粗糙微通道分形树状分叉网络的输运性质研究

分形树状分叉网络广泛存在于自然界和许多应用领域如地下油气藏裂缝、地下水资源裂缝、植物的营养和水分输送系统、人与动物血管网络、肿瘤生长网络以及微电子器件冷却通道等。所以，近年来关于分形树状分叉网络的输运性质研究是科学和应用领域的前沿和热点课题。本项目拟采用分形理论、蒙特卡罗方法和CFD计算方法相结合，对分形树状分叉网络的微结构对输运特性的影响机理进行研究，具体包括：分析和探讨单管微通道中粗糙度对阻力系数、压降等特性的影响机理；运用分形理论和优化模型构造出比较符合实际应用的内壁面粗糙的分形树状分叉网络；研究这类网络微结构参数对其输运性质的影响规律；研究网络阻塞对网络整体传输特性的影响机理；进而探索如何改善网络结构参数以优化网络性能的技术途径等。通过本项目的研究，提出一套比较完整的描述和研究粗糙分形树状分叉网络输运性质的理论、方法和模型，同时也为这类网络的优化设计等应用领域提供一定的理论依据。

多孔介质，特别是树状分叉网络中流体的输运现象普遍存在于自然界和科学与工程技术领域。本项目基于分形理论，研究了分形多孔介质的微结构对输运特性的影响机理，主要开展了如下工作：. 1.研究了单管粗糙微通道输运性质，发现其层流流动的泊肃叶数和摩擦因子是相对粗糙度的解析函数且与分形维数和微通道结构参数有关，结果表明相对粗糙度对不可压缩流体的层流流动阻力有显著影响且Po值随相对粗糙度的增大而增大、而在低雷诺数时与Re无关。. 2.研究了粗糙毛细管束型多孔介质渗透率，它是一个相对粗糙度、迂曲度分形维数、毛细管大小分形维数、表面粗糙度分形维数和微结构参数的函数。结果表明，粗糙毛细管与光滑毛细管的渗透率比是相对粗糙度的函数且遵循四次幂律，这说明粗糙毛细管多孔介质的渗透率将随着相对粗糙度的增加而急剧减小。. 3.研究了考虑壁面效应的多孔介质输运特性，推导出考虑壁面效应的多孔介质渗透率分形模型和多孔介质中幂律流体的归一化平均质量通量和压降的解析表达式。. 4.提出了一个生物组织有效热导率的解析模型，它是固体组织基体和血液的热导率、分叉血管网络结构参数、孔隙率和血液特性的函数。结果表明，分叉血管网络几何结构和血流流动对有效热导率有着重要影响。. 5.研究了仿蜂巢分形网络模型特性，通过构建仿蜂巢分形网络模型(BCFM)来模拟植物的叶脉结构，得到了BCFM网络的一系列特性参数并研究了叶脉受损后树叶的工作机理。. 6.研究了点到线型粗糙微通道树状分形分叉网络输运特性。结果表明，粗糙元有效平均高度随粗糙元分形维数直径比的增加而增加、随分叉级数的增加而减小，且与光滑通道相比粗糙微通道树状分形分叉网络中的总压降将增加、渗透率将降低。. 7.建立了受阻树状分叉网络有效热导率的解析模型，研究了阻塞对树状分形分叉网络热传导特性的影响。发现树状分叉网络受阻后变为非对称网络，受阻数目、级数对网络的有效热导率和优化直径比均有显著影响。. 在本项目研究过程中，我们从单管微通道、毛细管束型多孔介质到分形网络多孔介质逐步研究在项目设想中提出的粗糙微通道类分形树状分叉网络结构特征及其渗流特性，我们的大部分模拟研究结果以及由此得出的推论与目前大部分的实验研究结果比较一致，希望能够对后续的多孔介质输运性质和粗糙微通道类分形树状分叉网络的研究提供指导和帮助。