分形多孔介质传热传质过程的格子Boltzmann模拟

针对自然界中实际多孔介质具有的分形特性和随机性,利用中点替代算法和二值化处理构造统计上具有分形特性的随机多孔介质。分析了所构造的多孔介质盒维数与Hurst指数之间的关系。基于随机分形构造的原理,对二维实际多孔介质图像进行了重构。利用两点相关函数,分析了重构图像的结构相关性, 并与实际目标多孔介质的结构特征进行比较。在与解析解对比验证的基础上,将基于二元混合理论的格子Boltzmann模型（LBM）用于模拟多孔介质内流体扩散过程。通过计算不同分形特性的二维多孔介质的有效扩散系数,研究了重构多孔介质的分形维数与有效扩散系数的关系。利用热耦合LBM模型计算多孔介质内传热过程,分析了不同的分形特性对多孔介质蓄热过程的影响。     

REV尺度多孔介质格子Boltzmann方法的数学模型及应用的研究进展

综述了多孔介质表征体元尺度(REV)格子Boltzmann模型的研究进展,根据对多孔介质处理方式主要分为部分反弹模型和阻力模型两类,分析归纳了各类模型的优缺点。由于阻力模型中渗流的广义格子Boltzmann方程(GLBE)的作用力是基于GUO等的作用力模型,可以准确得到宏观方程,不存在离散误差,且模型的平衡分布函数和作用力项中都包含反应介质特性的孔隙率,因而应用最为广泛。本文还重点介绍了REV尺度多孔介质LBE模型在流动、传热、传质、化学反应及相变等过程中的具体应用,认为REV尺度多孔介质内的三传一反数学模型中需要加入孔隙尺度因素,在更大工程尺度上应该考虑过程参数的各向异性,展望了REV尺度多孔介质LBE模型的发展和应用前景。     

多孔介质内部传热传质规律的研究进展

多孔介质中的热质交换理论及其实验研究是一个涉及面广、研究难度大而又颇具工程应用价值的课题。本文对多孔介质内部传热传质规律的研究从理论和实验两方面作了简要的综述及展望,并对一些描述热质传递过程的数学模型及方程作了介绍。     

非饱和含湿多孔介质微波冷冻干燥过程传热传质分析

基于升华冷凝模型,对非饱和含湿多孔介质微波冷冻干燥过程作了数值计算．结果表明,干燥过程中不饱和含冰区内的冰饱和度有较大变化．通过与不考虑升华冷凝区相比较,表明升华冷凝区的存在不可忽略．     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

功能性多孔介质中气泡输运调控的格子Boltzmann分析

为提高毛细蒸发海水淡化技术中的蒸发效率,多孔介质层需要维持一定的毛细压力,同时还要确保气泡能够快速通过。基于此背景,本文建立了多孔介质参数化模型,探究了气泡穿越多孔介质间隙过程的运动特征,研究在保持一定孔隙毛细压力的同时,通过调控孔道尺寸及排布从而使气泡能够更快速地通过多孔介质层。基于格子Boltzmann伪势模型分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡形貌、上升速度、与壁面平均接触面积及孔隙毛细力的影响,获得了多孔介质的孔隙率设计范围,骨架润湿特性调控以及孔道排布方式的选择依据。同时还获得了在实际蒸发过程中,可以使气泡存在一定的水平方向初速度,从而能够更快地脱离多孔介质的策略。     

多孔介质内流体流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟多孔介质内的流动过程,通过预测渗透率,比较了单松弛模型、多松弛模型和熵格子模型在多孔介质计算中的优劣,为研究多松弛模型中各自由参数的影响,选择了12种组合进行模拟,此外,还将大涡模拟与格子Boltzmann方法相结合模拟了多孔介质内高Reynolds数下的流动及流型的转变。结果表明：单松弛模型和熵格子模型预测的渗透率随黏度逐渐增大,而多松弛模型得到的结果随黏度变化很小,另外,多松弛模型中不同松弛参数的组合对结果有较大的影响,通过比较推荐了模拟多孔介质时的最佳组合,计算结果与经验公式吻合较好。大涡模拟与多松弛模型结合较好地预测了多孔介质内流型的转变,Reynolds数越大,多孔介质内的涡越多,并且变大。     

非热平衡多孔介质内反应与传热传质耦合过程

采用局部热不平衡假设,对发生强吸热化学反应的多孔介质体系建立了反应与传热、传质耦合问题的数学模型,采用Ergun-Forchheimer-Brinkman方程描述多孔介质中的流体流动.运用交替方向隐式(ADI)方法对模型离散求解,并采用文献中的实验数据对模型进行验证.计算了不同条件下颗粒物料层内气体和固体骨架的温度场、产物气体浓度场以及固体转化率分布,以得到多孔介质体系内固有化学反应时的传热、传质规律.结果表明,不能忽略固体骨架与流体间的温度差.入口渗流速度、入口气体温度以及固体颗粒尺寸是影响系统反应特性的重要参数.研究结果对具有强吸热反应的固定床反应器的设计和运行具有一定的参考作用.     

钙基吸收剂吸收CO2过程的格子Boltzmann模拟

近年来,利用CaO吸收烟气中的CO2越来越受到国内外研究者的关注。考虑到单松弛格子Boltzmann模型(LBGK模型)在模拟多孔介质内流动时存在的不足,采用了多松弛(MRT)格子Boltzmann方法来研究多孔CaO吸收CO2的过程,并分析了不同参数,如Damkohler数(Da)、摩尔体积比和CaO颗粒的粒径对CaO转化率的影响。研究结果表明：当Da越大或者摩尔体积比越大时,CaO的转化率会越来越低;另外,如果CaO颗粒的粒径越大,其转化率也将会越低。这些结论定性上与实验结果是吻合的。     

Rayleigh对流及其对界面传质影响模拟的格子Boltzmann方法

针对乙醇吸收CO₂过程中,由CO₂通过界面向液体乙醇传递所导致的Rayleigh对流现象的模拟,建立了二维格子Boltzmann方法（LBM）。采用浓度分布函数和流体质点密度函数的双分布模型格子Boltzmann方法,同时引入由浓度差导致的重度差作为外加力,实现了流体中浓度场与速度场的模拟。应用所建立的LBM方法,对界面具有多个离散CO₂扩散源的二维区域液相Rayleigh对流现象进行了模拟,结果显示,模拟得到的浓度分布结构与文献中实验结果相一致。通过考察Rayleigh对流和浓度分布结构,分析了Rayleigh对流存在条件下的传递规律。通过采用LBM方法对浓度场模拟可以定量给出液相界面瞬时传质通量。计算结果表明,瞬时传质通量随时间的增长先增加后减小,这种变化与相似文献   

离心流化床干燥过程中传热传质的数值模拟

通过对典型的多孔湿物料在离心流化床中干燥过程的理论分析和实验研究 ,首次将含湿多孔介质传热传质过程和物料与气流之间的外部传递过程相耦合 ,导出了离心流化床的理论模型和控制方程组 ,对于离心流化床中湿物料的干燥过程引进了数值模拟 ,结果表明增加气体表观流速、控制入口气体的温度和相对湿度以及加大床体转速均对干燥有不同的影响     

具有电介质核心多孔介质微波冷冻干燥过程的耦合传热传质的数值研究

利用变时间步长的有限体积法对具有电介质核心多孔介质微波冷冻干燥的耦合热质传递过程进行了数值模拟。计算结果表明：在有电介质核的多孔介质内部存在着两个升华界面,该双升华界面模型成功地模拟了该干燥过程：合理的选用电介质核心可以大大缩短干燥时间,对于几个大小分别为1．0,1.5,2．0和2．5mm的电介质核,其单位体积所需干燥时间同无核相比分别减少了8％,19％,33％,48％：在相同的电场强度下,电介质核的损耗系数越大,所需干燥时间越短。     

格子Boltzmann方法模拟高Darcy数多孔介质内融化传热过程

采用Brinkmann-Forchheimer-Darcy方程描述多孔介质内流动过程,并通过选择合适的平衡态分布函数及非线性源项形式构建出表征融化相变温度场的分布函数演化方程。应用格子Boltzmann模型模拟了方腔内无多孔介质以及填充多孔介质自然对流融化传热过程,模拟结果与其他文献结果吻合较好,模型的正确性得到了一定的验证。模拟结果还表明液相的自然对流对融化传热过程有着重要的影响,并且在高Rayleigh 数或高Darcy 数情况下作用更强。在高Darcy 数情况下由于非Darcy效应的存在,增大Rayleigh 数以强化融化传热的效应要大于提高同样倍数Darcy 数的效应。     

多孔介质内复合对流传热传质的数值分析

采用数值方法分析了具有非均匀内热源的竖直套管中复合对流传热传质,考查内热源分布系数M和热质二浮力比N对速度、温度、浓度分布以及Nusselt数和Sherwood数的影响。结果表明：当N〉1时速度V为正,其值随N的增加而增大;当N〈-1.5时,V则先负后正。随着M增大,等温线和等浓度线分布更加密集,传热和传质过程更加明显。     

多孔介质干燥过程的格子气自动机法模拟

介绍了格子气自动机模型的特点。应用该模型对多孔介质干燥过程的水分分布和干燥过程的特征进行了模拟,其结果可以给出多孔介质干燥过程液体分布的细节,也可得到表征多孔介质干燥过程的宏观特征曲线。初步研究表明:格子气自动机模型可用于模拟复杂边界条件的多孔介质体的干燥过程。     

运动颗粒对传质过程影响的格子Boltzmann模拟

颗粒的主动运动对传质过程有重要影响.以表面恒浓度的二维球形颗粒为研究对象,采用耦合传质的格子Boltzmann方法(LBM)模拟了颗粒在自旋和振动两种情况下的相间传质过程.选择浸入运动边界法和非平衡态外推法处理运动颗粒边界,研究了颗粒自旋速度、颗粒振幅及振动频率对传质过程的影响.结果表明,中等雷诺数的自旋颗粒绕流中,随...     

多孔介质的孔隙特性对气体扩散过程影响的直接数值模拟

引言多孔介质内的扩散过程广泛存在于化工、能源、环境和生物等领域,例如石油天然气开采、污水处理、填充床化学反应、催化剂和生物组织内的质量传递等,使得多孔介质内传质现象的研究尤为重要[1-2]。多孔介质由于结构和形状各异,难以有准确、有效且简单的描述方法,因而研究变得极为     

采用格子Boltzmann方法模拟解吸过程中的Rayleigh对流

应用二维非稳态格子Boltzmann方法研究了异丙醇-水溶液和丙酮-乙酸乙酯溶液解吸过程中Rayleigh对流的临界开始时间、流动特征及其对界面传质的影响,并与相关文献对比. 结果表明,临界开始时间随界面浓度增加呈先缓慢增大再迅速增大最后趋于稳定的变化趋势. Rayleigh对流结构经历了从有序到无序的发展过程,是不断更新的耗散结构. Rayleigh对流主要作用于液相主体,使液相主体具有较大的湍动速度(10-4~10-3 m/s). 液相主体中存在许多循环流动,促进了界面更新及界面与液相主体之间液体的交换与混合. 传质增强因子(介于2~6之间)表明Rayleigh对流能有效提高解吸过程传质速率,强化界面传质过程.     

多孔介质中流体流动的格子气自动机模拟

介绍了 13-Bit正六边形多速格子气自动机模型的特点 ,讨论了多孔介质流体流动的格子气自动机模型的渗透率等参量算方法 ,应用该模型对计算机产生的多孔介质几何构型和焦炭多孔介质中的流体流动进行了模拟 ,其结果既可以给出多孔介质中的流动细节 ,也可统计得到表征多孔介质宏观流动特征的物理参量 .初步研究表明 :格子气自动机模型可用于模拟复杂边界条件下多孔介质的流体流动     

非均匀多孔介质表面变压过程的分形特征研究

多孔物质的表面结构可以用分形维数D来表征,D与微孔结构存在对应的关系,不同的表面分形维数对应不同的微孔结构．详细讨论了分形维数和微孔结构随压力的变化规律．随着压力的增大,多孔介质表面形成更小的吸附微孔,孔径分布广．表面变得更粗糙,分形维数增大,至到趋于稳定值．分形维数表达表面结构简洁明了．