《相變多孔介質中流動與多相化學反應的相互作用》是依託東北大學，由徐曾和擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：相變多孔介質中流動與多相化學反應的相互作用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：徐曾和
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
多孔介質中的流體-固體反應和流體通過相變多孔介質的運動是溶浸法採礦等工程問題的主要過程，流體-固體反應在礦床(多孔介質)的多種尺度上發生。考慮到流體-固體反應誘發的流體、固體相變、孔隙結構變化和伴隨多相物質相間質量交換的動量、能量交換，研究多孔介質中反應、流動與傳遞交叉相互作用的機理和孔隙結構變化規律。套用混合物的連續介質理論，建立可描述有化學反應的多相物質多種過程的相互作用的場方程，還研究既能反映各相物質巨觀相互作用，又能反映細觀孔隙結構變化的具體過程的輸運項（supply terms），以便將巨觀尺度上多相物質的相互作用和細觀結構變化作為相互補充的兩個方面。研究局部熱不平衡條件下含孔隙流體的多孔介質相間熱量交換機理、傳熱機理和傳熱特性測試的理論與實驗方法。搞清流體通過多孔運動與流體-多孔固體反應體系相互作用的特性與規律。提出與經驗歸納方法不同的研究方法。
結題摘要
多孔介質中的傳遞、流動、化學反應和反應誘發的孔隙結構改變，是許多工程問題的基本過程，其中共同的課題這些過程之間相互作用的機理。考慮到氣體與固體之間的質量交換，和反應引起的氣體混合物壓縮性的改變，提出了描述多孔介質中可壓縮性流動與等溫複分解反應的相互作用的新模型。分析表明，氣體組分的摩爾質量不影響混合氣體流動，但化學計量係數對混合氣體運動有很大的影響，並顯著改變反應進程。一個考慮了氣體與固體之間的質量交換，但忽略了反應引起的氣體混合物壓縮性改變的耦合模型，相當於增加了一個氣體質量生成的源（或消失的匯），這個新增的源（或匯），對流動的影響很大。當參與反應的氣體組分的化學計量係數相同時，該模型退化為非耦合模型，而僅考慮氣體和固體之間的質量交換，但是忽略了反應誘發的氣體混合物壓縮性改變的耦合模型不會退化為非耦合模型，並可能導致物理上不真實的速度場，這表明在對耦合機製作出深入研究之前，不能想當然地認為耦合模型一定優於非耦合模型。提出了非等溫氣固反應和可壓縮流體相互作用的模型。分析表明，反應熱對氣體壓縮性和流動的影響十分明顯，對於放熱反應的穩定性，反應氣體消耗和混合氣體的熱膨脹是相互牴觸的因素，對反應穩定性的研究需要綜合考慮這兩個因素的消長。以碳酸鹽熱分解為例研究多孔介質中的流動、反應與局部熱非平衡，提出了巨觀尺度上反應、流動、傳熱和傳質相互作用的模型，建立了細觀層次上有界面化學反應，傳熱和傳質相互作用的非線性擴散模型，描述單顆粒的總包反應。關聯了細觀和巨觀兩個層次。分析表明，只要熱分解反應還在進行，相間溫差持續存在，無論這種溫差有多小。反應熱引起的混合流體熱膨脹，小馬赫數流動不是忽略氣體壓縮性的理由。對具有隨機和無序孔隙結構的多孔介質，考慮到反應誘發的孔隙結構改變，提出非線性反應擴散方程描述微元體綜合反應動理學，跳過細觀層次（比如一個顆粒），直接研究微元體反應，進行了微元體反應的實驗研究，理論預測的結果與相互獨立的實驗結果的對比表明，所提出的反應誘發孔隙結構改變的機理基本符合實際。提出描述反應、流動和孔隙結構改變的相互作用的數學模型，進行了反應流體滲流的實驗研究。理論預測的試件下游的滲流速度與實際測量十分接近，表明所提出的模型基本符合實際。對於反應流體在相變多孔介質中的滲流，只要反應還在進行，流動就不會穩定，試件中的壓力梯度和滲流速度就不再是均勻的。
