基于分形理論的方向隨機(jī)行走算法在多孔介質(zhì)傳熱研究中的應(yīng)用.pdf

1、多孔材料作為一種功能材料在隔熱、保溫、催化、過濾等很多方面都具有普通密實(shí)型材料所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)性能方面進(jìn)行深入研究具有極其重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論研究是目前工程熱物理學(xué)科和材料學(xué)科最熱門的課題之一，其難點(diǎn)主要在于多孔介質(zhì)內(nèi)部復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)定量化表征。分形幾何的出現(xiàn)和發(fā)展為不規(guī)則、非均勻多孔結(jié)構(gòu)孔隙特征的定量描述提供了一種

2、新的視角和方法。本文首先采用數(shù)值模擬的方法對(duì)大孔隙的結(jié)構(gòu)分布對(duì)導(dǎo)熱性能的影響進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上探討了孔隙連通和排列的各向異性等結(jié)構(gòu)特征的定量參數(shù)化表征方法，并在二維和三維空間多孔結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行了驗(yàn)證。本文主要的研究工作和取得的成果如下:
　　(1)大孔隙對(duì)導(dǎo)熱性能的影響分析。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)多孔介質(zhì)中由于孔隙之間的連通而形成的大孔隙形狀、排列和方向?qū)?dǎo)熱性能的影響進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明:當(dāng)孔隙率一定，大孔隙的形狀和排列方式

3、對(duì)多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱性能影響很大;尤其是當(dāng)大孔隙在垂直于熱流流動(dòng)方向形成熱阻墻時(shí)多孔介質(zhì)導(dǎo)熱性能最弱。所以容積平均方法忽略大孔隙的形狀和結(jié)構(gòu)分布對(duì)多孔介質(zhì)導(dǎo)熱性能的影響會(huì)帶來較大偏差。
　　(2)二維多孔結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量參數(shù)表征及其與導(dǎo)熱性能之間的關(guān)聯(lián)研究。基于分形理論構(gòu)造了孔隙率相同，但孔隙結(jié)構(gòu)各異的二維多孔介質(zhì)模型，分析了孔隙結(jié)構(gòu)分布對(duì)熱流傳輸過程及導(dǎo)熱性能的影響;依據(jù)物理過程相似特點(diǎn)，采用粒子在多孔介質(zhì)空間中具有傾向性的隨

4、機(jī)行走過程來模擬熱量的真實(shí)傳遞過程，計(jì)算得到了方向隨機(jī)行走譜維數(shù)，并與多孔介質(zhì)的熱性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:在孔隙率相同時(shí)，粒子的方向隨機(jī)行走譜維數(shù)越大的多孔結(jié)構(gòu)，其有效導(dǎo)熱系數(shù)也越大，反之則越小。
　　(3)方向隨機(jī)行走模型的三維拓展研究。將方向隨機(jī)行走算法拓展到三維空間結(jié)構(gòu)，對(duì)孔隙率相同的空間分布多孔結(jié)構(gòu)的孔隙分布特征進(jìn)行定量描述，得到了與前文研究結(jié)果相一致的結(jié)論，即在孔隙率一致的情況下，孔隙在熱流流動(dòng)方向上連通性好則