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不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究
不可逆特性是多孔介质渗流问题的本质特征;该文对多孔介质渗流过程中的不可逆行为,尝试将不逆热力学的研究思路和方法引入多孔介质渗流问题的研究中,取得了一些积极的成果.由于多孔介质本身的复杂性,多孔介质渗流问题的分析理论往往需要在多孔介质连续介质方法的基础上进行.该文基于流体粘滞流动过程的熵产表达形式,并在平直管模型中验证了两者的统一性.多孔介质体系往往具有复杂的宏观几何结构,该文提出了多孔介质宏观几何分类的思想,使得在具有复杂宏观几何结构的系统中可以建立简化的分析方法.另外,宏观几何分类方法亦有助于针对特定问题建立相应的输运模型,这对多孔介质渗流问题更广泛、深入的应用具有重要意义.
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COMSOL在多孔介质中的应用
COMSOL Multiphysics 多物理场仿真模拟系统PASSCODE：9FFFBFFF0-TYUS-96中仿科技 张 凯 （Kevin Zhang） 2012年6月仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation多物理场耦合 ? What ? How仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation多物理场耦合 ――垃圾填埋? ? ? ? ? ? 渗流分析 气体扩散 热分析 污染物迁移 固结、沉降 ……流体 H (Hydraulic) (Hydrolic) 力学 (Mechanical)多场 耦合热传 (Thermal)反应 (Biological) 仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL Multiphysics?第一款真正的多物理场耦合分析软件? COMSOL MultiphysicsC 一套针对可以用偏微分方程 （组）描述的数学、物理或工 程上的问题，使用有限元方法 进行仿真的电脑辅助分析软件仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL MultiphysicsModules Livelinks for CAD CAD Import Livelinks for Matlab Java Script仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL Multiphysics架构仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation多孔介质流动仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation多孔介质中的耦合? 地下流：油井，水渠、水库等 ? 多相流：非水质污染的问题 ? 地下流到表面流：井，裂隙额，管道和河流 ? 环境污染：水中的污染物运移，附着在固体上 ? 密度流：温度或浓度不同引起的流动 ? 孔隙弹性仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation渗流模型基于多孔介质的流动：Richard非饱和渗流模型 Navier Stokes 自由流动模型Darcy’s慢速饱和渗流 模型Brinkman 快速饱 和渗流模型仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation自由+多孔介质流开放流道和多孔结构的速度场仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation流体传热耦合? 地热梯度温 度 场 分 布? 温度的改变，引发水的密度 的改变，从而引发了浮力流 动速 度 场 分 布仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation扩散与流动耦合? 应力渗流场分析 ? 传质方程 ? 化学反应核废料处理模型仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation农药污染地下水降水渗入土体5小时后的流场渗入土体一天后的磷浓度，污染随着渗透水从地表迁移到井水中吸附作用模拟仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation孔隙弹性? Biot固结 ? California Central ValleyLand surface in Fresno, CA Dropped 9 m in 20 years www.fresno.gov仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation孔隙弹性? 流固耦合：Darcy 流动+结构力学? 达西方程：?ε vol /? t 是从固体位移方程得 到的体积应变变化速率? 平面应变方程：仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation高富水砂层动态降水地 面 最 大 沉 降 地 面 最 大 水 平 变 形仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation岩石裂隙流动缓慢渗流+裂隙边界 参数绘图仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation弹性波地层传播仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation流体-电磁耦合? 多孔介质中的流体流动而产生的电动电压 ? 电流产生的磁场；电场对流场的反作用测量电压和磁场的分布情况可以获 得对火山内部流动的认识。仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation岩土工程仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation岩土领域? ? ? ? ? ? ? 应力应变 岩土本构 流体流动 多相流 溶质运移 热传问题 孔隙弹性 -- 基础分析 -- 岩石、土壤、混凝土 -- 宏观 微观 -- 两相流，多相流 -- 对流扩散方程 -- 同流动相关，共同考虑 热应力 … …仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation结构力学? 专门用来计算结构的受力及变形情况 ? 基于材料破坏临界面理论，对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳 分析 ? 线性和非线性的应力应变分析 ? 热应力和热应变 ? 弹塑性和超弹性 ? 接触分析和摩擦 ? 屈服 ? 粘弹性，粘塑性和蠕变球形轴承及密封圈应力分布? 压电效应仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation岩土力学模块? 结构力学模块的一个特殊附加模块 ? 研究岩土工程中的塑性、变形、 土壤和岩石的失效问题 ? 混凝土和岩石模拟专业工具 ? 应用 ? 隧道、挖掘、边坡稳定性和支护 结构钢筋混凝土应力失效时的应力分布仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL助力岩土力学研究? 多物理分析应用模式 力学、热应力、水压力等 ? 多种屈服准则： 土力学：Cam-Clay, Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Matsuoka-Nakai, Lade-Duncan. 固 结：Willam-Warnke, Bresler-Pister, Ottosen, 岩 石：原始/广义Hoek-Brown ? 支持用户自定义本构模型 ? 灵活的自定义函数，实现 任意非均匀材料设置仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation钢筋混凝土梁? 图中显示的是混凝 土中的von Mises应 力和钢筋中的轴力。 ? 通过拉伸耦合操 作实现力如何从 混凝土梁传递到 其中的钢筋结构 上仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation原位 (重力) 应力? 有两种方法定义原位应力 ? 设定初始应力(用户直接定 义初始应力状态) ? 基于重力场的两步分析： C 计算线弹性模型在重力 荷载下的应力分布 C 在第二步的分析中应用 前一步计算的应力场仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation隧道工程(双洞)仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation土体塑性行为和接触分析? 深开挖模型 ? 土体塑性本构仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation土体塑性行为和接触分析? 参数化建模和参数扫略功能深基坑开挖模型仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation三轴测试土壤中应力及位移分布土壤样本有效塑性应变 （红色区域表示达到塑性应变）仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation岩石裂隙发育岩土基本性质 －试验手段岩体损伤、裂隙发育 岩体渗流破坏岩土本构理论研究岩土力学分析 岩土流变力学分析仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation断层滑裂面模型分析? 断层滑裂面 ? 岩脉的移动变化 ? 接触问题仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation渗流中的流固耦合? 流固耦合与土体本构方程自定义。东北大学仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation突水模型? 考虑不同工况条件下的地下水渗流分析仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCO2地下封存仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation孔隙弹性研究仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation冻土仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation研究背景? 冻土：温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土。 ? 特点：对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。 具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。关键因素：热稳定性 ? 温度 ? 渗流仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation计算机数值模拟多物理场耦合： ? 温度 ? 渗流热传导、对流传热、热参数?冻土结构、强度：抗压强度、抗剪强度、压缩性质、蠕变 ?路基走向、风速、辐射、蒸发等外界条件仿真建模：? ? ? ? ?斜坡几何模型、确定岩土参数、热学、渗流边界条件 含水量、温度对边坡稳定性的影响 冻融界面 边坡结构、外界环境的影响因素 边坡稳定性随时间的变化规律仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation太阳辐射和风力对永久冻土的影响分析辐射、气流与热传导耦合问题：原理图60s内暖气流在左侧坡边的流动模拟仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation照射48小时后的温度分布情况，白线代表冻土融化分布没有覆盖时，存在覆盖时，仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation阿尔卑斯山永久冻土分析永久冻土二维热力学模型仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation结果分析：温度分布永久冻土边坡融化的反应、弛豫时间仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation地 下 水 渠 流 热 分 析仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation地下水渠流热分析? 暗渠流体域：由于不同介质具有不同的传热特性，因此根据介质不同分为 流体区和土层区二个区域进行研究。为了简化计算，做如下 基本假设： 1) 流体层流 2) 流体不可压缩 3) 流体压力不随温度变化 4) 流体密度为常数仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation地下水渠流热分析? 土层区对于含水介质中相变潜热问题采用显热容法进行处理，假 设模型中含水介质相变发生在温度区间 ，相变前后 热容和导热系数：Cf ? ? C f + Cu ? L * Ce = ? + 2 ? 2?T Cu ? ?T & (Tm ? ?T ) (Tm ? ?T ) ≤ T ≤ (Tm + ?T ) T & (Tm + ?T )T & (Tm ? ?T ) (Tm ? ?T ) ≤ T ≤ (Tm + ?T ) T & (Tm + ?T )λf ? ? λu ? λ f ? * [T ? (Tm ? ?T )] λe = ?λ f + 2?T ? λu ? ?仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation地下水渠流热分析? 流体动态粘度为温度函数：μ＝0.0.03368t＋0.)? 地表温度周期性变化：仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation瞬态计算3600*3秒后，流场速度分布：仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation瞬态计算3600*3秒后，温度场分布：仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation冻土三场耦合原理热流体压力/体积应变流体力仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationDEMO仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation? ? ?选择物理场 -告诉软件分析问题中包含哪些物理现象 CAD绘图 -软件自带CAD绘图、导入CAD模型 指定分析条件 -指定材料、输入、输出选项 -指定边界条件建 模 流 程? ?网格 -结构化或非结构化网格 求解 -稳态、瞬态、特征频率、参数化扫描分析 -直接、迭代求解器?后处理 -图像化显示关心位置的数值大小 -对数据集进行积分、通量、受力等函数计算 -生成报告仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL Multiphysics? 真正的多物理场C 解决前沿的单物理场问题 C 任意多物理场耦合――完善的仿真平台? 简便易用C 内置多种应用模式便于快速建模 C 图形化操作界面? 开放灵活C 自定义材料参数和函数 C 任意参数化 C 可以修改和添加方程? 高性能运算C 支持多核与多重处理器运算 C 支持集群并行运算仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation网络研讨会仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation专题研讨会仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation公开培训仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation联系我们中仿科技官网：.cn 中仿社区：.cn 正版技术支持email：.cm 软件试用及资料申请email：.cn仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation
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电极-电解质交界面存在一个空间电荷薄层，称为扩散双电层。这一区域无法保持电中性。在模拟电化学超级电容器和纳米微电极这样的器件时，双电层是研究的重点。本教程显示如何将 Nernst-Planck 方程与泊松方程耦合，以根据 Gouy-Chapman-Stern 模型描述扩散双电层。此仿真 App 中包含两个电极，由此扩展了简单的示例。其中还考虑了法拉第（电荷传递）电极反应。还求解了一个附加方程来确保电荷的总体守恒。
当汽车尾气流经尾气装置中的整体式反应器管道时，会发生氧化氮还原反应。本例主要研究温度和反应物如何影响选择性反应动力学。本模型使用了“反应工程”接口中的平推流反应器。
本例分析多孔介质反应器中的流场与化学物质的分布，用于研究多相催化。其中利用了多孔介质反应流来有效耦合反应器内的自由流动与多孔介质的流动。
本例展示如何将“稀物质传递”接口用于高效求解组合了宏观和微观（多尺度）的问题；一个含双峰多孔分布的异构系统。本例使用“反应颗粒床”特征，利用额外维度表示反应器中多孔催化颗粒的内部。计算了颗粒周围流体中以及颗粒内的反应物质浓度分布。
本例模拟了在一个圆形喷射燃烧器中未经过预混的合成气的湍流燃烧。合成气是一种气体混合物，主要包含氢气、一氧化碳和二氧化碳等。其名称来源于它用于合成天然气。在本模型中，合成气从一根管道注入开口区，同时空气在缓慢流动。在管道中，未经过预混的合成气与周围的空气混合并反应，在出口形成湍流火焰。该模型组合了“反应流”接口和“流体传热”接口进行求解。其中的湍流使用 k-ω 湍流模型来建模，湍流反应使用涡流耗散模型建模。得到的速度、温度和物质质量分数与实验值进行了比较。
透析是一种已广泛使用的化学物质分离方法。血液透析就是这样一个例子，它充当肾衰竭病人的人工肾。透析时，基于不同的分子大小和溶解度，只有特定的成分允许通过膜进行扩散。这个 App 模拟降低流体中污染物浓度的过程。透析装置由中空纤维膜组件构成，中空纤维壁充当阻挡污染物通过的膜。根据此 App 得到的结果可以协助选择膜材料、纤维的尺寸和工作条件。
本例描述了离子交换柱中两种蛋白质的吸附。将其描述为平衡反应。首先，使用“反应工程”接口研究零维模型中的动力学。接着，使用三维模型研究离子交换柱上多孔结构内的吸附。
本例演示了多孔介质中的电渗流。该系统由烧结的多孔材料区和生成电场的两个电极组成。单元包含压力流和电渗驱动的流。
包含吸附-反应-解吸这几个步骤的表面反应常发生在光催化和生物传感器这样的应用中。这个 App 模拟了生物传感器内的流体单元池，其中包含一个微柱阵列，用于吸附水溶液中的抗原。在这个生物传感器中通过化学发光可以检测到一个与面覆盖率成比例的信号。这个 App 可供用户更改传感器的设计参数。可以修改输入参数，例如柱直径、阵列间隔和入口流速等，并观察它们如何影响检测的结果。
一种研究含催化剂的一维填充床反应器模型中耦合宏观物质和微观物质平衡的方法是使用多个几何。本模型需要两个几何，分别用于宏观和微观系统，计算沿填充床反应器以及催化颗粒内的反应物质浓度分布。}