粗糙微通道输运特性及其在多孔介质中的应用

作     者：柳海成 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐鹏;陈锋

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：粗糙微通道 分形 输运 多孔介质 渗透率 

摘      要：微流控技术广泛应用于微电子机械系统和光电材料等领域,而粗糙微通道的输运特性对于微流控技术的发展至关重要。不仅如此,粗糙微通道的输运特性对于多孔介质的物理性质也具有重要的影响。因此,研究粗糙微通道的输运特性和物理机理对于光电材料、多孔材料、微机电系统以及微流控技术等领域具有重要的科学和实践意义。影响粗糙微通道输运特性的因素众多且机理非常复杂,其中粗糙表面引起的表面效应对于输运特性起主导作用。多项研究表明,粗糙表面在一定尺度范围内满足分形标度定律。因此,本文采用分形几何理论表征粗糙表面的结构特征,结合理论分析和数值模拟研究了粗糙微通道的输运特性及机理,并讨论了粗糙微通道在微纳尺度多孔介质中的应用。本文主要研究内容和结果包括:(1)粗糙微通道的流动特性:分别采用规则粗糙元模型和分形粗糙元模型构建了粗糙微通道的几何结构,研究了入口速度、表面粗糙度、粗糙元形状以及粗糙表面分形维数对于微通道流动特性的影响规律和机理,建立了泊肃叶数和粗糙度、雷诺数以及分形维数的定量关联。结果表明,数值计算结果和实验数据较为吻合,粗糙元结构和表面粗糙度对于微通道的输运特性具有显著影响;相同表面粗糙度条件下,分形维数越大,粗糙表面越不规则,流动阻力越大,泊肃叶数越大。(2)多孔介质粗糙微通道:建立了多孔介质的分形毛管束模型,考虑了微通道的粗糙表面,推导了多孔介质的有效渗透率,数值模拟了分形粗糙微通道的渗流规律。结果显示,孔径分形维数的增加意味着多孔介质孔隙率的增大,多孔介质的渗透率增加;粗糙表面分形维数的增加导致流动阻力增加,微纳尺度多孔介质的渗透率降低。(3)裂缝型多孔介质微通道:建立了裂缝型多孔介质的分形双重介质模型,考虑了微裂缝的粗糙表面,得到了裂缝型多孔介质渗透率和裂缝份数标度关系。计算结果表明,裂缝孔径分形维数的增加和长度分形维数的减小可以提高介质的渗透率,粗糙表面对于微裂缝的输运过程具有重要影响,其渗透率随着表面粗糙度的增加而显著降低。本文的研究对理解粗糙微通道的输运机理和多孔介质渗流规律具有重要的科学意义,有利于进一步推动光电材料、多孔材料、微机电系统、微流控技术、微通道冷却、燃料电池以及非常规油气资源等领域的发展。