常見多孔介質(zhì)簡易重構(gòu)法

周亮 劉琰 魏朝暉

摘 要：多孔介質(zhì)在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，實(shí)物狀多孔形貌在理論研究時(shí)需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化。針對(duì)常見的隨機(jī)形、纖維絲形和圓形結(jié)構(gòu)，建立簡易的固體生長步驟，通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)出各種多孔形貌，并對(duì)不同相區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)化命名以便識(shí)別和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì);計(jì)算機(jī)重構(gòu);數(shù)據(jù)識(shí)別

1 緒論

多孔介質(zhì)指固體物質(zhì)骨架和骨架間孔隙組成的共同空間，如巖石、土壤、植物組織、毛細(xì)血管等。不同的固體骨架形狀使孔隙呈現(xiàn)不同的形貌，眾多的孔隙使多孔介質(zhì)有非常大的比表面積。當(dāng)氣體或者液體流經(jīng)相互連通或部分連通的孔隙時(shí)，形成多孔介質(zhì)滲流。孔隙結(jié)構(gòu)形貌直接影響滲流的特性，本文選擇常見的隨機(jī)形、纖維絲形和圓形多孔結(jié)構(gòu)（見圖1），采用計(jì)算機(jī)重構(gòu)多孔形貌，實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)果的數(shù)據(jù)信息化。

2 重構(gòu)方法與結(jié)果

隨機(jī)形多孔介質(zhì)采用四參數(shù)法[1]生成。四參數(shù)分別指生長方向、生長核分布概率、生長概率和生長相份額。二維多孔體需要8個(gè)生長方向，三維則需要26個(gè)生長方向。在初始化構(gòu)造空間之前，以固體相作為生長相，按照給定的生長核分布概率和生長概率隨機(jī)累積不同方向的顆粒層，以固體份額作為結(jié)束判定標(biāo)準(zhǔn)，生成特定孔隙率的隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)。

纖維絲隨機(jī)結(jié)構(gòu)由眾多獨(dú)立的固體圓柱組成。空間中隨機(jī)選擇兩個(gè)點(diǎn)并確定一條直線，對(duì)于二維或三維空間，某點(diǎn)到軸線的距離小于纖維絲規(guī)定的半徑，則設(shè)置為固體相;逐漸生成眾多圓柱體直至到達(dá)規(guī)定的孔隙率。此外，通過控制隨機(jī)直線的方位角可實(shí)現(xiàn)纖維絲的方向均勻程度。

隨機(jī)圓形顆粒體以眾多圓形或球體組成。根據(jù)給定生長核分布概率隨機(jī)確定圓心或球心的位置，對(duì)不同圓（球）心按照隨機(jī)的生長概率生長一層圓面或球面，直至到達(dá)規(guī)定的孔隙率。此外，通過控制不同圓形或球體是否發(fā)生重疊，可實(shí)現(xiàn)彈性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)。

對(duì)上述多孔結(jié)構(gòu)的相區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)化設(shè)置，將固體相設(shè)為“1”，孔隙相設(shè)為“0”，輸出多孔介質(zhì)數(shù)據(jù)文件并用Tecplot后處理進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖像化，如圖1至圖3所示。

3 結(jié)論

針對(duì)常見的隨機(jī)形、纖維絲形及圓形多孔介質(zhì)，采用計(jì)算機(jī)簡易程序按照不同的生長步驟，重構(gòu)出各多孔結(jié)構(gòu)的二維形貌和三維形貌體。可通過調(diào)整生長核分布概率、生長概率控制隨機(jī)特性，通過孔隙率、纖維絲直徑、方位角、圓半徑等參數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wang M，Wang J，Pan N，et al.Mesoscopic predictions of the effective thermal conductivity for microscale random porous media[J].Physical Review E，2007，75（3）：036702.

基金項(xiàng)目：西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目“新型脂肪酸/碳納米管相變復(fù)合材料在蓄能換熱器中的熱物性測試及強(qiáng)化傳熱研究”，項(xiàng)目編號(hào)：201805032YD10CG16（6）

作者簡介：周亮（1988-），女，漢族，陜西西安人，講師，研究方向：多孔介質(zhì)輸運(yùn)。