多孔介质技术总结

多孔介质技术总结（共8篇）

篇1：多孔介质技术总结

12.4.3 可压缩流动的求解策略 可压缩流动求解中速度、密度、压力和能量的高度耦合以及可能存在的激波导致求解过程不稳定。有助于改善可压缩流动计算过程稳定性的方法有  (仅适用于基于压力求解器）以接近于滞止条件的流动参数进行初始化(即,压力很小但不为零,压力和温度分别等于进口总压和总温)。在迭代过程的最初几十步不求解能量方程。设置能量方程的亚松驰因子等于1,压力的亚松驰因子0.4,动量的亚松驰因子0.3。求解过程稳定后再加入能量方程的求解,并将压力的亚松驰因子提高到0.7。

 设置合理的温度和压力限制值以避免求解过程发散。

 必要时,先以较低的进、出口边界压力比进行求解,然后再逐步升高压力比直到预定工况。对于低Mach 数流动,也可以先求解不可压缩流动,然后以所得到的解作为可压缩流动的迭代初值。

某些情况下,也可以先求解无粘性流动作为迭代初值。

2.5 无粘性流动

在高Re数流动中,惯性力相对于粘性力而言起支配作用,可忽略粘性的影响。例如高速飞行器在空气动力学方案分析阶段可以采用无粘性流动计算初步确定外形,然后进行粘性计算,将流体粘性和湍流粘性对升力和阻力的影响计入。无粘性流动计算的另一个用途是给复杂的流动提供好的迭代初值。对于特别复杂的问题有时这是唯一能使求解过程进行下去的方法。

无粘性流动的计算求解 Euler 方程。其中质量方程与粘性流动的相同:

其动量方程与粘性流动的相比,没有粘性应力项

粘性耗散项能量方程与粘性流动相比，式(2.34)~ 式(2.36)中符号的意义与粘性流动控制方程的相同见(2.1.1 ~ 2.1.3 节)。

2.6 多孔介质模型

多孔介质(Porous Media)模型可用于模拟许多问题,包括流过填充床、滤纸、多孔板、布流器、管排等的流动。多孔介质模型在流体区上定义(见17.2.1 节)。此外,一个被称为多孔阶跃面(porous jump)的多孔介质模型的一维简化可用于模拟已知速度−压降特性的薄膜。多孔阶跃面在界面区上定义。多孔阶跃面比多孔介质模型更健壮,收敛性更好.应 ANSYS FLUENT 参考手册 12首选采用。

2.6.1 基于表观速度的多孔介质动量方程

对于单相介质和多相介质,多孔介质模型可以使用表观速度或物理速度形式的公式。

基于表观速度的多孔介质模型根据多孔介质区中的体积流量率计算表观相速度或混合物速度。基于表观速度的多孔介质模型能够较好模拟多孔介质区内部的压力损失。但是在多孔介质区与非多孔介质区的交界面处的表观速度与的速度是相同的,不能反映实际速度变化所引起的动量变化,对计算精度不利。

多孔介质模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中多孔性材料对流体的流动阻力。该源项由两部分组成即 Darcy 粘性阻力项和惯性损失项

其中,D 和 C 分别为粘性阻力和惯性损失系数矩阵。这个负的动量源项导致多孔介质单元中的压力降。同时,在全部变量的输运方程和连续性方程中,瞬态项变为,其中 γ 为孔隙率。

对于简单的均匀多孔介质,分别在系数矩阵D和C中对角线项代入1/α和 C2,而其它项为零,则有:

其中ɑ为渗透率C2为惯性阻力系数。也可以用速度大小的幂函数来模拟阻力:

 式中C0和C1为经验系数,且 C0的单位为SI制。采用幂函数时压力降为各向同性的。

2.6.2 Darcy 粘性阻力项

多孔介质中流动为层流时,典型情况下压力降与速度成正比, 即多孔介质模型简化为 Darcy 定律:

于是,在三个坐标方向上的压力降为

式中1/αij为系数矩阵D 的项Δni为多孔介质在三个坐标方向上的厚度。2.6.3惯性损失项

当速度比较高,或模拟多孔板和管排时,有时可忽略渗透项.只保留惯性损失项,则多孔介质方程简化为

或写成三个坐标方向上的压力降:

式中,C2,ij为系数矩阵C中的项Δni为多孔介质在三个坐标方向上的厚度。2.6.4 多孔介质中能量方程的处理

对多孔介质修正了扩散项和瞬态项的能量方程为

其中Ef为流体总能；Es为多孔介质基体固体总能r为孔隙率；为流体焓的源项，keff为多孔介质的有效导热系数，采用流体导热系数（包括湍流有效导热系数）kf与多孔介质中固体材料的导热系数ks的体积加权平均：

采用 UDF 可以定义各向异性的有效导热系数。

孔隙率 γ 定义为多孔介质区中流体的体积分数，也就是介质中空的部分所占的比例。孔隙率影响传热计算、输运方程中的非稳态项、以及介质中的化学反应和体积力。如果希望模拟介质为全空（即没有固体介质）的情况，应给定孔隙率等于1。

2.6.5 多孔介质中湍流的处理 在多孔介质中，当介质的渗透性很大且介质的几何尺度与湍流涡的尺度不发生相互作用时，可以认为固体基体对湍流的生成和耗散率没有影响。但其它情况下应降低多孔介质中湍流的影响。当采用湍流模型时（LES 除外），可通过将多孔介质指定为层流区（Laminar Zone）。而使湍流粘性μt为零来抑制多孔介质区中湍流效应。此时，进口湍流量被输运穿过多孔介质区，而其对流体混合及动量的影响被忽略，同时介质中湍流生成被置为零。

2.6.6 粘性阻力系数和惯性阻力系数

阻力系数一般是基于流体在多孔介质中的表观速度定义的。

阻力源项的计算可以采用相对速度或绝对速度。选择 Relative Velocity Resistance Formulation（相对速度阻力公式），选项可以更精确计算有动网格和运动参考坐标系时的源项。对于高度各向异性的多孔介质，当使用基于压力求解器时，选择 Alternative Formulation非常规公式，选项可以使求解过程更稳定。采用非常规公式时，通过多孔介质的压力损失取决于速度矢量第i 个方向分量的大小

 计算粘性阻力系数和惯性阻力系数的方法如下：(1)已知压力降，计算基于表观速度的阻力系数

使用多孔介质模型时，FLUENT假定单元中没有多孔介质的固体基体，即单元是100%开孔的（100% open），且所给定的阻力系数值是基于这一假设的。在已知流体流过实际设备中多孔介质的压力降Δp与速度的关系时，可计算 C2。流体流过开孔率为open%的多孔板时，基于实际流动速度的压力损失系数 KL定义为

式中V%open为流过多孔板的实际流速。

对于 100%开孔时的压力损失系数值，有

式中 V100%为流过开孔率 100%多孔板时的流速。而在相同流量下,速度与开孔率成反比,将 KL折算为100%开孔时的压力损失系数值

阻力系数 C2为单位厚度多孔板的压力损失系数

 式中Δn为多孔板厚度。

(2)使用 Ergun 公式计算通过层床的阻力系数

在湍流时，层床用渗透率和惯性损失系数模拟。对于多种类型的层床，在较宽的 Re 数范围内阻力系数可以采用半经验的Ergun 公式计算：

当层床中为层流时，忽略式(2.51)中的第二项，可得 Blake-Kozeny方程：

 式中μ为粘性系数，Dp为平均颗粒直径，L为床厚度，ε 为孔隙率，其定义为孔隙体积与层床总体积之比。

比较式(2.40)、式(2.42)和式(2.51)，可得各方向粘性阻力系数和惯性损失系数

(3)使用经验公式计算流过多孔板湍流的阻力系数

流过锐边孔多孔板的压力损失系数可以采用 VanWinkle 等的公式计算（适用于孔呈等边三角形布置的情况):

式中,为通过板的流量；Af为孔的总面积；Ap为板的总面积；C为适用于不同Re数范围和不同孔径厚度比D/t情况下的系数，t/D > 1.6且Re > 4000 时（Re 数的特征尺寸为孔径，特征速度为孔内的速度）C≈0.98。利用式(2.55)和

式中v为表观速度而非孔内的流速。与式(2.42)比较可得在垂直于板方向的阻力系数 C2：

(4)用实验数据计算流过纤维状材料层流的阻力系数

在已知任意排列的纤维材料的无量纲渗透率 B 与纤维体积分数之间关系的情况下，粘性阻力系数1/α可由无量纲渗透率的定义

a 为纤维直径确定。

(5)用压力降与速度关系实验数据计算阻力系数

可以用通过多孔介质的压力降 Δp与速度 v 关系的实验数据确定阻力系数。设实验数据用二次多项式拟合为

式中a1和a2为拟合系数。动量方程源项为单位长度的压力降，即

式中Δn 为多孔介质厚度。则比较式(2.38)和式(2.58)及式(2.59)，可得阻力系数

和

该方法也可以用于多孔阶跃面。2.6.7基于物理速度的多孔介质模型

FLUENT 默认情况下，在多孔介质中使用按体积流量率计算的表观速度。表观速度（Superficial Velocity）与物理速度（Physical Velocity）即真实速度的关系为式中γ为介质的孔隙率。

由于孔隙率小于1流体流入多孔介质中物理速度会提高，而表观速度不反映出来。为精确模拟多孔介质中的流动，应求解物理速度，而不是表观速度。

(1)单相多孔介质模型，单相流动情况下各向同性多孔介质中的通用标量输运控制方程为

体积平均质量方程和动量方程为

式(2.65)中最后一项代表多孔介质对流体的粘性阻力和惯性阻力。

采用物理速度求解时，式(2.65)中的两个阻力系数仍以表观速度计算（见本节2.6.6）FLUENT将其转换为与物理速度公式相应的值。

入口质量流量亦是以表观速度计算的。对于相同的入口质量流量和阻力系数对于表观速度或物理速度均应得到相同的压力降。

(2)多相多孔介质模型

可以使用物理速度多孔介质公式模拟包含有多孔介质区的多相流。关于多相流理论见第5章。各向同性多孔介质中第 q 相的通用变量的控制方程取如下形式：

其中γ为孔隙率；pq为第q相的物理密度；ɑq为第 q 相流体体积分数；为第 q 相的速度；为第q 相通用扩散系数；为源项。质量方程和动量方程为通用变量控制方程(2.66)适用于 Euler 多相流模型的所有输运方程。质量方程和动量方程为

式中最后一项为多孔介质中的动量阻力源项。该项由两部分组成粘性损失项和惯性损失项。K 为渗透率，C2为惯性阻力系数，二者均为(1 − γ)的函数。能量方程为

式中Qsp为多孔介质中固体表面与第 q 相的传热量。默认情况下，FLUENT 假定多孔介质的固体与多相流体之间处于热平衡，则

且

但也可以用求解用户定义标量（UDS）的方式单独求解多孔介质固体的导热方程：

 这时如仅考虑对流换热，有

式中hq,eff为有效传热系数，Ts为多孔介质固体表面温度。2.6.8 多孔介质模型的限制和求解策略

多孔介质模型的假定和限制条件

多孔介质对湍流影响的模拟是近似的。当在运动坐标系中应用多孔介质模型，多孔介质采用相对速度形式的阻力公式时，动量方程可以采用相对速度形式或绝对速度形式。

当多孔介质区中在流动方向上压力降较大时（例如渗透率 α 较小或惯性系数 C2较大），收敛速度较慢。解决收敛性问题的最好方法是估算多孔介质压力降的合适的迭代初值，并以分块（Patch）的方式初始化，使多孔介质区上、下游的初始压力差满足该压力降值。另一个方法是暂时停用多孔介质模型求解获得没有多孔介质的流场的初步解，然后再启用多孔介质模型继续求解（此方法对于高流阻多孔介质不适用）。高度各向异性的多孔介质模型可能有收敛困难的问题可将各方向多孔介质系数（1/α ij和 C2,ij）的相差倍数限制在2—3 个数量级以内来解决这一问题。如果某一方向的介质阻力为无限大，只需将其置为主流方向阻力的1000倍。

篇2：多孔介质技术总结

复杂化学流体在多孔介质中的传质

化学驱油技术已从单一化学剂驱油发展到了复杂化学流体复合体系驱油.化学驱油过程中存在扩散、弥散、吸附、滞留、化学反应等一系列物理化学作用,影响化学剂在多孔介质中的传质过程.碱水驱油实验证明了单一化学剂在多孔介质中存在运移滞后;文中分析了上述物理化学作用,研究了复合体系各种化学剂的`运移滞后及滞后差,指出综合吸附作用引起化学剂运移滞后,不同化学剂的运移滞后差导致色谱分离现象.在上述研究的基础上,提出了吸附对流扩散方程,得到了解析解.并用该解析解处理实验资料,求出了方程中化学剂运移滞后系数和综合扩散系数等相应的参数,可描述和预测复杂化学流体在多孔介质中的传质过程.

作 者：黄延章 刘福海 杨正明  作者单位：中国科学院渗流流体力学研究所,河北,廊坊,065007 刊 名：力学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA MECHANICA SINICA 年，卷(期)：2002 34(2) 分类号：O35 关键词：化学驱油   吸附   扩散   弥散   传质   解析解  

篇3：多孔介质水体渗流特性研究

在实际堤坝或水库中，普遍可以观察到上游水位或某一侧水位变化时，并不是立即引起下游水位或另一侧水位的变化;即渗流场中水压力响应的传递不是一个瞬时的过程，有迟滞性;该过程与含水层骨架介质特征、水的性质及水头差等各种因素有关。根据渗透性阻尼理论[1,2]，孔隙面壁可看成是流体单向运动时的障碍。正是因为多孔介质的阻碍作用[3,4,5]，水压力在多孔介质中的传递具有一定速度。Muskat[6]认为在承压含水层中水压力传递速度可类比声速。由于骨架介质孔隙面壁对流体单向运动的阻碍作用，介质对水压力的传递有一个衰减的过程，即滞后时间。

从颗粒粒径方面进行研究:加司立希特研究提出，当土的平均粒径在0.01～3 mm范围时，达西定律是适用的，对小于该范围的黏土和大于该范围的大颗粒土不适用。梁建伟[7]利用新型常水头渗透实验装置通过控制调节水头压力差，进一步分析了极细颗粒黏土的渗透特性;并从微电场效应和微尺度效应两方面对其渗流特性作出解释。朱崇辉[8]针对级配各异的粗粒土进行渗透稳定性破坏实验，实验结果表明临界破坏水力坡降与粗粒土的颗粒级配存在着某种程度的相关关系，级配情况较好且含有一定细颗粒的粗粒类土的临界水力坡降通常高于级配较差的粗粒类土。

主要在前人研究的基础上，通过室内模型实验对细砾石、中砂、细砂及黏土渗流特性进行以下两方面的实验及研究:一是不同粒径范围土样不同水力梯度下的流量研究:不同高度静水头(稳定渗流)作用下渗透过程中流速流量特点的研究;二是不同粒径范围土样中水渗流运动规律的研究:在突变水头(非稳定渗流)作用下渗透过程水压力传递滞后性的研究。

1 实验部分

1.1 实验装置

如图1所示的自制实验槽示意图，图2所示为实验槽及数据采集系统实物图。该实验槽尺寸为180 cm×10 cm×18.5 cm。在实验槽左长面间隔22cm布置8个压力传感器，传感器连接数据采集盒，可自动测定水压力/时间参数，在实验槽首尾部设置入/出水口，入水口用于注水，出水口用于排水及测定流量。

1.2 实验内容

为对比研究不同类型土样渗流过程中水体流动规律，采用自制实验槽与水压力采集系统，分阶段装填四组不同的土体并进行实验。测定水压力数据的同时，用量筒量杯及计时器，来进行流量的测定。由实验数据可以研究:上游水头高度不同情况下不同粒径范围下的土体的渗流量变化的规律;上游水头静止或运动的情况下水压力传递的规律。

具体实验步骤如下:

(1)按预定的密实度对四组土样进行装样，压实至预定密实度，在试样上部覆盖薄黏土层垫层，盖上盖板，四周用螺丝和玻璃胶密封;向实验槽中加水，使土样饱和24 h以上。

(2)采用逐级升高/降低水头的方式进行实验(实验槽尾部出水口设置在固定位置)。待稳定后提升上游水箱进行下一级水头实验，稳定的判别标准是:渗流量和各测点水压数据基本稳定。待水压稳定后，点击采集软件的开始采集水压力数据。

(3)突然改变上游水箱进行实验。记录下水头改变过程中，各测点的水头变化。数据及相对应的上游水箱高度，记录下非稳定渗流条件下的各测点的水压力数据。

(4)在水压力测定实验过程中，每组土样装填后，逐渐升高水头高度，待水压力相对稳定时固定上游水箱高度，开始测量流量，每次水头高度测量三组流量取平均值，减小测量误差。

2 实验结果及分析

土样在填装进实验槽之前，土样首先按一定孔隙比(主要通过填装密度控制)填装进常水头渗透仪，测定渗透系数;然后再将土样按相同的密度将土样填装进入实验水槽，进行实验。各种土样填装透系数如表1所示。

2.1 各组实验流量对比分析

如图4所示，可以看出各组实验中流量与水力梯度基本呈线性正比关系，在相同的水力梯度下，细砾石实验的流量最大，中砂实验流量次之，细砂实验流量小于中砂实验，黏土实验流量最小，这样的数据结果也同土样填装后的各土样渗透系数的大小关系基本一致。

同时由图4可以看出，在同一粒径范围土体下，流量与水力梯度呈正比;在同一水力梯度下，流量与渗透系数呈正相关。

2.2 不同土体实验土体水压力传递分析

为了研究在非稳定渗流下水压力传递的特性，模拟非稳定渗流的过程，先将水头固定，采集数据至20 s左右时，开始匀速拉升(降低)水头，待拉升(降低)至合适高度时固定水头，持续20 s左右后停止采集，此阶段为非稳定渗流阶段，采集此过程水压力变化数据并进行分析。

(1)如图5所示为细砾实验测点1至8处升高(降低)水头的过程中水压力变化的情况。由5图可以看出，在一种粒径范围下固定测点水压力与水头高度有密切关系，水头越高，水压力越大。同时，由于填装的细砾土样渗透性较大，水头升降速度，对水压力的变化也有着影响。上游水头高度变化越快，水压力变化也越快。

由表2可以看出各个测点水压变化起始点与水压稳定点都相同，都为45 s处。由此判断，当粒径较大时，渗流量很大，水体流动阻力小，此时水压传递也不存在明显的滞后性。由图5所示，由升高水头变换为降低水头的过程，其变化规律与升高水头的过程类似，可以看作为升高过程的逆过程，其水压变化也几乎是同时启动，不存在明显的滞后性。

(2)如图6所示为中砂实验测点1～8处升高(降低)水头的过程中水压力变化的情况。可以看出，在一种粒径范围下固定测点水压力与水头高有密切关系，水头越高，水压力越大。同时，由于填装中砂土样渗透性较大，水头升降速度，对水压力的变化也有着影响。上游水头高度变化越快，水压力变化也越快。

由表3可以看出随测点编号的增大，沿渗径长度的深入，测点的启动时间会有延迟，一般越靠后的测点稳定所经历的时间也越长，如表3所示，延迟的时间t大致范围在1～5秒，虽然其并不明显，但也体现了渗流过程中水压力传递的滞后性。

(3)如图7所示为细砂实验测点1～8处升高(降低)水头的过程中水压力变化的情况。由两图可以看出，在一种粒径范围下固定测点水压力与水头高有密切关系，水头越高，水压力越大。同时，填装细砂土样渗透性较小，水头升降速度对水压力的变化也有着影响。上游水头高度变化越快，水压力变化也越快。

由表4可以看出，随测点编号的增大，沿渗径长度的深入，测点的启动时间会有延迟，越靠后的测点稳定所经历的时间也越长。由表4看出，延迟的时间t大致范围在5～10 s，延迟时间已经比较长，表明了细砂实验渗流过程中水压力传递的滞后性相对中砂实验更为明显。

(4)如图8所示为黏土实验测点1～8处升高(降低)水头的过程中水压力变化的情况。由两图可以看出，在一种粒径范围下固定测点水压力与水头高有密切关系，水头越高，水压力越大。同时，粉土渗透性较小，水头升降速度对水压力的变化也有着影响。上游水头高度变化越快，水压力变化也越快。

由表5可以看出，随测点编号的增大，沿渗径长度的深入，测点的启动时间会有延迟，靠后的测点稳定所经历的时间也越长。由表5看出，黏土实验延迟的时间t大致范围在5～20 s，延迟时间在四组试样中最长，表明四组实验黏土实验中水压力传递的滞后性最为明显。

由以上四组实验的对比可知，在非稳定渗流的过程中，上游水头升降速度，对水压力的变化有着影响，上游水头高度变化越快，水压力变化也越快。依据实验结果，对比得出了水压力传递滞后性的两个重要影响因素:土体粒径范围及土体渗透性。滞后时间是随着粒径的减小而增大，同时也可以看出当土体渗透系数较小时，其水压力传递滞后性愈加明显。

3 结论

通过室内模型实验研究得出了一些有参考价值的结论:(1)四组实验流量与各组实验填装土样的渗透系数成正比关系;(2)在稳定渗流作用的情况下，四组实验各测点水压力随渗径长度的增加呈线性递减，而且水压力减弱程度与粒径大小成正相关的;(3)在非稳定渗流作用下，上游水头升降的快慢也影响了水压力变化的快慢，上游水头升降速度越大，水压力变化越快。其次，由于中砂、细砂及黏土渗透系数及渗透性远小于细砾，在水压传递的过程中出现滞后性，即越靠后的测点水压变化启动的时间越晚，这也表明当土体渗透系数较小时，其水压力变化的传递具有明显的滞后性。

下一阶段的工作:结合工程实例，深入探讨了非稳定渗流条件下多孔介质中水体流动的规律，并推导出水压力传递的计算公式，对工程施工有着重要的参考价值。

参考文献

[1] Bear J,多孔介质流体动力学.陈崇希,李竞生,译.北京:中国建筑工业出版社,1983Bear J.Dynamics of Fluids in Porous Media.Chen Chongxi,Li Jingsheng,eds.Beijing:China Architecture&Building Press,1983

[2] Scheidgger A E著.多孔介质中的渗流物理.王鸿勋,译.北京:石油工业出版社,1984Scheidgger A E.The physics of flow through porous media.Wang Hongxun,ed.Beijing:Petroleum Industry Press,1984

[3] 李佩成.试论承压地下水弹性释放学说及其局限性.地下水,1984;(2):8—11Li Peicheng.Discussion of confined groundwater elastic release theory and its limitations.Dixiashui Underground Water,1984;(2):8 —11

[4] Chapuis R P,Chenaf D.Slug test's in a confined aquifer:experimental result s in a large soil tank and numerical modeling.Canadian Geotechnical Journal,2002;39(1):14—21

[5] Bachu S.Synthesis and model of formation water flow in the Alberta Basin,Canada.AAPG Bulletin,1995;79:1159—1178

[6] Muskat M.The flow of homogeneous fluids through porous media.Mc Graw-Hill Book Co,Inc,New York,1973:45—123

[7] 梁建伟,房营光.极细颗粒黏土渗流特性试验研究.岩石力学与工程学报,2010;29(6),1222—1230Liang Jianwei,Fang Yingguang.Experimental study of seepage characteristics of tiny-particle clay.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010;29(6),1222—1230

篇4：多孔介质技术总结

关键词:多孔介质;传质传热;达西定律;应用

中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0158-01

一、多孔介质的特点

多孔介质的结构特性如下:

(1)多孔介质中的空隙空间是相互连通的,即连通性。

(2)空隙尺寸较流体分子平均自由程大很多。

(3)相对宏观特征尺寸,空隙空间尺寸很小。

根据上述多孔介质的定义及结构特性可知,多孔介质不仅包含了空隙绝对尺寸很小的物体,也包含了空袭绝对尺寸很大的物体。例如,对于工业换热设备,流体在管束外横向流动的传热过程也可以认为是多孔介质的流动关于传热问题。这是因为相对换热设备的宏观尺寸来讲,管束外的流体空间即空隙是很小的。因此,可以这样理解,无论固体骨架间空隙的绝对尺寸多大或多小,只要其结构特性符合上述限制,就可以认为是多孔介质。

二、结合达西定律,多孔介质理论在土壤冻胀问题中的数学模型

(一)土壤冻胀问题的工程背景。在我国东北、华北、西北地区部分土地属于季节性冻土,这种灾害一旦发生,会造成各种基础设施的破坏,严重影响当地人民生活和工农业生产。解决冻土问题也是“青藏铁路”、“青藏公路”、“西气东输”、“西电东送”等重大项目的关键突破口。

土壤在自然冻结时,未冻结区的水分不断向冻结区迁移和积聚,并形成冻结冻胀区,所形成的冻胀力一旦大于上部基础设施的自重,就会造成基础设施的变形和破坏,所形成的冻胀力一旦大于上部基础设施的自重,就会造成基础设施的变形和破坏。

(二)基于多孔介质理论,土壤的宏观模型。采用多孔介质的体积平均方法,可得到宏观控制微分方程,用来描述了土壤中水分迁移的过程以及土壤中温度场变化的规律等热值传递的过程。

(三)抑制土壤冻胀的方法机理简述。在不同的工程领域,抑制土壤冻胀的技术和方法有很多,随着热管技术的发展和应用,人们将这一技术应用于土壤冻胀,并取得了很好的效果。

根据热管等温的性质,土壤在纵深方向由径向周围结成冻结层,因此土壤的温度场被改变,令其在同一时刻在冻胀温区的范围缩小,从而所形成的冻胀力也相应较小,不至于对基础形成破坏。

热管作用的同时也改变了土壤中水分的迁移规律,热管周围所形成的冻结区可阻隔横向的水分迁移,水分迁移范围缩小,起到的减小冻胀区的作用。

如上所述,土壤埋设热管后,能有效的抑制土壤的冻胀发生,具体例子如下,在美国,热管用于西伯利亚输油管线的基础,达到了防止基础冻胀的效果;在我国,青藏铁路部分区段采用了热管抑制土壤冻胀的技术,去得了很好的效果;在我国东北地区,采用热管技术有效地防止了高压输电线铁打基础冻胀,表明热管抑制土壤冻胀的工程技术得到了人们的认可和应用。通过上述多孔介质理论建立理想模型,采用传热学数值计算的方法得到数值解,通过数值解来分析热管一直土壤冻胀的机理,并得到相应的工程应用方案,是处理这类问题的普遍方案。

三、结语

材料是社会发展的先进动力,多孔介质的应用,更好的崔金了工农业,建筑业,环境科学,生命科学等各个领域的发展,材料届的革命创新,是促进各学科间合作和边缘学科发展的有效手段。对于多孔介质在传热方面的分析,也是工程热物理的重要研究方向,而多孔介质的其他性质,如电阻率,蠕变性,耐压性,消音储能等方面也有待深化研究,必将在未来为社会进步和发展做出更重大的贡献。

参考文献:

[1]潘阳,许国良,黄小兰,刘建军.计算传热学理论及其在多孔介质中的应用[M].北京:科学出版社,2011

[2]施明恒,虞维平,王补宣.多孔介质传热传质研究的现状和展望[J].东南大学学报,1994

[3]王补宣.多孔介质传热传质研究的意义与现状.中国科学基金

篇5：多孔介质技术总结

利用高密度电阻率法监测纳米胶体在饱和多孔介质中的运移过程.对纳米胶体和保守性示踪剂在末端的电导率穿透曲线进行了比较.结果表明,纳米胶体与保守性示踪剂在多孔介质中的运移过程非常相似,均可用一维对流弥散方程进行拟合.通过对不同截面、不同电极间距、竖直方向的电阻穿透曲线的比较,说明利用高密度电阻率仪监测纳米胶体在多孔介质中的运移是可行的..无论是传统示踪剂还是纳米胶体,在同一截面上不同电极间距几个测点的穿透曲线非常相似,沿着水流向前推进的溶液锋面到达同一电极截面的时间非常接近,说明多孔介质是非常均质的.同时高密度电阻率法可以动态反映砂柱中纳米胶体运移的时空变化特征.

作 者：李国山 周启友 刘汉乐 LI Guo-shan ZHOU Qi-you LIU Han-le 作者单位：李国山,LI Guo-shan(南京大学,地球科学系,江苏,南京,210093;中冶长天国际工程有限责任公司,湖南,长沙,410007)

周启友,刘汉乐,ZHOU Qi-you,LIU Han-le(南京大学,地球科学系,江苏,南京,210093)

篇6：重介质分选工个人工作总结

xxx，xxx集团xxx煤矿洗选厂重介质分选高级技工。

xxxx年毕业于xxxxx，xxxx年x月参加工作至今，一直在xxxx集团xxx煤矿洗选厂工作，先后从事浮选工、重介质分选工等选煤技术工种。在此工作期间，严格要求自己，服务于人民，服从组织工作分配，坚持中国共产党领导，坚持四项基本原则，热爱祖国，遵纪守法，尊敬领导，团结同事，勤恳工作，认真完成上级下达的各项工作任务。

自xxxxx年x月从事重介质分选工后，在领导及老师的关心帮助下，自觉学习相关知识，很快掌握了本专业较高操作技能。在生产实际中，针对生产中的难题，努力钻研、积极探索，根据本矿原煤质量差的现状（原煤含精低、中间物含量大，硫分不稳定、矸石多），创造性的发明了“矸石分析法”，通过矸石的变化，确定硫分的高低，为合理的调整工艺参数提供了参考，解决了采、制、化滞后于生产过程的实际难题，提高了精煤产品合格率，并有效保证了精煤回收率。

在保证产品质量合格的情况下，降低介耗在选煤成本控制过程中是至关重要的环节。由于本矿洗选厂是老厂房改造，中煤弧形筛受空间限制，设计角度偏小，导致弧形筛不能完全被利用，脱介效果不理想，使大量介质进入到后续脱介筛中，增加了脱介筛的负荷，致使产品带介增加。在长期的现场观察和查阅资料后，我向厂里建议加大筛孔尺寸，增强预脱介效果，同时在弧形筛加道喷水，这样可以充分利用脱介筛的脱介能力，有效降低介质消耗。厂里采纳后，效果显著，每月可节约材料费1万余元。

自xxxx年获得高级技工证书后，我更加严格要求自己。近几年在思想和技能日渐成熟的情况下，越来越意识到自身的责任重大，煤矿的效益与我们重介质分选工的责任心和技术操作水平是密不可分的，如何有效提高精煤产率、降低中煤含精率、杜绝矸石含煤，成为我心中时时刻刻在思考的问题。在工作中，我始终以战战兢兢、如履薄冰的态度，以一丝不苟的工作准则，工作严谨务实而不乏创新，尽心尽力做好本职工作。

近年来，我在重介质分选工的岗位上，通过平时知识与经验的积累，先后在2006年、2008年、2010年技术比武中获得较好的名次，2010年还荣获了全矿“十佳技术能手”称号。

工作的过程是加强理论学习，提高个人素质的过程，首先，自觉加强政治理论学习，树立正确的社会主义荣辱观，进而提高自己的政治素质，保证自己在思想和行动上始终与党保持一致。其次，在业务知识学习方面，我虚心向上级领导和技术人员请教，自学了《重介质分选技术》、《重介分选工》、《选煤技术》等专业书籍，我的技术技能已发生了质的飞跃，紧紧跟上了选煤技术革新的步伐。

工作的过程是一个理论联系实际，不断实践自己业务能力的过程。我矿开采深度已达到全国第一，煤质变化较大，这就考验了重介质分选工的业务素质，一个一个的问题得以解决，确保了生产正常，煤质符合要求，是自己的理论知识在实践中得到很好的应用，业务能力得到了不断提高，为企业的发展做出了贡献。工作的过程是一个传业授技，为师带徒育人的过程。“一花开放不是春，百花盛开春满园”。我不仅要求自己技术过硬，还热心带徒，为企业的长期发展，发挥自己的光和热，对自己所带的徒弟，我坚持做到循循善诱，言传身教。2011年，我培训的重介质分选工在技术比武中获得了优异成绩。

篇7：多孔介质中溶质运移的尺度问题

1 尺度效应

多孔介质水动力弥散尺度效应是指空隙介质中弥散度随着溶质运移距离增加而增大的现象。多孔介质中水动力弥散尺度效应的具体表现是弥散度随着溶质运移距离的增大而增大。目前一直认为认为产生多孔介质介质水动力弥散尺度效应的主要原因是:多孔介质的非均质性。野外条件下介质的不均匀性造成了室内试验结果与野外试验结果之间相差很大, 相差可达几个数量级。[1]对于多孔介质中的水动力弥散尺度效应的机制和规律这一问题, 许多研究者进行了深入的研究。归纳以下四个方面。

(1) 确定性方法, 从微观尺度研究溶质在空隙介质中运移物理机制, 重新检验对流—弥散方程的可行性, 特别是空隙介质中引入费克定律的可靠性。

(2) 随机方法, 其基本依据是含水层非均质的事实, 在非均质含水层的物理性质、水力性质和溶质溶质运移性质按某种随机模型分布的假定下, 建立溶质运移随机方程和水动力弥散系数的表达式。

(3) 室内与野外试验, 通过设计专项的水动力弥散试验, 深入研究尺度效应的影响因素。

(4) 避免或者减少小尺度效应而进行的方法性探讨[2]。

2 尺度效应的分形特征

不同的尺度下多孔介质结构具有相似性, 因而尺度效应也具有自相似性, 即从小尺度岩体到大尺度的研究区具有自相似性。传统的观点承认多孔的非均质性是产生尺度效应的主要原因并引入了典型单元体的抽象概念。尽管传统观念认为不同尺度的多孔介质对应着不同大小的典型单元体, 但典型单元体既不稳定又不具可测性, 无法定量解释尺度效应的变化规律。分形理论提供了一种新的手段, 用不同尺度溶质运移距离去测量裂隙介质中动力弥散过程, 可得到不同的弥散度。分维是分形的定量表示。若把单位长度扩大到2倍, 并假定它能成为具有2D倍的量, 那么此量也称为D维数的量。若把具有D维测定的量假定为X, 长度为L, 则关系式

根据上面的分维的定义, 可将弥散度与基准尺度的关系标绘在双对数坐标纸上。若为直线则从另一角度说明尺度效应具有分形特征, 直线的斜率即为尺度效应的分维。

3 尺度问题的分类

李国敏提出将空隙介质水动力弥散划分为4中尺度:空隙, 实验室, 单含水层还有区域含水层。试验室的所有介质都是有均匀砂组成, 但是即使室内同样的粒径的多孔介质, 由于野外地层往往具有明显的非均质性, 像沉积韵律变化、透镜体夹层等, 野外所测的弥散度要比室内大。野外弥散试验规模越大, 弥散度也越大。即水动力弥散具有尺度效应[2]。

有人将尺度问题按空间和时间的规模大小来划分:小尺度, 中尺度, 大尺度及超大尺度。

(1) 小尺度。水流和溶质运移集中在一个区域里。

(2) 中尺度。地下水流动或溶质运移在一个相对较小的区域中发生。

(3) 大尺度。在这种情况下, 溶质运移可以被想象成在两个重叠的连续区域中进行, 而且两者之间有水量和溶质的交换。

(4) 超大尺度。可以认为水流和溶质在一种单连续介质中流动, 区域的空间特征则认为是两个连续区域的各自特征之和。

对小尺度问题, 通常采用室内试验、现场试验以及数值模拟的方法, 对大尺度问题及超大尺度问题采用现场试验与数值模拟相结合的方法;对于中尺度问题, 目前进行试验研究还有很多困难, 只能应用随机理论逼近实际模型, 采用数值方法进行模拟。从核废料的贮存安全预测到其它污染物质对地下水污染的预测, 都是在大范围的地质体内进行的, 因而大尺度问题是近年来人们关注的焦点。由于大尺度的现场试验耗资巨大且操作难度大, 目前的研究较多集中在核废料的安全贮存的现场试验上。美国、英国、瑞典、芬兰、加拿大以及丹麦等国的一些实验室或核废料管理机构在这方面作了大量的工作, 并且发展了能确保对特定场地进行足够完整的特征描述的程序和方法。[3]

4 国内的研究现状

弥散尺度效应是一个复杂的问题, 且国内弥散尺度效应的的研究并不多。早先, 研究者们对弥散效应问题的认识不深, 且在大时空尺度上现场试验耗资巨大且操作难度大。而小尺度通常是采用室内试验、现场试验以及数值模拟的方法, 这样操作容易。所以利用小尺度的对流——弥散模型确定大时空尺度的对流-弥散模型是一个简化的过程。1996年, 王子亭[4]提出了尺度跃迁的概念。根据小尺度上对流-弥散模型确定大时空尺度上的对流-弥散模型称为尺度跃迁。并提出了跃迁的方法。在过去的十多年中, 溶质运移中尺度问题越来越受到研究者的关注。由于尺度效应野外弥散试验确定的弥散度值通常都比室内试验的大得多, 许多研究者认为室内测定不宜用于大尺度弥散溶质运移的模型。但是大尺度野外示踪试验的困难的问题, 也是不易解决的。最近对于弥散尺度问题的解决有着这样的方法:首先选取好模拟条件和模型参数, 建立溶质运移模型, 求解出模型的解, 并验证解析解的正确性, 然后应用到实际工程中。或地下水模拟系统模拟出野外大尺度示踪的实验, 获得弥散数值模拟结果, 分析弥散度对于参数之间的关系, 再与水文地质学相关理论比较, 看是否合理;或者与实际工程比较, 验证所拟模型的合理性。例如, 在[7]为考虑溶质径向运移的弥散尺度效应, 将弥散度概化为径向距离的线性函数, 并考虑溶质的吸附和降解, 建立了抽水井附近溶质运移的简化模型 (SDM, Scale-dependent Dispersion Model) , 通过Laplace变换和数值反演方法求得SDM的半解析解, 并采用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的正确性。通过SDM与弥散度为常数的溶质径向运移模型 (CDM, Constant Dispersion Model) 的比较, 分析了弥散尺度效应对反应性溶质径向运移过程的影响, 并利用渗流槽中的径向弥散实验资料检验模型的适用性。文中证明了作者所建立的考虑弥散尺度效应的简化模型可以用来模拟较大区域上溶质的径向运移过程。

5 展望

与外国的弥散尺度效应的研究相比, 国内的研究有待进一步的深入。从理论上进一步研究弥散机制, 也包括室内比较精密的实验研究, 检验传统对流一弥散方程的正确性, 找出更好的求解弥散度的方法;确定也弥散度与其他参数的之间关系;进行大尺度的野外示踪弥散试验, 彻底了解非均质对弥散的影响和控制作用;建立反映宏观弥散机制、适用于野外含水层的溶质运移方程;随机方法与确定性方法相结合, 对野外溶质运移进行有效地预测。[8]

参考文献

[1]成建梅.考虑可信度的弥散度尺度效应分析[J].水利学报, 2002, 2:90～94.

[2]陈崇希, 李国敏.地下水溶质运移理论[M].武汉:中国地质大学出版社, 1996:26～27.

[3]王锦国, 周志芳.裂隙岩体地下水溶质运移的尺度问题[J].水科学进展, 2002, 13 (2) :239～245.

[4]王子亭.对流—弥散问题的随机过程方法[J].石油大学学报, 1996, 20 (6) :29～31.

[5]王永森, 等.考虑弥散系数尺度效应的溶质运移模型研究[J].人民黄河, 2008, 30 (11) :60～62.

[6]张嘉, 王明玉.纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究[J].地质前缘 (中国地质大学 (北京) 北京大学) , 2010, 17 (6) :152～158.

[7]冯昭元, 等.考虑弥散尺度效应的抽水井附近溶质运移模型及半解析解[J].水利学报, 2010, 41 (4) :1024～1031.

篇8：多孔介质技术总结

目前多孔介质模型较多地应用于多孔介质发动机。Durst等提出了两种不同形式的多孔介质发动机结构形式,分别为多孔介质与汽缸永久性接触型和周期性接触型;他们将碳化硅制成的多孔介质蓄热体放置在缸盖的进气门与排气门之间,让多孔介质与汽缸保持永久性接触;结果发现,多孔介质发动机具有燃烧稳定、排放降低、噪声水平低和热效率高的优点[1]。Macek等用多区模型模拟了永久性接触型多孔介质发动机分别燃用甲烷和氢气时的运行过程,并根据计算结果谈论了应用多孔介质发动机所面临的问题[2]。国内对多孔介质发动机的研究起步很晚,大连理工大学能源动力学院的刘宏升博士对多孔介质发动机做了比较深入的研究,讨论了进气温度、压强、压缩比、过量空气系数等参数对多孔介质发动机性能的影响[3]。

为探索发动机的排气管道,笔者在管道中加入了一段多孔介质单元区域,通过对多孔介质单元区域的流场模拟及分析来探索多孔介质区域的性质。

1 多孔介质排气管道模型的建立

首先,利用Pro/E建立多孔介质排气管道的三维模型,然后将其导入STAR-CCM+中,显示它的网格。在网格生长的过程中,首先生成其面网格,然后生成体网格,生成的体网格见图1。

生成体网格时要划分区域,这里主要划分了3个部分:入口、出口与中间的多孔介质区域、周围默认的区域。在多孔介质区域与周围的区域之间要生成一个交界面,即interface,以免发生一些重叠交错的误差,防止在读入数据时无法输出。图2为多孔介质单元区域的体网格示意图。

2 多孔介质排气管道的数值模拟

目前对多孔介质排气管道的研究主要是通过实验法与数值模拟法进行的。在实验操作的过程中,由于实验条件和测试技术以及实验仪器发展水平的限制,使得实验研究具有很大的局限性。基于此,本文对多孔介质排气管道做了接近实际的模拟,通过运用STAR-CCM+软件对多孔介质排气管道内部的流场(压强流场、速度流场)进行了模拟。

2.1 多孔介质物理模型的建立

该排气管道是一个三维模型,首先应建立一个稳态的状态方程。由于它为一个稳定的时间状态,其研究对象为多孔介质排气管道,因此主要模拟其管道内部气体的流动过程,并选择分离流动方式,即K-Epsilon的湍流方式,在湍流规格中选择为Intensity+Viscosity格式,在此设置的湍流速度为常量1m/s,自此,多孔介质的物理模型就建成了。

2.2 设置边界条件

首先,在入口属性中选择速度入口,设定气体(这里指二氧化碳)速度为4m/s;出口属性设置为压强出口,设定出口的压强为0Pa;其他部分则采用默认值。然后设置最大迭代步数为1 000步,建立两个动态图像,一个为速度矢量,另一个为压强标量。最后点击运行程序,进行运算。

2.2.1 多孔介质排气管道内部的压强流场

设置多孔介质排气管道的压强出口为0Pa,运用软件模拟得到多孔介质排气管道的压强流场如图3所示。

由图3得知,多孔介质排气管道中,在出口的压强设置为零这个参考标准的条件下,尽管入口的初始速度设置为4m/s,但是压强变化很小。这说明在排气管道中,由于加入了一段多孔介质单元区域,能够吸收管道中的气体,使得气体的流速减小,从而压强变化不大。

2.2.2 多孔介质排气管道内部速度流场

排气管道内部的速度矢量最能够反映气体在多孔介质排气管道的速度变化情况,模拟得到的多孔介质排气管道内部速度流场见图4。入口速度设置为4m/s,通过图4得知,出口的速度变为1m/s,在如此短的通道内速度变化如此快,说明多孔介质能够把大部分气体吸附掉。

3 计算结果与讨论

本文利用STAR-CCM+模拟了多孔介质排气管道的压强流场与速度流场,结果表明:由于管道中间的多孔介质区域吸收了一部分气体,使得管道内部的压强降很小,同时使得管道内部的气体流速降低,说明多孔介质区域的吸附性很强。这一结论为今后废气排气管道的研究提供了参考。

参考文献

[1]Durst F,Weclas M.A new type of internal combustionengine based on the porous-medium combustion technique[J].Journal of Automobile Engineering,2001,215(2):63-81.

[2]Polasek M,Macek J.Homogenization of combustion incylinder of CI engine using porous medium[J].SAEpaper:2003-01-1085.