分形多孔介质中气体流动与扩散的输运特性研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinScienceStudyofSomeTransportPropertiesforGasFlowandDiffusionthroughFractalPorousMediaPh.D.Candidate:QianZhengMajor:CondensedMatterPhysicsSupervisor:Prof.BomingYuHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWu

2、han,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或

3、部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要在自然界和工程应用中，多孔介质中气体流动与扩散越来越受到人们的广泛关注和重视。研究表明大部分多孔介质具有随机性、无序性和自相似性等分形特征。因此，可以采用分形几何理论来表征结构复杂的多孔系统，然后研究其中的气体输运特性。本文首先简单介绍多孔介质，并着重概述了毛细管束模型和类分形树状分叉网络模型的结构参量，接着对多孔介质中气体流动

4、与扩散的区域划分以及输运特性（如渗透率和扩散系数）的研究进展进行了综述。第二部分采用分形几何理论和方法研究了多孔介质中的气体流动问题。首先运用毛细管束模型表征多孔介质，建立了滑移流区气体滑移因子的理论模型，并分析了气体滑移因子随绝对（液体）渗透率以及多孔介质的结构参数的变化情况。接着用类分形树状网络模拟裂缝网络，用毛细管束模型描述基质介质，推导了构建的双重多孔介质中气体流动的渗透率的理论模型。本模型预测结果与实验和数值模拟数据均吻合得较好，且气体渗透率被表示成多孔介质结构参数的函数，模型中没有经验常数。因此，所提出的模型比经验模型可以揭示更多的物理机制。最后，本工作还建立了非等温情况

5、下接触面间的多孔区域中的气体泄漏率模型，该模型不仅与结构参数有关，而且与温度有关。本模型可以用于研究底座具有微孔的密闭容器的气体泄漏预测。第三部分采用分形几何理论和方法研究了多孔介质中的气体扩散问题。如果多孔介质中的孔道之间无连接或连接性很弱，我们采用毛细管束模型表征多孔介质。如果多孔介质中孔道彼此相互连接，我们采用基质多孔介质嵌入类分形树状分叉网络来表征多孔介质。因此，本文分别推导了两种不同介质（即毛细管束模型和基质介质嵌入树状网络模型）中气体扩散系数的理论模型。理论模型预测与已有实验数据符合较好。此外，我们还分析了多孔介质的参量对气体扩散系数的影响。第四章采用测试粒子蒙特卡罗方法

6、模拟了复杂管道（单根孔喉管道和变角度胳膊肘管道）中的气体透射概率。本工作首先建立了管道的几何模型，然后分析了管道的结构参数对气体分子透射概率的影响。I华中科技大学博士学位论文本文最后总结了论文的主要研究内容和创新点，并对多孔介质中气体的输运特性的研究工作进行了展望。关键词：多孔介质，分形，气体流动与扩散，渗透率，扩散系数，透射概率II华中科技大学博士学位论文AbstractInnatureandengineeringapplications,gasflowanddiffusionthroughporousmediahavereceivedmoreandmoreextensiveatt

7、ention.Ithasbeenshownthatmostofporousmediahavefractalcharacters,suchasrandom,disordered,self-similarproperties.Sowecanemploythefractalgeometrytheorytocharacterizecomplexporoussystems,andthenstudygastransportproperties.Atfirst,this