隨機(jī)多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力研究.pdf

1、多孔介質(zhì)是指帶有孔洞的固體，多孔介質(zhì)存在于生活生產(chǎn)的方方面面，比如土壤、木材、棉花、沙石、面包等。多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)研究在石油的開(kāi)采、地下水的滲流、多孔物料干燥、保溫隔熱材料、核反應(yīng)冷卻堆等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)多孔介質(zhì)的研究在工程應(yīng)用方面有著重要的意義。多孔介質(zhì)的研究是發(fā)展較早的學(xué)科之一，最早源于地下水水文學(xué)和石油工程學(xué)等，如含水層中水的流動(dòng)，以及儲(chǔ)油層中石油的流動(dòng)等。不同于管道中流動(dòng)，在多孔介質(zhì)中，由于孔隙分布不均，結(jié)構(gòu)不同，因而我

2、們無(wú)法找到一個(gè)完全準(zhǔn)確的公式用于描述多孔介質(zhì)中的阻力損失。而且，流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，有層流向紊流的轉(zhuǎn)捩提前，彌散效應(yīng)的存在，以及湍流的機(jī)制沒(méi)有研究清楚等問(wèn)題，這對(duì)多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的研究也造成了很大的影響。
　　為了探究多孔介質(zhì)流動(dòng)的阻力損失，本文分別在理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行了探索。理論研究方面，本文在孔喉模型的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際多孔介質(zhì)的堆積方式更接近于叉排堆積，因而建立了叉排孔喉模型，得到了叉排孔喉模型的基本參數(shù)。根據(jù)所建

3、立的叉排孔喉模型，推導(dǎo)了多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的傳統(tǒng)解。同時(shí)，大量文獻(xiàn)資料說(shuō)明，多孔介質(zhì)具有分形特征，所以應(yīng)用分形的方法來(lái)研究多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力。同樣以叉排孔喉模型為基礎(chǔ)，根據(jù)多孔介質(zhì)分形幾何的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)了多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的分形解。本文推導(dǎo)的傳統(tǒng)解和分形解均不含有任何經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，每一項(xiàng)參數(shù)都具有明確的物理意義。實(shí)驗(yàn)方面，定向測(cè)量了單一顆粒和混合顆粒的阻力損失。其中單一顆粒5mm的玻璃球，而混合顆粒則是這14mm、10mm和5mm玻璃球

4、按一定比例混合而成。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)的兩種解析式以及Ergun方程比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文推導(dǎo)的兩種阻力解析式。分析其原因發(fā)現(xiàn)，是由于緩流板的阻力過(guò)大導(dǎo)致的，但由于未找到適用于計(jì)算緩流板阻力的公式，因而只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量緩流板的阻力。在進(jìn)行了阻力修正后，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)解和分形解吻合得較好，能較為合理的說(shuō)明傳統(tǒng)解和分形解的正確性。同時(shí)本文構(gòu)建了八種級(jí)配的多孔介質(zhì)，并計(jì)算了相應(yīng)的孔隙率和顆粒當(dāng)量直徑，對(duì)傳統(tǒng)解和分形解與Ergun方程

5、的偏差進(jìn)行了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)，在低孔隙率時(shí)，分形解更接近于Ergun方程，而在高孔隙率時(shí)，傳統(tǒng)解更符合Ergun方程。這在一定方面說(shuō)明了基于叉排孔喉模型推導(dǎo)的多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力傳統(tǒng)解和分形解是正確的，而叉排孔喉模型也是合理的。
　　叉排孔喉模型只是基于一個(gè)方面所建立的模型，可以用于多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的研究，但是否可以推廣到所有類型的多孔介質(zhì)仍需要大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文只是提供了一個(gè)小小的思路，做了一點(diǎn)小小的研究。多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的研究