分形多孔介质的传热研究

多孔介质的传热特性在许多研究领域都是值得关注的热点问题,为了更好的描述多孔介质结构以及明确其传热特性,文中介绍了多孔介质以及分形理论的概念,阐述了国内外学者结合分形理论研究的几种重要理论模型与数值模拟方法,并对其进行对比分析,归纳总结出其优缺点以及适用范围,提出现有研究中存在的问题以及未来的研究方向,为后续多孔介质传热特性的研究提供借鉴与参考。     

单井回灌中回灌堵塞与回灌压力波动对渗流场影响的理论研究

为分析承压含水层单井回灌过程中回灌堵塞与回灌压力波动对渗流场的影响,通过引入渗透系数衰减模型和设置正弦变化的水头边界,建立了考虑回灌堵塞效应的单井变压力回灌模型,并利用Weber变换得到了模型的解析解,进而据此分析了渗透衰减与回灌压力波动对渗流场的影响。研究结果表明:①渗透系数衰减对回灌流量与承压水头抬升具有抑制作用,且该抑制作用随着衰减指数的增大及回灌时间的推移而愈加显著;②回灌压力波动对渗流场分布存在影响,且当波动幅值越大而频率越小时影响越显著;③回灌总量受波动幅值和频率的影响相对较小。提出的回灌模型可为回灌压力与回扬周期设计提供依据。     

温度和pH对多孔介质中悬浮颗粒渗透迁移的影响

基于悬浮颗粒迁移的经典模型,在颗粒沉积动力学方程中考虑释放效应,求解了瞬时注入情况下悬浮颗粒的一维迁移问题的解析解,同时对两种不同悬浮颗粒（硅微粉和聚苯乙烯微球）进行室内土柱试验,得到不同pH（4,7,10）、不同温度T（20℃,30℃,40℃）和不同流速（0.042,0.127,0.212 cm/s）下的迁移曲线。利用解析解对试验数据进行拟合并确定迁移参数,讨论了温度、流速对迁移参数的影响。研究表明：温度、pH、颗粒种类是影响多孔介质中悬浮颗粒迁移的重要因素,当pH=7,T≤30℃时,悬浮颗粒排斥力起主导作用,pH=7,T>30℃时,布朗运动占主导作用;同时,随着流速的增大,水动力效应增大,温度对浓度峰值的影响不明显;随着pH的增大,聚苯乙烯微球在不同温度时的迁移曲线规律与硅微粉不同。     

渗流作用下多孔介质内颗粒迁移与堵塞规律研究

渗流作用下细颗粒在多孔介质中的迁移穿透与堵塞规律对于防止岩土内部侵蚀、提高人工渗滤设施性能具有重要意义.为此,以砾石为填料,基于X-CT技术开展了多孔介质内颗粒在渗流作用下的迁移与堵塞规律研究.研究结果表明,颗粒在多孔介质中的穿透率总体上随着渗流流速的增大而增大,但不同粒径比工况下,渗流流速对穿透率影响呈现出较大差异....     

分形介质饱和渗流应力耦合数值模拟研究

基于介质骨架、固体颗粒以及水是可压缩的这一假设,推导出饱和的渗流应力耦合控制方程组。采用加权残值法对耦合方程组进行有限元离散,并推导相应的弹塑性矩阵。对耦合计算中的渗透系数分形模型展开讨论,综述采用分形维描述多孔介质和裂隙介质渗透系数方面研究的进展。最后,在给出的固结算例中采用一个较为实用的分形渗透系数模型,该模型可模拟渗透系数随介质变形而变化。数值计算的结果显示出良好的规律性,可以提高对耦合试验观测现象的理解。     

含湿多孔介质应用于建筑墙体的制冷性能分析

在建立多孔介质墙体热湿平衡的基础上,采用描述非饱和多孔介质热质迁移的数学模型,分析了多孔介质墙体方位及结构、多孔介质层的材料及孔隙率对床层制冷特性的影响,为多孔介质蒸发制冷墙体的推广和应用提供理论依据.     

水处理多孔填料的分形特性和分数维

将分形和分数维概念用于水处理多孔填料表面特征和微孔结构的研究,并通过对酶促生物填料测试数据的分析证明：多孔填料的表面和微孔结构具有典型的分形特征,其面积分数维越大,填料表面越粗糙;其容积分数维越大,微孔占有空间的能力越强,因此,该方法为多孔填料的开发研究和性能分析提供一种新思路的新方法。     

发泡多孔介质对泡沫粒径的影响

通过泡沫粒径测量实验和发泡多孔介质的恒速压汞实验研究不同长度、不同孔隙结构发泡多孔介质的发泡效果,确定泡沫粒径的最小表征单元和泡沫生成稳定时需要的"扰动单元"数量。结果表明:当单幅图像中的泡沫数量高于120时,泡沫粒径的变异系数将趋于稳定,能够消除泡沫粒径的影响;采用扰动单元和扰动单位的概念能更能准确地从泡沫产生机理上评价发泡多孔介质的发泡能力,且当扰动单元数量达到100±20个时,泡沫的变异系数小于0.5,泡沫的粒径均质程度较好;泡沫平均粒径约为主流喉道直径的1.23~1.51倍,均小于平均孔隙直径,在相同的多孔介质中一旦产生能够起到较好的封堵作用。     

考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料-水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。     

高性能多孔混凝土制备及其性能研究

通过实验室试验,添加乳胶聚合物以提高多孔混凝土的强度。本研究集中在聚合物改性多孔混凝土(PMPC)渗透性与强度特性之间的平衡。同时,添加了天然砂和纤维来增强多孔混凝土的强度。试验结果表明,通过添加乳胶和砂可以生产出具有可接受渗透性和强度的多孔混凝土。     

Biofilm morphology as related to the porous media clogging

Aquifer recharge for the wastewater reuse has been considered and studied as a promising process to cope with the worldwide water scarcity. Soil clogging by an excessive growth of bacteria is often accompanied with the aquifer recharge. In this study, biofilm morphology and hydraulic conductivity were concurrently characterized at two flow rates and two levels of substrate concentrations. The experiments were conducted using a biofilm flow cell that was filled with glass beads. The biofilm images taken by confocal laser scanning microscopy (CLSM) were quantified by textural, areal, and fractal parameters. Hydraulic conductivity was monitored during the experiments. The flow velocity influenced the superficial morphology of biofilms and initial clogging time, while the substrate concentration affected biofilm density and clogging rate. Three different clogging mechanisms were suggested depending on the flow rate and substrate concentration: (1) clogging at a high flow rate can be accelerated by entrapped and accumulated biofilms, and can be easily eliminated by high shear force, (2) clogging at a low flow rate can be delayed for the time of local biofilm growths in the narrow pore necks, but the biofilm is rigid enough not to be sloughed, and (3) clogging in a solution with high substrate concentrations cannot be easily eliminated because of the growth of dense biofilms. The depicted biological clogging mechanisms will play a role in supporting studies about aquifer recharge.     

含水层微观孔隙分形特征与渗透性关联研究

为了探索宏观渗透性能与微观孔隙结构之间的相关性,本文研究了宏观参数渗透率与微观孔隙分形特征之间的关系。在分析砂岩孔隙介质分形模型的基础上,以林南仓矿补勘孔含水层段的9个岩芯样本为研究实例,采用切片制样和SEM技术,扫描断面微观结构,辅以MATLAB计算SEM图像中微观孔隙结构参数、计算其分形特征参数D f,建立了渗透率与分形特征参数D f的理论关系,并利用该公式计算了渗透率的理论值。为验证理论关系的正确性,对样本渗透率参数进行了实测,对比实测值与理论值,误差小于10%,说明微观孔隙分形特征与宏观渗透性能之间确实存在相关性。结论:利用钻孔岩芯微观分形特征及文中理论公式获取宏观渗透性规律将是一条可以尝试的技术路线。     

砂岩渗透性能微观图像分形分析

砂岩渗透性能一般都通过实验室或野外试验测试确定。本文基于岩石微观空隙分形特点．确立了岩石渗透率与分形维数的定量关系,实现了直接利用岩芯电镜扫描微观图像分形技术测定岩石宏观渗透性能的目标。为了精确统计SEM图像中不规则孔的面积、周长、半径、个数等参数,解决获取切片孔喉分形维数这一难题,应用Imagepro plus专业图像软件处理扫描电镜切片图像。将岩石渗透率理论值与实验室渗透率测定结果对比,结果表明：宏观渗透率与微观分形参数D的理论关系式成立,具有工程应用推广价值。     

透水混凝土的透水性能试验研究

为解决透水混凝土堵塞问题,首先设置对照组,改变骨料粒径、水灰比和静压时间,研究透水混凝土透水性能变化情况,然后对比高压水枪、清水、吸尘器3种清洗方式对堵塞状态下透水混凝土透水性能的影响。结果表明,透水混凝土的透水能力随骨料粒径与孔隙率的增大而增大,随水灰比和静压时间增大而减小。水灰比小于0.33时,对透水系数影响较小;静压时间在0~90 s之间时,透水系数变化最为明显。高压水枪清洗后透水系数恢复比率达85.04%,该方法对堵塞试件的透水性能恢复效果最好,其次是吸尘器,恢复比例为63.85%,清水组最差,仅为41.6%。     

溶液特征对石屑掺膨润土混合土的渗透特性影响

垃圾填埋是目前世界各地处置城市固废的主要方法,为了有效防止渗滤液污染地下水和周边环境,在垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统。利用采石场的石屑和膨润土配制防渗材料,通过渗透试验、Zeta电位试验和X射线衍射试验,分析溶液种类和浓度对渗透特性的影响机理。研究结果表明随着离子浓度的增大,混合土的渗透系数变大,其主要是由于溶液中的离子与钠基膨润土进行离子交换,膨润土土粒间斥力与土粒双电层厚度减小,且膨润土中的蒙脱石层晶间距增大。     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media

In examining potential host rocks for such purposes as the disposal of high-level radioactive wastes,it is important to understand the coupled thermo-hydro-mechanical（THM） behavior of a porous medium.A rigorous and fully unified coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media is required to simulate the complex coupling mechanisms involved.Based on modified Darcy＇s and Fourier＇s laws,equations of mechanical equilibrium,mass conservation and energy conservation are derived by introducing void ratio and volumetric liquid water content into the model.The newly derived model takes into account the effects of temperature on the dynamic viscosity of liquid water and void ratio,the influence of liquid flow on temperature gradient（thermo-osmosis）,the influence on mass and heat conservation equations,and the influence of heat flow on water pressure gradient and thermal convection.The new coupled THM constitutive model is constructed by a finite element program and is used to simulate the coupled behavior of a tunnel during excavation,ventilation and concrete lining stages.Oil and gas engineering,underground disposal of nuclear waste and tunnel engineering may be benefited from the development of the new model.     

Maximum entropy based finite element analysis of porous media

The maximum entropy theory has been used in a wide variety of physical, mathematical and engineering applications in the past few years. However, its application in numerical methods, especially in developing new shape functions, has attracted much interest in recent years. These shape functions possess the potential for performing better than the conventional basis functions in problems with randomly generated coarse meshes. In this paper, the maximum entropy theory is adopted to spatially discretize the deformation variable of the governing coupled equations of porous media. This is in line with the well-known fact that higher-order shape functions can provide more stable solutions in porous problems. Some of the benchmark problems in deformable porous media are solved with the developed approach and the results are compared with available references.     

橡胶混凝土介质渗透性试验研究

试验研究了橡胶微粒掺量对混凝土抗渗、碳化、氯离子渗透以及硫酸盐侵蚀的影响,分析了橡胶微粒降低混凝土抗介质渗透性的厚因,并且采用微观试验进行了机理论证.     

多孔介质中沉积颗粒脱离特性试验研究

开展沉积颗粒在多孔介质中脱离过程试验对研究地下水源热泵回灌堵塞过程有重要意义。利用自主研发的砂层沉积–脱离模拟试验系统,研究增加渗流速度和改变渗流方向对多孔介质中已沉积颗粒脱离特性的影响。结果表明:在改变渗流速度大小条件下,渗流速度越大,已沉积的颗粒越容易发生脱离,到达悬浮颗粒相对浓度第二次峰值所需的时间越短,而达到二次峰值时所注入的水量接近;与改变渗流速度大小相比,用改变渗流方向的方式进行沉积颗粒脱离效果更为明显,到达二次峰值所需时间更短、水量更少,但随着时间增加,多孔介质中又会出现类似渗流方向改变前的堵塞现象;渗流条件变化后的初始阶段是已沉积颗粒脱离的主要时期。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的沉积-脱离特性进一步研究奠定了基础。