基于重正化群变换的分形多孔介质渗流性能研究

发布时间：2020-07-12 05:31

【摘要】：多孔介质中的流动和换热现象是自然界和工农业实践应用中具有普遍性的一类经典物理过程。渗透率是描述多孔介质导通能力的重要参数,取决于孔隙结构特性。由于孔隙结构异常复杂,目前对于多孔介质结构特征定量描述方法和渗流性能预测研究还有待深入。本文将在分形重构多孔介质模型的基础上,对微小孔隙结构的渗流机理和性能进行探讨,研究结论可为多孔材料的设计、制备和渗透率预测提供新的方法和理论依据,具有重要的理论意义和应用价值。本文的主要研究内容和结论如下:首先,对表征多孔介质结构的几何参数对渗流性能的影响规律进行数值分析。研究发现:对于具有相似孔隙分布特征的多孔介质结构,渗透率随孔隙率的增加而增大,流体通过多孔介质区域后的压力变化与孔隙率近似呈幂指数变化规律。对于由粒径均匀的颗粒构成的多孔介质结构,在孔隙率相同的条件下,孔隙通道的结构各异,渗透率随粒径增加而逐渐增大。此外,颗粒的形状和排列方式对渗透性能也会造成一定影响;颗粒粘结形成的颗粒链的长度、角度对渗流性能具有很大影响,迎风面积是流动阻力产生的主要原因。其次,基于实际多孔介质具有自相似性和标度不变性的分形特征,采用分形几何方法对孔隙结构进行模型重构,建立了具有典型孔隙分布分形特征的多孔介质模型。采用CFD粒子示踪技术对分形模型中的流动过程进行可视化研究,分析了粒子在孔隙结构中受到压力和壁面限制作用下的运动机制,并在此基础上采用受限空间内的粒子随机行走模型对多孔介质渗流物理过程进行模拟和孔隙结构定量化表征。研究结果表明,分形随机行走方法在描述多孔介质孔隙结构动态结构特征方面是可行的。最后,基于分形标度不变性特征,将重正化群变换方法应用于多孔介质渗流性能数值计算。采用重正化群变换,忽略小尺度细节对多子孔介质模型进行粗视化处理,在保持相似结构特征不变的基础上,得到不同尺度下的粗视化结构。提出了一种基于重正化群变换方法的新的多孔介质渗透率计算方法,实现了数值计算过程的简化和计算效率的提升。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124;O357.3
【图文】：

多孔介质

１绪论硕士学位论文逡逑从结构组成上来看，骨架型多孔介质的固体部分是连续的，孔隙部分可以是连通的逡逑（开孔型）也可以是不连通的（闭孔型），而颗粒堆积型多孔介质的固体部分是分散的颗逡逑粒，孔隙部分通常是连续的，两者之间是有区别的。逡逑３．纤维型多孔介质逡逑由连续或不连续的细丝状材料组成的多孔性物质可称为纤维型多孔介质，可以分为逡逑植物纤维、动物纤维和矿物纤维，图１．３所示为几种常见的纤维多孔介质材料。逡逑

示意图,多孔介质,中流,流态

图２．１多孔介质中流体流态示意图ＩＮ逡逑２．１．２渗流流态判别逡逑多孔介质中的流动也存在层流和紊流两种流动状态，如图２．１所示。判别流体作多逡逑孔介质中的流动状态方法很多，但是通常采用的仍然是雷诺准则数，即２．１式：逡逑Ｒｅ－—逦（２．１）逡逑Ｖ逡逑式中：⑴表不多孔介质中流体渗流平均流速，ｕ邋＝逦，ｍ／ｓ；邋ｔ／农？颗粒仃效粒逡逑径，ｍ；邋ｖ表示流体运动粘性系数ｍ２／ｓ；邋Ｐ表示流体通过多孔介质的体枳流！ｉ！．：，邋ｍ３／ｓ；逡逑ｉ．ｉ逡逑

示意图,多孔介质流动,区域网,示意图

最终的数值解还需为具有网格独立的解。从流动计算区域几何特征和网格特性考逡逑虑，本文采用四边形的结构化网格和三角形非结构化网格相结合的方式对计算域进行划逡逑分。如图２．３所示的网格划分设置示意图。逡逑图２．３多孔介质流动区域网格划分示意图逡逑多孔介质渗流区几何边界形状复杂、不规则，采用非结构化的三角形网格进行划分；逡逑在入口和出口段，流道几何形状是规则的长方形，采用四边形网格进行划分。在渗流区逡逑域颗粒边界表面生成边界层，并进行网格局部加密，这样可以更好地显示出边界附近较逡逑大的速度变化率。此外，在多孔介质区域入口与进口段衔接处通流截面积骤然减小，在逡逑网格划分T，为了能使得两种类型的网格无缝结合，借用进口段的？？部分狭长区域设置逡逑为过渡区，在此区域采用角形网格划分。逡逑１６逡逑

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