1、分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文 (设计 ) 题目 分形 多孔介质 渗流 特性研究 进展 系 别 物理与机电工程学院 专 业 名 称 物 理 学 年 级 10 级 学 生 姓 名 罗清玉 学 号 1050710017 指 导 教 师 王 世 芳 二一 四 年 四 月湖北第二师范学院 毕业 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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
2、论文作者签名： 日期： 年 月 日 文献综述 一、多孔介质 多孔介质又叫多孔材料，是指多孔固体骨架构成的孔隙空间中充满单相或多相介质 1 。 在多孔介质的传热与流动分析研究过程中，经常需要区别单相系统和多相系统。所谓单相系统是指多 孔介质的孔隙全部被一种单一流体（例如水或空气）或几种完全相溶的流体所占据（例如淡水和盐水）的系统；多相系统则是指两种或更多的互不相溶的流体所占据多孔介质的孔隙空间的系统。多孔介质在科学研究和生活中的应用非常广泛，尤其在相变传热传质耦合 2 、气体混合燃烧4,3 、三维重构 5 以及液体燃烧 6 等方面应用比较广泛。 多孔介质传热传质过程涉及工农业生产 和人类社会生活
3、的诸多领域，尤其内部 渗流 过程的模型的建立与实验模拟一直是当今多孔介质传递研究的重点和热点。然而，由于多孔介质内部结构的复杂性，难以建立能够较好地描述多孔介质内部传递过程的模型。基于“连续介质假设”建立的相关理论和模型在发展上受到制约，而规则化的孔道网络模型也并不能真实反映多孔介质复杂孔隙结构。分形理论的引入为多孔介质传递过程提供了新的研究思路与方法，目前这一领域的研究还处于起步阶段 5 。 二、分形理论 分形 (Fractal)这个词，是由 B.B.Mandelbrot 提出来的 6 。其意思是：“不规则、支离破碎”。分形几何学是一门以非规则几何形状为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然
4、界中是普遍存在的。因此分形几何又称为描述大自然的几何学。与传统的几何学相比，分形几何有具有以下特点 7 ： 1)不规则性。即从整体上看，分形图形处处不规则的。 2)自相似性。即在不同尺度上，分形图形具有自相似性。所谓自相似性是指局部与整体具有相似的性质。 雪花是自然界中常见的一个现象。其局部细节 是不规则的，其轮廓是六角形的。当然，这只是描述性的。这就象什么叫点，什么叫直线一样，都没有严格的定义。雪花图形的这种特点与分形图形特性的高度一致性，使得我们可以利用雪花图形来绘制分形理论的思想，如图一所示。 图一 雪花图 对于分形的定义， Mandelbrot 是这样表达的：分形就是指由各个部分组成的
5、形态，每个部分以某种方式与整体相似，它具有自相似性和标度不变性 7 。所谓的自相似性是指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看是相似的。所谓的标度不变性是指在 分形上任选一局部区域，把它进行放大，这时得到的放大图又会显示出原图的形态特征 6 。分形最初是为了很好地解决“海岸线长度的问题”而提出的，分形概念正是由于解决了这个难题而步入科学的殿堂的。但是目前分形仍没有一个确切的定义。 Mandelbrot 只是给出了一个试验性的定义，不是很严格 ， 也无操作性。分形自创立以来还没有一个严格的数学定义，所以我们无法判断某一事物是否具有分形特征 ， 但是我们可以通过分形的特点来判断其是否属
6、于分形的范畴，一般来说分形具有以下特点 107 ： 具有精细结构，也就是说在任意小的尺度下它总是有复杂的结构； 具有不规则性，它的整体与局部不能用传统的几何语言来描述； 具有自相似形式，这种自相似性可以是近似的或统计意义的； 一般地，分形图形在某种意义下的维数大于其拓扑维数； 在大多数情况下，分形图形可以迭代产生。 三、总述 土壤是一类最典型的多孔介质。自有文明以来，人们就注意到土壤及其灌溉与农作物生长之间的联系。土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程，地下岩层中石油、天然气和地下水的开采 ,地热资源的开发以及利用土壤岩层的蓄热蓄冷过程都涉及到多孔介质中能量与物质的传输过程；动植物中养分的
7、 渗流 过程，如植物根、茎、叶中水分和养分的传递过程、动物机体内的新陈代谢也都发生在多孔介质之中；与人民生活密切相关的农副产品、食品、木材和纺织品的干燥 ,建筑物的隔热保温材料是典型的多孔介质热质迁移过程；现代铸造技术、燃烧技术、冶炼技术、催化反应技术和纺织、造纸技术的发展等等，都与多孔介质传热传质过程紧密相联。因此研究多孔介质传热传质对于改造自然、造福人类具有重要的意义。从学科发展的角度看，多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新兴技术领域 ,包括能源、材料、环境科学、化学工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程 ,是形成交又和边缘学科的一个潜在生长点 .因此多孔介质传递的研究 ,是一项具有重
8、大学术价值、对学科发展具有重要影响的工作 ,已成为当前国际工程热物理和地球 、环境科学最活跃的前沿研究领域之一 1311 。 在实际工程设计和理论计算时，例如在连续性方程、动量方程和能量方程求解时，常把多孔介质看作为连续介质，方程中的物性参数 (即 渗流 性质参数 )的选用，往往采用经验公式，这势必造成误差。因为即便在相同的孔隙率下，各种多孔介质的微结构不同，因而造成物性参数的很大差异。所以，对于多孔介质的 渗流 性质的研究，不仅有其理论价值，而且有着直接的应用价值。正因为如此长期以来国内外许多研究者对于多孔介质 渗流 性质参数的研究投入了大量的资金和精力。本文 主要讨论多孔介质的渗透率、热导
9、率和热弥散系数。关于质量 渗流 系数 (即传质系数 )不在本文的讨论范围内。由于多孔介质的结构非常复杂，例如空隙的界面和大小各异 ,迄今尚未有有效的方法将其精确地表示。 多孔介质领域里的基础理论如 渗流 性质的研究占有十分重要的位置，已有半个多世纪的研究历史 .但大部分的研究都放在实验研究和数值模拟研究方面。由于多孔介质的结构十分复杂，具有随机性、无序性，这就使 渗流 性质的分析解工作进展十分缓慢。自分形理论诞生以来，人们开始将分形理论用于描述多孔介质里的 渗流 问题 .如围绕石油开采问题 ,研究多孔介 质里两流体豁性指进问题 12 .也有围绕热管传热 ,研究热管壁面材料的 渗流 性质问题如渗
10、透率、热导率和热弥散系数问题 .还有围绕纤维复合材料的注模 (molding)问题 ,由于纤维织物也是多孔介质 ,所以人们自然想起用分形理论和方法来研究注模过程中的 渗流 性质问题 .所以很自然分形理论和方法首先在石油开采、注模过程、以及热管壁面多孔材料等 渗流 性质方面取得初步成果 . 关于三相多孔介质里的 渗流 性质，目前主要依靠数值研究和实验，没有见到有分析解的报道。由于三相多孔介质 ， 如土壤往往呈气一固 一液状态。这里关键问题是分形维度数如何表达或测量。一旦三相多孔介质分形维度数如何表达或测量的问题得到解决 ， 那么三相多孔介质的 渗流 性质如渗透率、热导率的分形模型就不难得以解决
11、.所以三相多孔介质的分形维度数的表达或测量 ,三相多孔介质的渗透率、热导率的分形分析解 ,也都是今后值得研究的课题和方向；由于多孔介质具有分形特点 ,又具有随机性，所以把分形理论和 MonteCarlo 方法结合起来研究多孔介质的 渗流 性质是一个具有吸引力的研究课题和方向。 参考文献： 1刘晗 .外部能量源作用下多孔介质相变传热传质耦合计算 . 哈尔滨工业大学硕士 论文 ,2013； 2王恩宇 . 气体燃料在渐变型多孔介质中的预混燃烧机理研究 . 浙江大学博士论文， 2004； 3刘宏升 . 基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机的基础研究 . 大连理工大学博士论文， 2008； 4黄丰 .多孔
12、介质模 型的三维重构研究 .中国科学技术大学博士论文 ,2007； 5叶拥拥 ， 吕田 ， 梁鹏飞 等 . 基于液体燃料的多孔介质燃烧技术研究现状 .柴油机， 2014,36(1):15-20； 6黄伟亮 .雪花分形图的超级画板实现 .电脑知识与技术， 2011， 7（ 33）：8307-8314； 7萧萍 .混沌密码和 ECC 组合法在数据加密传送中的应用 J.现代计算机 ( 专业版 ),2009(2)； 8谢和平，薛秀谦 .分形应用中的数学基础与方法 .北京 :科学出版社 ,1997. 9Falconer K J.The hausdorff dimension of self-affine
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14、24（增刊）： 1-5； 14郁伯铭 . 多孔介质 渗流 性质的分形分析研究进展 . 力学进展 ,2003,33(3)：333-346； 摘 要： 多孔介质广泛存在于自然界、工程材料、生物体和地下结构中，由于其微结构的复杂性，所以在多孔 介质中的渗流问题越来越受到人们的广泛关注。本文首先对多孔介质渗流 性质 的传统实验测量、解析分析和数值模拟计算的研究进展作了扼要的评论。 然后，着重综述采用分形理论和方法研究多孔介质 渗流 特性的理论、方法和所取得的进展。最后 概括了 采用分形理论的方法来可解决多孔介质渗流 问题的应用前景 以及 采用分形理论和方法有可能解决其它尚未解决的有关多孔介质 渗流 性
15、质的若干课题和方向 。 关键词： 多孔介质 分形理论 渗流 特性 Abstract： Porous media widely exist in nature, engineering materials, biological and underground structure, microstructure. Nowadays, more and more people pay attention to transport problems in porous media. First of all, the article gives a brief review about the re
16、search progress of Seepage properties including experimental method, analytical analysis method and numerical simulation. Then, it focuses on reviewing that studying the characteristics of porous media Seepage theory, method and progress by using the fractal theory and method. At last, I summary that the fractal theory may have the potential in prediction of Seepage properties of porous media and several unresolved issues of the transport properties of porous media by using fractal theory and the method. Keywords: Porous media Fractal theory Seepage property
