论文摘要
岩土介质导热系数是表征其热传导能力的基本物性参数,该参数的准确与否直接影响到能源与环境领域诸多岩土传热传质有关现象、作用和灾害产生机理等基础研究工作的精度和准确性。但是,由于岩土介质的复杂性,针对其导热系数确定技术与方法的研究相对于岩土传热传质及多物理场耦合模型研究的热度而言,存在明显的滞后。有鉴于此,本文采用理论建模、室内实验和数值模拟三种方法,聚焦岩土介质多组分-多孔结构特征,对其导热系数预测模型进行了系统研究。首先,以复合材料有效特性研究基本混合理论模型为基础,分析了适用于多组分岩土介质导热系数预测基本混合理论模型的精度、应用范围及其一般性变化规律。针对基本混合理论模型统一表达式不能够有效退化为串联模型的问题进行了修正与退化过程分析,以此为基础建立了岩土介质导热系数预测组合结构模型。结果表明,基于基本混合理论模型的算术平均组合结构模型预测导热系数精度最优,是目前已有文献对该类组合结构模型研究与应用较多的主要原因。其次,以多尺度研究的均质化思想为基础,聚焦颗粒几何形状特征,补充和改进了多组分-多孔岩土介质导热系数预测圆柱形单元结构模型。结果表明,与原模型相比,改进型模型提高了与实验测试结果的吻合度（与实验结果的差异性比值由1.58降至1.27）;补充型模型则与原模型组成了完整的孔隙率覆盖[0,1]全范围。进一步通过土水特征曲线类比,提出了统一性岩土介质土-水-导热系数特征曲线及其演化概念模型,揭示了不同组分-结构岩土介质导热系数随饱和度增加呈现出的“凸形”与“凹形”增长关系,可统一表征岩土材料导热系数与饱和度关系曲线。再次,引入分形几何理论描述岩土介质孔隙结构,给出了通过孔径尺寸分布确定表征单元体（REV）尺度的近似判据,即岩土介质可以近似选择其内部最大孔径5倍的立方体单元作为相关研究的REV。结合土科学中的毛细管模型,考虑孔隙尺度对空气导热系数影响-即克努森效应,建立了多组分-多孔岩土介质导热系数预测分形-毛细管理论模型,沟通了岩土介质组分、微细观结构与宏观导热系数间的关联,提供了一种不同于以传统欧式几何为基础的分析方法和途径。最后,采用SEM和CT技术对典型岩土试样表面与内部微观结构进行了表征与可视化分析,以CT图像三维重构模型为基础,开展了一维稳态导热有限元模拟,并对本文理论、实验与模拟三种不同方法获得的导热系数进行了综合对比。结果表明,组分导热系数的差异性使岩土介质复杂孔隙结构、空间分布及其各向异性影响温度场分布,导致不同相边界热流发生汇聚、发散和变向,改变了导热过程的换热量,最终引起岩土介质导热系数的变化、造成了该参数研究工作的复杂性。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 褚召祥
导师: 周国庆,王义江
关键词: 导热系数,多孔介质,混合理论,土水特征曲线,表征单元体,分形,三维重构
来源: 中国矿业大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 中国矿业大学
基金: 国家高等学校创新引智计划(111 计划):(B14021),国家自然科学基金面上项目:(41772338,51876218),江苏省研究生科研创新计划项目:(KYCX17_1527)
分类号: TU43
总页数: 184
文件大小: 13869K
下载量: 390