多尺度多孔介质的有效气体渗透率研究

发布时间：2021-03-03 23:25

　　多孔介质的气体渗透率对于油气资源、微机电系统、燃料电池、生物组织、纤维以及复合材料等具有重要的理论和实际意义。然而,多孔介质内孔隙结构和连通性十分复杂,孔隙尺度范围极广,从常规尺度到微纳米尺度形成了多尺度并存的物理结构,气体在多尺度孔隙结构中的流动涉及多种输运机制。本文基于分形几何理论,建立了多尺度多孔介质气体渗流的物理和数学模型,理论推导了多尺度多孔介质的有效气体渗透率,研究了多孔介质的微结构参数对于有效气体渗透率的定量影响。结果表明,多尺度多孔介质的气体输运过程不仅依赖于介质的微细结构还依赖于气体属性,微纳尺度孔隙的气体滑移效应显著。 

【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(06)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

图１?（ａ）分形孔隙０尸１．８５，?（ｂ）等效毛细管模型??Ｆｉｇ．?１?（ａ）?Ｆｒａｃｔａｌ?ｐｏｒｅｓ?ｗｉｔｈ?Ｄｆ＝１．８５，?（ｂ）?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｆｏｒ??ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｃａｐｉｌｌａｒｙ?ｍｏｄｅｌ??

频??率相当，连续介质理论不再适用，有效气体渗透率??可以按照式（１１）进行计算。??２结果与讨论??在以下分析中，采用氮气和氢气作为工作气体，??工作条件为Ｔ＝２９８?Ｋ和一个标准大气压，其中摩??尔质量＝?２８?ｘ?１０－３?ｋｇ／ｍｏｌ?和?Ｍｈ２?＝?２?ｘ??１０－３?ｋｇ／ｍｏｌ，气体黏度＂Ｎ２?＝?１．７８１?ｘ?１０＿５?Ｐａ．ｓ?和??仲２?＝?８．８４５?ｘ?１０－６?Ｐａ．?ｓ。多孔介质的孔隙比例常??数为￡?＝?０．００１，为了简化计算，迂曲度取１．〇。图２??所示是最大孔径为Ａｍａｘ?＝?０．５?Ｊｉｍ时气体滑移因子??的预测结果。结果显示，气体滑移因子（心）和固有??渗透率与孔隙率之比（Ｋｏｃ／妁存在明显的标度关系??＝?ＷＫｏｏＭｒ。＇５，其中拟合系数?／？Ｎ２?＝?２１．６８?和??／？ｈ２?＝?４０．２７取决于气体属性。由此可见，分形模型??的预测结果和平方根模型［１８１?—致，验证了分形模??型的正确性。??图２气体滑移因子的分形预测值??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ｇａｓ?ｓｌｉｐｐａｇｅ?ｆａｃｔｏｒ?ｂｙ?ｆｒａｃｔａｌ?ｍｏｄｅｌ??首先讨论连续介质区多孔介质的气体渗流特性，??图３为氮气通过较大尺度多孔介质时的有效气体??渗透率和孔隙率的定量关系，其中最大孔隙取值??Ａｍａｘ?＝?５０?ｎｍ。由式（１２）可知，连续介质区的气??

１３７８??工程热物理学报??４０卷??体渗透率仅取决于多孔介质的结构，与气体属性无??关。由图３可以发现，努森数／＾＜０．００１，随着孔隙??率的增加，孔隙分形维数不断增加，尺度较大孔隙??数目增加（孔隙总数固定），因此多孔介质的有效努??森数逐渐降低。连续介质区的气体渗透率较大，且??随着孔隙率的增加快速提高，孔隙率是决定气体渗??透率的主要参数指标。??图３连续介质区的有效气体渗透率和孔隙率的关系??（图中为分形维数及努森数和孔隙率的关系）??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｇａｓ?ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ??ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ?ｒｅｇｉｍｅ?ａｎｄ?ｐｏｒｏｓｉｔｙ?（Ｆｒａｃｔａｌ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?ａｎｄ??Ｋｎｕｄｓｅｎ?ｎｕｍｂｅｒ?ｖｓ?ｐｏｒｏｓｉｔｙ）??图４滑移区有效气体渗透率和努森数??（ａ）及分形维数（ｂ）的定量关系??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｇａｓ?ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ?ｉｎ?ｓｌｉｐｐａｇｅ?ｒｅｇｉｍｅ?ｖｓ??Ｋｎｕｄｓｅｎ?ｎｕｍｂｅｒ?（ａ）?ａｎｄ?ｆｒａｃｔａｌ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?（ｂ）??图４所示为滑移区的氮气有效气体渗透率，最??大孔隙直径为Ａｍａｘ?＝?０．５?ｐｍ。如图所示，滑移区的??有效气体渗透率随着努森数的增加而降低，随着孔??隙分形维数的增加而增加。当气体分子自由程与孔??径相当时气体滑移的影响不能被忽略。随着努森数??的提高，孔径尺度向小孔径范围偏移，导致气体渗??透率迅速降低。而分形维数的增加导致孔隙率提高，??从而引起渗透率上升。由方程（１１）、（１４）可知，努


本文编号：3062125