粗糙微通道分形樹狀分叉網路的輸運性質研究

《粗糙微通道分形樹狀分叉網路的輸運性質研究》是依託華中科技大學，由鄒明清擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：粗糙微通道分形樹狀分叉網路的輸運性質研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒明清
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

分形樹狀分叉網路廣泛存在於自然界和許多套用領域如地下油氣藏裂縫、地下水資源裂縫、植物的營養和水分輸送系統、人與動物血管網路、腫瘤生長網路以及微電子器件冷卻通道等。所以，近年來關於分形樹狀分叉網路的輸運性質研究是科學和套用領域的前沿和熱點課題。本項目擬採用分形理論、蒙特卡羅方法和CFD計算方法相結合，對分形樹狀分叉網路的微結構對輸運特性的影響機理進行研究，具體包括：分析和探討單管微通道中粗糙度對阻力係數、壓降等特性的影響機理；運用分形理論和最佳化模型構造出比較符合實際套用的內壁面粗糙的分形樹狀分叉網路；研究這類網路微結構參數對其輸運性質的影響規律；研究網路阻塞對網路整體傳輸特性的影響機理；進而探索如何改善網路結構參數以最佳化網路性能的技術途徑等。通過本項目的研究，提出一套比較完整的描述和研究粗糙分形樹狀分叉網路輸運性質的理論、方法和模型，同時也為這類網路的最佳化設計等套用領域提供一定的理論依據。

結題摘要

多孔介質，特別是樹狀分叉網路中流體的輸運現象普遍存在於自然界和科學與工程技術領域。本項目基於分形理論，研究了分形多孔介質的微結構對輸運特性的影響機理，主要開展了如下工作： 1.研究了單管粗糙微通道輸運性質，發現其層流流動的泊肅葉數和摩擦因子是相對粗糙度的解析函式且與分形維數和微通道結構參數有關，結果表明相對粗糙度對不可壓縮流體的層流流動阻力有顯著影響且Po值隨相對粗糙度的增大而增大、而在低雷諾數時與Re無關。 2.研究了粗糙毛細管束型多孔介質滲透率，它是一個相對粗糙度、迂曲度分形維數、毛細管大小分形維數、表面粗糙度分形維數和微結構參數的函式。結果表明，粗糙毛細管與光滑毛細管的滲透率比是相對粗糙度的函式且遵循四次冪律，這說明粗糙毛細管多孔介質的滲透率將隨著相對粗糙度的增加而急劇減小。 3.研究了考慮壁面效應的多孔介質輸運特性，推導出考慮壁面效應的多孔介質滲透率分形模型和多孔介質中冪律流體的歸一化平均質量通量和壓降的解析表達式。 4.提出了一個生物組織有效熱導率的解析模型，它是固體組織基體和血液的熱導率、分叉血管網路結構參數、孔隙率和血液特性的函式。結果表明，分叉血管網路幾何結構和血流流動對有效熱導率有著重要影響。 5.研究了仿蜂巢分形網路模型特性，通過構建仿蜂巢分形網路模型(BCFM)來模擬植物的葉脈結構，得到了BCFM網路的一系列特性參數並研究了葉脈受損後樹葉的工作機理。 6.研究了點到線型粗糙微通道樹狀分形分叉網路輸運特性。結果表明，粗糙元有效平均高度隨粗糙元分形維數直徑比的增加而增加、隨分叉級數的增加而減小，且與光滑通道相比粗糙微通道樹狀分形分叉網路中的總壓降將增加、滲透率將降低。 7.建立了受阻樹狀分叉網路有效熱導率的解析模型，研究了阻塞對樹狀分形分叉網路熱傳導特性的影響。發現樹狀分叉網路受阻後變為非對稱網路，受阻數目、級數對網路的有效熱導率和最佳化直徑比均有顯著影響。 在本項目研究過程中，我們從單管微通道、毛細管束型多孔介質到分形網路多孔介質逐步研究在項目構想中提出的粗糙微通道類分形樹狀分叉網路結構特徵及其滲流特性，我們的大部分模擬研究結果以及由此得出的推論與目前大部分的實驗研究結果比較一致，希望能夠對後續的多孔介質輸運性質和粗糙微通道類分形樹狀分叉網路的研究提供指導和幫助。