在捕捉流体动力学模型的气体渗透系数各向异性材料

文摘

气体流的水动力的结果通过各种类型的多孔材料的煤炭。关于流体力学的研究集中在评估等材料的渗透率产生的气体流动压降。它允许确定渗透系数和压降系数,。由于各向异性结构的碳化器考试进行的流动方向,即方向性渗透率,由于三维取向为每个样品材料。测量结果表明强类型的调查材料,多样化的水动力参数和测试结果的比较会导致结论的主要原因这是明显的各向异性结构的碳化器。为了获得更广泛的描述微观结构工艺条件的水动力气体流经多孔材料的结果,试图用数值方法来评估这个过程。数值模拟表明气体流量的概念通过多孔巩膜的曲折的结构和作用,共同形成多孔结构具有特定几何——一个基本单元构成的多孔layer-bed。

关键字

水动力、各向异性多孔材料、煤炭—生物膜,Cfd

介绍

对多孔介质结构的气体流动发生在许多过程。它通常是与过滤过程的现象以及迁移过程的气体在多孔吸附剂的结构。这些问题我们也遇到技术操作与煤的热过程有关。这尤其适用于不同种类的气体流量char-coal,可口可乐和活跃的碳结构的类型。在这些情况下,识别流的结构和条件类似的多孔材料需要重大的问题。他们与流体动力学的描述的大麻烦,一起评估气体通过多孔材料的流动机制多元化配置的内部结构。了解这些机制允许评估过程的流体动力学条件陪气体流经多孔材料,因此,详细描述和建模这些条件。

流经多孔通道的尺寸毫米或更少,水动力现象是占主导地位的界面物理化学现象发生。这些后者的重要在流经毛细管的尺寸很小的结构——零点几微米的顺序。流体通过多孔介质的典型示范方案了图1。

这种材料被等的数量表示孔隙度ε,其流动结构取决于尺寸(直径)的微通道dε和形状——流Lε的长途。结果,在蜿蜒的墙壁周围流动压降,将不同于这一个光滑连续流动的通道。文献表明,在这些情况下测量的减损(足够的值)可以计算阻力系数,结果从水动力学流(1,2]。关于char-coal多孔材料考虑自己的工作,流体力学结果的额外的复杂性也从事实上,char-coal的骨骼结构和紧握的,期间不能放松,不能上升的压力。

因此,在这种情况下,流现象非常显著依赖于多孔材料的内部结构,包括毛细管通道的分解和力量和机制迫使气流-详细描述其他的工作3]。

本研究评估选定的标准气体流的流体动力学相关的形式通过多孔材料煤炭具有不同特点的孔隙度。提出了对测量的结果磁导率这样的材料和压降流单元。使用数值流式微通道压力变化特征描述建模方法为这些类型的多孔材料。

实验调查

包括许多不同类型的coal-chars实验调查。所有由气化来处理(部分或全部)无烟煤的真实流体动力学评估气流通过此类材料的定量评价是——不明的样本(图2)和独特的形状一个立方体的形式定义的(图2 b)。在这两种情况下,一个独立的评估烧焦的物理特性分析的主题。

实验研究的评价多孔材料的渗透性进行了在冒泡,和各种工厂的碳识字课。

这些研究在实验室进行了设置基本元素是一个船用来通过一个多孔样品评估曝气的现象。实验站配有转子流量计测量天然气流量和压降的压力表的评估。与曝气过程相关的参考压力确定减速器的一个(0.1÷0.4 MPa)。供给样品和他们的典型的视图所示图3。

研究的范围包括测定煤炭的表观密度和总孔隙度,渗透率,估计在这个基地-渗透系数的任命。三个不同的样本char-coal检查。在每种情况下有冒泡的观察。冒泡的技术应用与评估曝气的面积的多孔材料。

测试结果及其分析

从定量的角度等参数的实验研究包括一个评价:ρo表观密度,孔隙率ε,渗透率和等效阻力系数ξz流动。对渗透率的测量气体的体积通量产生的压差ΔP迫使流被接受。表观密度的char-coal测量全身样品的体积和质量被任命为。

渗透率的测量结果描述并给出了字符样本进行了检测图4一。指的是整体压降ΔP测量气体流速V流经char-coal大曝气的压力越高时,即参考冒泡的压力。这是兼容流的物理现象。另一方面,烧焦的渗透率,在给定的压力值,有时显示不同的特征,因为它是张样本之间发生,我2和我。对比较图4 b多维数据集的渗透率收回固体char-coal。此外,基于相同的数据(图4 b)立方体渗透流的各向同性固体聚酰胺样品(相同的维度)也补充道。char调查结果显示出强烈的多样化的气体流速相对于流动方向。这说明高各向异性形式的这种类型的材料。这种现象没有被观察到的各向同性聚酰胺材料,什么是符合的物理现象。

根据Szczełkaczew [4),多孔材料的渗透系数可以计算,如连续层流液体通过管道,即。

(1.1)

地点:u -视速度,m / s;η——流体粘度、Pa·s;重力加速度g - m / s²;ρ-气体密度,公斤/米³。

作者以这种方式指向雷诺兹数的临界值:

(1.2)

值得注意的是,通过管道层流液体之间,线性流动的液体通过多孔材料部分相似的发生。在其他的流量并拖动流之间的线性关系。无论如何,气体通过多孔材料的流动可以强烈依赖动荡不安的流。

这个事实,渗透率系数描述Forchheimer [5,6)考虑流体力学现象引起的过渡和湍流,如下

(2.1)

(2.2)

地点:L -流路径长度描述多孔坏高度,m。

参数β在这种情况下表明偏离达西线性关系,造成的额外的动力学效应。然而,这参数不是先天的,必须确定实验。

确定性识别,指定方法的渗透系数也表明对多孔材料的特性,包括其几何量。他原则上取决于几何尺寸。在此基础上Dullien [7),根据Carmana-Kozeny水力半径的理论,使得描述渗透率引入固体颗粒的有效直径及其孔隙率ε。根据这一渗透系数:

(3)

Slichter [8)也提供了一个描述粒子之间的渗透系数分析流的路径相同的直径和横截面的自由从他们(孔隙体积在这个路径),即:

(4)

一个有趣的方法来确定渗透系数所描述的是美国和材料试验学会(ASTM) [9)——在这种方法中,描述的特征是渗透系数与相对环境压力罐压降ΔP,根据relastionship:

(5)

地点:V -体积流率,m³/ s;F -横截面积,m²。

还应该指出的是,基于多孔材料的过滤过程中渗透系数KD,压力梯度因子值结果ΔP滤饼层,根据达西低[10],如下:

(6)

方程(6)表明,多孔材料的强度的液体渗透率影响的几何参数,流体的类型和属性。没有意义的多孔材料的形状和大小。重要的是指的是流动的气体通过颗粒床达西定律只适用于层流。

这些方法的分析表明,渗透系数的评价依据是相对渗透率的压降(体积通量)的多孔存款。考虑到自己的调查结果和考虑实验室的可能性评估测试,连接压降方程Pexp对于一个给定的体积通量V。通过定义渗透系数KW-W是:

(7)

计算的结果考虑转换提出了渗透系数根据以上方法图5。实验分了三个区域的分布,评估系数特征。

第一个表示气体粘度的主导地位,导致渗透率值减少测量压力的增加。第二区域的磁导率是恒定的,不管流动阻力。相比之下,在第三区域变化的结果表明,该趋势的渗透性测试字符在上升,增加压力。这些结果也证实了与其他多孔结构。

总之这种趋势变化的各向异性的渗透系数结果char-coal的安排。

相比之下,在图6计算结果给出了根据ASTM的方法(9),放在一起的char-coal选择存款硬沥青煤在世界的规模。这些结果指出很强的捆绑在一起的结构char-coal从气体渗透性。此外它证明了关于不同的这组材料的各向异性多孔。

考虑性能的各向异性材料多孔造成的他,图7给所谓的价值观有关计算描述边界渗透性char-coal关于KW-W渗透系数——也在比较其他作者的方法。

对于给定结构的多孔材料,这个值是指向存款的介质渗透率的假设整个空间带来他的孔隙度是活跃的气体流动(中等孔隙度的存款)。他安排的实验结果指出,研究的结果足够关联这个相互依存在程序的各个方面。

实验的结果可以确定等效阻力系数ξz流动。类比的局部压降,这个系数是与测量压降ΔPexp,结果平均气体渗透率和天然气供应速度w通道d = 6毫米内径。因此:

(8)

对结果应该指向这个系数的变化趋势,其值是符合预期的,即其值随雷诺数增加而减小再保险。

反过来,ξε系数计算出无形char的高值,计算的结果与提供入口通道的横截面多孔材料的样本(图3)。然而,对于常规的形状char-coal(多维数据集样本)气体的渗透流的测量产生的总压差,诱因。

实验结果表明强烈分化研究水动力参数的材料。比较的结果导致结论的主要原因可能在于char-coal的各向异性结构。这有一个明确的对这种材料的平均渗透率的影响。这是实验结果证实了所示图4 b和8。

数值评估

他们做一个详细的分析,研究了多孔材料的物理结构基于片段的样本karbonizatu的扫描图像。这个分析随机识别是杰出的领域,使用专业软件除了对象图像分析(Iris - MediCom Wrocław)。例如,图9领域的图像的选择片段大小的标记每个microcanal和缺口出现在显示。应用项目图形工具,可以在这个基地任命的总结表面毛孔,最后中在给定部分孔隙度和平均孔隙直径。

物理数据相比,这样的多孔材料是用于数值分析。他们影响合适的装配尺寸测量实验,对所需要的物理特性计算程序除了[15]。它允许同时选择计算模型。

为了获得更好的查看和微观结构流体动力学的描述气体流经多孔结构试图用于数值计算的目的。这个分析是由使用有限体积方法,使用流利的ANSYS包有限公司所需的假设的分析包括尤其需要确定形状等几何参数,长度和横截面直径管道及其渠道流。

开发了空间模型,图10——检查对象对应于一个立方体的尺寸样品边缘的20毫米直径123微米,计算每个微通道。为此,巩膜的数量的计算产生的气体流量的有效孔隙度相对于所使用的样本。也认为网状网络的几何对应的随机结构多孔材料,类似于不对称气流通过微细血管的管道配置简单,弯曲和曲折的。

成这样,多孔的几何空间对于孤立于自己和构成一个互联系统,一样的真正的多孔材料。同样的标准应用于描述所示压力场的计算图11——安排式微通道压力的计算结果,作为研究多孔材料的特性。

发达的方法创建网络几何式微通道显示的可能性进一步程序计算,根据适当的数值方法的评价气体流经多孔材料的流体动力学。这可能是一个重大贡献的验证测试结果在真正的多孔沉积物。

结论

根据文献,发现有必要研究评估的定性和定量特征与各向异性多孔材料内部结构。的定量分析指出确定透气性的方法在多孔系统,给出了一个解释气体流的流体动力学的多孔性和毛细结构。流体动力学研究的关系,一方面,评估气体的条件下泡沫通过无形char和其他相关的气体流量char的基本单位。这些研究能对水动力参数如多孔材料的渗透性和由此产生的等效阻力系数。此外,综合调查结果导致结论char-coal材料我们有非常高的各向异性结构对流体流动。为了获得更广泛的描述微观结构工艺条件等气体流过的水动力结果材料,使用数值方法来评估这个过程也是未遂。计算结果证实了方法的正确性,并允许评估气体流过的流体动力学char-coal的多孔材料,在一个广泛的工艺参数。

气体流的水动力结果通过与骨架结构的多孔床过程中在很多情况下可以使用计算流体力学的气体流经多孔床,特别是页岩矿石的生物燃料的背景下16由产甲烷微生物[],生物膜的形成17),保留在地下生物转化的过程中选择的微生物菌株时最大的沼气产量(18]。

确认

框架的工作由国家资助的一个项目研发中心实施程序BIOSTRATEG,合同编号。BIOSTRATEG1/269056/5 / NCBR / 2015 z 11.08.2015 r。

引用

1. 拉姆WT和惠特曼房车。力学的土地。华沙,阿卡迪出版社1978;1,2:317 - 319。
2. Szmigielski t .过滤能力砂形式在流体力学的过程中,第九铸造技术会议。会议材料。克拉科夫:世青节。哎呀43-52 2006;
3. Wałowski G, et al .流体力学的气体流在多孔carbonisate结构在煤炭地下气化技术方面,年轻人对科技,化学与化学技术选择研究问题,华沙理工大学,Płock,专著2013章,253 - 269。
4. Pisarczyk s力学的土地。问题4,华沙华沙理工大学出版社,2005年。
5. Peszyńska M, et al . Forchheimer法律在流经多孔介质计算和实验porescale和中尺度GAKUTO国际系列。数学科学:2010;32:463 - 482。
6. 汉森TE。在微流波罗斯岛碳化硅,硕士论文,微型和纳米技术,丹麦技术大学,2007年3月2日。
7. Dullien歧视。多孔介质:流体运输和孔隙结构,第二版。学术,圣地亚哥1992。
8. 机械sufisation Popielski p模型sufozji mechanicznej模型在有限元方法中,博士,华沙理工大学,2000年华沙。
9. 岩石渗透率测试方法标准的空气流动。名称:继续D 4525 - 90年,2001年。
10. 达西h .第戎市的公共喷泉,维克多Valmont, 1856年巴黎。
11. 裘布依j .理论和实践研究的运动水通过渗透在公开渠道和地形,1865年巴黎。
12. Polubarinova-Kochina p .水运动的理论。普林斯顿大学出版社1962。
13. 一流RS。水锥进——至关重要的石油生产速度的经验公式。Erdoel-Erdgas-Zeiuschrift 1972; 88:6-11。
14. Hagoort j .气藏工程的基础。1988年爱思唯尔。
15. Siuda t的可能性使用流利的程序在进行石油和天然气研究所工作,克拉科夫,Nafta-Gaz 2011 1:53 - 63。
16. Erust C, et al。结合德兴铜矿的二次金属资源:金属复苏的一个潜在的替代方法。生物科技J化学抛光工艺》2013;88:2115 - 2132。
17. Chudy D, et al。生物膜形成的动力学测定产甲烷微生物的矿使用荧光和暗视野显微镜,利用计算机图像分析。Acta Sci波尔生物技术2011;10 (4):17-28。
18. Stachowiak, et al .褐煤Legnica-Ścinawy地区沉积及其开发技术:Żelażniewicz, Wojewoda J, Cieżkowski W, Mezozoic Kenozoic下西里西亚省,风,Wrocław 2011; 121 - 135。