大而增大,随土颗粒尺寸减小而减小,当分布概率pc=0~0.05(大、中颗粒)时渗透率显著降低,降低幅度达42.86%.考虑各向异性的重构模型出口边界渗流速度波动幅度较大、变化趋势规律性不明显,且流线分布稀疏、相互交错、主渗流通道不明显.该研究能揭示流体在3D土体孔隙结构中的流动规律,并为3D土体重构和细观渗流模拟研究方法提供借鉴.

基于LBM的泡沫金属与翅片相变储能系统性能对比分析

为了研究翅片和泡沫金属铜对相变储能系统性能的影响,使用四参数随机生长法(QSGS)构建了孔隙密度(PPI)分别为20PPI、30PPI的泡沫铜复合相变材料模型,并构建了等铜质量的翅片相变材料模型。在此基础上,采用格子玻尔兹曼(LBM)数值模拟方法对相变材料(PCM)的储/放热过程进行了数值模拟,基于努塞尔数、液相率、PCM流动速度、PCM熔化/凝固时间对比分析了添加翅片以及添加泡沫金属结构对相变材料换热性能的影响。结果表明,在储热过程中,由于泡沫金属的存在会抑制熔化过程中对流换热的发展,双翅片结构的努塞尔数高于泡沫金属结构,熔化时间更短,相比于20PPI、30PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了28.55%、17.5%;在放热过程中,泡沫金属的存在会增加热传导面积,泡沫金属结构的凝固速度高于翅片结构,30PPI泡沫金属结构的凝固时间相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了65.80%、20.24%。综合考虑储放热两个过程,30PPI泡沫金属结构的总储放热时间最短,相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了27.81%、15.32%。在耗费相同金属材料的条件下,采用泡沫结构是更为有效的提升储能效率的手段。

多孔介质流动及传热的格子Boltzmann方法研究

基于随机四参数生长法构造不同孔隙度的多孔介质,采用稀疏矩阵存储方式存储内部流体节点、流固边界节点及物理边界节点。通过顶盖驱动流和方腔自然对流验证了格子Boltzmann方法处理多孔介质的传热问题的可行性。基于格子Boltzmann耦合传热模型,计算得到复杂多孔介质内的速度及温度分布云图,对多孔介质内的速度、温度与迭代时间及孔隙度的关系作了详细的分析。结果表明:多孔介质中速度和温度分布受孔隙度影响,相同压力梯度下,平均速度随着孔隙度的增加而增大;孔隙度相同时,平均速度随着压力梯度的增加而增大。相同温差条件下,随着孔隙度的增大,多孔介质中对流传热达到稳态的时间逐渐减小;多孔介质内最大温度出现在高温壁面处,靠近高温壁面的孔隙度越大,高温部分体积越大。相同条件下,孔隙度越小,多孔介质的平均温度越低。

基于LBM的多孔介质无机复合相变材料储能特性

为了研究骨架形貌对无机复合相变材料(CPCM)相变储能特性的影响,基于格子玻尔兹曼方法,采用四参数随机生长法(QSGS)构造多孔介质骨架,建立随机分布的多孔介质CPCM相变模型,在此基础上,探究孔隙度(ε)、固相生长核分布概率(P_(c))、方向生长概率(P_(d))、瑞利数(Ra)对CPCM相变储能特性的影响。结果表明,ε越小,CPCM熔化时间越短,ε为0.70时的完全熔化时间相较于ε为0.90时缩短了23.63%。在相同ε(0.90)下,P_(c)增大或P_(d)减小,都有助于提高CPCM的熔化速度。Ra越大,自然对流强度越大,CPCM所需熔化时间越短,Ra为18000时CPCM所需熔化时间相较于Ra为1000时缩短了41.46%。本工作为研究多孔介质无机CPCM储能特性提供理论依据和参考。

梯度多孔介质腔体内固液相变过程数值研究

基于格子玻尔兹曼方法,利用四参数随机生长法生成梯度多孔介质,采用描述相变糊状区的两区域模型,求解了孔隙尺度下梯度多孔介质腔体内固液相变过程,分析了相变材料的相场分布、融化速率及热壁面平均努塞尔特数的变化,并改变相邻多孔介质孔隙率的差值,探究了梯度多孔介质对固液相变影响的一般性规律。结果表明:相变材料的融化过程与多孔介质梯度的方向有关,沿热量传递方向梯度(x向梯度)变化对相变材料融化速率影响大,且低孔隙率多孔介质靠近高温壁面时相变材料融化速率最快;竖直方向梯度(z向梯度)变化对相变材料融化速率影响小,融化速率的不同主要体现在相变后期方腔内竖直方向温度均匀性的差异;相邻孔隙率差值的改变影响方向梯度多孔介质的传热能力。

基于土体细观结构重构技术的渗流场数值模拟

真实土体的细观结构由许多个大小不一的土颗粒团组成,传统四参数随机生长法(QSGS)构建的土体结构土颗粒团比较均匀,与实际情况存在较大的差异。为弥补这一缺陷,考虑土体孔隙率及自相关函数的影响,对传统的四参数随机生长法进行改进,实现了更接近于真实土体的细观结构重构。在此基础上基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9模型,通过设置模型入口、出口边界为非平衡态外推格式,左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟重构土体细观渗流场的二维模型。同时,针对一算例编制了相应的计算程序,研究了恒定流速入渗情况下重构土体的细观渗流场。研究表明:土体的渗流方向优先选择连通性较好孔隙所形成的通道,流速受控于通道整体连通性的优劣。整体贯通型的通道流动速度较快,部分连通的孔隙中其流动速度相对较慢。即使局部孔隙空间较大,其渗流速度仍取决于是否位于贯通型通道上。

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明:决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质(水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向)的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。

基于微结构模拟的土体自相关距离分析

土体具有显著的空间变异性,描述土体空间变异性的重要指标是自相关距离。提出基于土体微结构模拟的方法来求解土体的自相关距离。在生成土体的微结构数值模型时,对四参数随机生长法(QSGS法)进行改进,考虑土体的粒径分布信息,使得生成的土体微结构更加合理。改进的四参数随机生长法(MQSGS法)所需的输入参数可以结合土体的扫描电镜试验及粒径分析试验获取。基于生成的土体微结构数值模型,即可计算土体的2点自相关函数,再通过曲线拟合即可求解土体的自相关距离。研究表明:与QSGS法相比,采用MQSGS法生成的土体微结构更加符合自然界的真实土体;基于MQSGS法生成的微结构数值模型计算得到的土体自相关距离略小于QSGS法得出的自相关距离。

随机四参数法生成多孔介质及渗流模拟

本文基于多孔介质内流动的广泛应用背景,模拟了多孔介质渗流。采用随机四参数生长法生成了多孔介质模型,并对模型中的微小固相进行了过滤处理。将随机四参数生长法生成的多孔介质结合格子玻尔兹曼方法D2Q9模型模拟了压力驱动的多孔介质中的渗流。通过将模拟结果与著名的CK理论公式的计算结果进行比较,发现在孔隙率高时误差较小(φ=0.9时,误差约为6%)。研究表明在高孔隙率时采用文中的方法得到的多孔介质渗透率及孔隙尺度的流动结果较为准确。