孔隙尺度的案例
儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
概述
基于圖像的建?？捎糜诜治鐾ㄟ^多孔介質的傳質現象，特別適用于儲層巖石孔隙-喉道網絡。這些分析的目的是為提高我們對流體通過可變孔隙尺度運動方式的理解和表征。
本項目使用真實結構的micro-CT圖像數據，在Simpleware軟件中進行可視化和處理，生成網格化的3D模型，然后將其導出至仿真軟件中研究化學輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結構的 micro-CT數據；
在Simpleware ScanIP中進行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結構生成高質量的多相網格；
在仿真軟件中進行孔隙尺度化學輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學院孔隙尺度模型（PERM）聯盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數據，獲得孔隙空間和微觀結構的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數據轉換為基于3D體素的幾何結構，為網格劃分做準備。由于CT掃描通常會產生噪音，此步驟的處理極其復雜。為了渲染構造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數據的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩健的CFD網格，并直接導出至 仿真軟件。
展開 AF多尺度孔隙處理軟件2D ￥96
孔隙特征
材料的孔隙特征又稱為孔隙結構，一般是指材料內部的孔隙率、孔隙大小、孔隙形狀、分布模式、數量、連通性等特征。如在巖石中，孔隙是流體的基本通道，同樣也是影響巖石力學性能的關鍵因素；在消音材料中，孔隙是能量耗散的主要因素；在混凝土中，微觀孔隙的存在是影響離子滲透進而影響耐久性能的重要原因。因此在模擬中孔隙特征的研究尤為重要。
一般的研究僅局限于孔隙率單一因素的影響，而忽視了孔隙的其他特征參數。AF多尺度孔隙處理軟件2D可在確保孔隙率不變的前提下，基于實際的孔隙圖像，進行孔隙的多尺度處理。
在工程實際中，一種材料的孔隙率參數易于測得，而材料的其他孔隙特征是難以測算的。針對這兩方面的問題，AF多尺度孔隙處理軟件2D采取指定孔隙率加材料圖片處理模式來進行生成多尺度孔隙圖片。具體而言，針對已知的孔隙率，軟件在進行孔隙處理中可保證孔隙率為定值，基本不發生改變，這樣就可控制孔隙率參數不變，研究孔隙的其他特征參數對材料性能的影響。而針對難以衡量的孔隙其他特征參數，如孔隙喉道、孔隙峰度、孔隙連通等特征，軟件采用基于圖像的處理模式，可在最大程度上保留原有的孔隙特征。對于黑白的二值圖片，軟件還提供自適應孔隙率測算功能，識別模式為白色為孔隙。
以下為處理文獻圖片的處理樣圖：
處理后的文件可進行有限元模型的建立，如COMSOL、ANSYS、Abaqus多尺度孔隙結構模型等：
說明提醒
軟件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態，注冊請聯系QQ：1135122921。
展開 COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
通過軟件將png格式的圖片轉換為DXF格式文件，也就是AutoCAD支持的文件：
下一步打開COMSOL軟件建立二維模型，導入事先準備好的dxf模型，需要注意導入選項選擇【不接合】
然后通過轉換為實體命令將圖形的外側輪廓及內部孔隙分兩步轉換為實體，這里在選擇內部孔隙時可采用全選的方式更快速的選擇。
通過布爾操作與分割中的差集做差，將孔隙部位挖空。
網格劃分等后續操作：
本教程用到的CAD文件下載：
AbyssFish.rar
隨機孔隙建模軟件：
隨機微觀孔隙2D軟件
COMSOL微觀多孔介質二維滲流模擬基于四參數隨機生長建模
這里采用AbyssFish四參數隨機生長2D軟件進行微觀多孔介質的構建，V1.1版本軟件通過優化改進的算法，可指定四參數隨機增長的分布概率、生長概率、孔隙率、以及孔隙尺寸特征等參數，并可進行同一參數不同孔隙率的動態輸出，方便對比研究。
這里生成尺寸為寬度為2.0，高度為0.5的多孔介質模型，并將其導入到COMSOL內，多孔介質的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
多孔介質中的孔隙為單聯通域，無無效幾何，如果指定的孔隙率過小，軟件生成的孔隙可能非單聯通，需要將非聯通的的幾何進行手動刪除處理。
物理場采用流體流動中的層流，左側為流體入口，右側為出口，以下為流速及壓力計算結果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數隨機生長2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
展開 
模擬多孔介質中不同的流體流動
從大規模的地質區域到納米尺度的結構，多孔材料的流動發生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經涵蓋了許多應用，但是在工業應用中，速度場和壓力梯度之間的關系不再是線性的，達西定律不能提供準確的結果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質中可能出現的不同流動狀態，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質中的流動
為了更深入地理解流經多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結構。這樣我們不僅能更深入的理解多孔材料，也有信心使用宏觀方法來模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結構，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
小型多孔塊中的流型。
這些多孔塊中包含低流速和高流速的區域，也包含根本不發生流動的區域。即使結構是不規則的，當放大另一個位置的相同多孔結構樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節內容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結構的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
展開 模擬多孔介質中不同的流體流動
從大規模的地質區域到納米尺度的結構，多孔材料的流動發生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經涵蓋了許多應用，但是在工業應用中，速度場和壓力梯度之間的關系不再是線性的，達西定律不能提供準確的結果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質中可能出現的不同流動狀態，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質中的流動
為了更深入地理解流經多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結構。這樣我們不僅能更深入的理解多孔材料，也有信心使用宏觀方法來模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結構，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
小型多孔塊中的流型。
這些多孔塊中包含低流速和高流速的區域，也包含根本不發生流動的區域。即使結構是不規則的，當放大另一個位置的相同多孔結構樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節內容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結構的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
展開 什么是真正的 3D CAD 模型（5）
1、實體切除和安裝幾何形狀
在許多設計領域，如具有多尺度孔隙結構的木材建筑或熱流道模具制造，實體切除和安裝幾何結構扮演一個重要角色。 顧名思義，實體切除就是從三維零部件模型主體中挖除一個幾何形狀。一個簡單的密封圈3D模型就可以提供很多重要的信息，比如放置它的組件的凹槽或溝槽的幾何形狀信息 。這些額外附加的信息大大支持了工程師的產品開發。 如果零部件模型沒有提供安裝幾何形狀，則必須獨立分析和確定銑削、鉆孔和凹槽，這不僅費時而且容易出錯。
為什么需要此類CAD模型信息?
加速設計，因為工程師不再需要計算和繪制實體切除部分。
包含有關配合、公差、外形結構和軸承公差等的信息。
2、噴嘴和接口信息
不僅是氣體管道和供水設備的安裝人員必須了解接口情況，以便水龍頭能正確連接并提供冷熱水供應。在設備工程中更是需要工程師在規劃管道系統時對接口等關鍵要素謹慎處理。為了簡化設備工程師的工作，可以在CAD模型中直接標識裝配信息，如接口的尺寸和材料、介質種類、流量、壓力、流向、安裝位置等等。在電器領域，連接點與電纜長度，電纜橫截面等信息也同樣為工程師的設計進程提供了強大的支持。
為什么需要此類CAD模型數據信息?
節省工程師用于研究大量補充文件及詢問制造商來獲取信息 所需的時間。
確保在設計中將密度、壓力以及流量等所有要求考慮在內。
電子產品數據中由制造商審核過的詳細的接口信息，能幫助工程師在設計復雜設備時減少可能產生的錯誤。
可以為零部件或裝配組（例如：引擎）的所有接口制作裝配尺寸列表，并在概覽中對所有必要信息進行編號。
展開 研究 \\ 一種生物啟發設計制備的保溫仿生氣凝膠
水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。多功能水泥氣凝膠具有高機械穩健性，顯著的絕熱性，輕質和阻燃性，是實際建筑應用的有前途的候選者。它的高性能使其成為建筑中具有競爭力的水泥替代品，并擴大了其在結構施工中的應用。研究成果以“Bioinspired Super Thermal Insulating, Strong and Low Carbon Cement Aerogel for Building Envelope ”為題發表于《Advanced Science》。
03
圖文導讀
圖1.仿生水泥氣凝膠。
圖2.水泥氣凝膠的設計與微觀結構。
圖3.水泥氣凝膠的力學性能。
圖4.水泥氣凝膠的耐熱性和阻燃性。
END
★ 平臺聲明
部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！
展開 淵魚系列軟件合集（持續更新）
2D軟件 https://www.yqgqt.org.cn/post/1889789
QSGS四參數隨機生長2D軟件 V1.0 https://www.yqgqt.org.cn/post/1899254
V1.1 V1.2 https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
AF多尺度孔隙處理軟件2D https://www.yqgqt.org.cn/post/1900309
AbyssFish單連通周期邊界多孔結構2D軟件 https://www.yqgqt.org.cn/post/1946991
AbyssFish 淵魚 更新日期
2024/11/07
展開 案例 | 利用Digimat快速評估聚合物炸藥的材料性能
主要亮點
應用產品：Digimat-FE
行業：軍工領域
具體應用：快速評估材料性能
挑戰
TATB基PBX內部包含著大量不規則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對TATB基PBX力學性能的影響規律，對認識炸藥的承載能力和結構失效機制均具有重要意義。由于孔隙結構形態復雜且無序分布，再加上目前實驗手段的限制，難以從實驗上建立孔隙與PBX宏觀力學性能的定量關系。以材料微觀結構為基礎的熱力學數值預測模型，用代表體積元法（Representative
Volume
Element，RVE）可有效解決這個問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對材料特性進行設定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項的設定，和氣泡作為夾雜相的設定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分數設定為70%，孔隙度設定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結劑，可以從生成的下表中看出實際生成的TATB體積分數為0.692509，空穴的體積分數為0.0500096，與設定誤差非常小。
材料組成及RVE微結構設置生成
RVE單元各相體積分數比
然后利用內置前處理劃分網格。20秒鐘后，系統自動幾何網格，并劃分合適的網格。
接下來需要劃分設定載荷，FE當中支持內部設定載荷，可以設定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。這里我們設置沿x軸拉伸。加載類型為應變加載，峰值為0.3。
展開 案例 | 利用Digimat快速評估聚合物炸藥的材料性能
主要亮點
應用產品：Digimat-FE
行業：軍工領域
具體應用：快速評估材料性能
挑戰
TATB基PBX內部包含著大量不規則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對TATB基PBX力學性能的影響規律，對認識炸藥的承載能力和結構失效機制均具有重要意義。由于孔隙結構形態復雜且無序分布，再加上目前實驗手段的限制，難以從實驗上建立孔隙與PBX宏觀力學性能的定量關系。以材料微觀結構為基礎的熱力學數值預測模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對材料特性進行設定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項的設定，和氣泡作為夾雜相的設定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分數設定為70%，孔隙度設定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結劑，可以從生成的下表中看出實際生成的TATB體積分數為0.692509，空穴的體積分數為0.0500096，與設定誤差非常小。
材料組成及RVE微結構設置生成
RVE單元各相體積分數比
然后利用內置前處理劃分網格。20秒鐘后，系統自動幾何網格，并劃分合適的網格。
接下來需要劃分設定載荷，FE當中支持內部設定載荷，可以設定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。這里我們設置沿x軸拉伸。加載類型為應變加載，峰值為0.3。
展開 
案例 | 利用Digimat快速評估聚合物炸藥的材料性能
主要亮點
應用產品：Digimat-FE
行業：軍工領域
具體應用：快速評估材料性能
挑戰
TATB基PBX內部包含著大量不規則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對TATB基PBX力學性能的影響規律，對認識炸藥的承載能力和結構失效機制均具有重要意義。由于孔隙結構形態復雜且無序分布，再加上目前實驗手段的限制，難以從實驗上建立孔隙與PBX宏觀力學性能的定量關系。以材料微觀結構為基礎的熱力學數值預測模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對材料特性進行設定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項的設定，和氣泡作為夾雜相的設定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分數設定為70%，孔隙度設定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結劑，可以從生成的下表中看出實際生成的TATB體積分數為0.692509，空穴的體積分數為0.0500096，與設定誤差非常小。
材料組成及RVE微結構設置生成
RVE單元各相體積分數比
然后利用內置前處理劃分網格。20秒鐘后，系統自動幾何網格，并劃分合適的網格。
接下來需要劃分設定載荷，FE當中支持內部設定載荷，可以設定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。這里我們設置沿x軸拉伸。加載類型為應變加載，峰值為0.3。
展開 COMSOL導入圖片建模教程
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202406/attachment/bbf028631ce046fa98e43e79f2b56457.png">
</figure>
</div><p class="ql-align-center"> </p><h1>建模教程</h1><p>選取一張需要導入的圖像，圖像應清晰且不同區域界限分明，如果圖片需要預處理，可采用<a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1900309" target="_blank" style="outline: none;">AF多尺度孔隙處理軟件</a> 進行處理。這里以下圖為例。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202406/attachment/c139a1804e9440d199ff5559422bf992.png" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202406/attachment/c139a1804e9440d199ff5559422bf992.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202406/attachment/c139a1804e9440d199ff5559422bf992.png?
展開 胡良兵教授Adv. Mater.：基于擠壓的多層多孔先進電池電極的3D打印
3D打印的多孔石墨烯氧化物（hGO）網格具有多級孔隙率（宏觀→納米級），這使得電解質和氧氣的通道能夠提高Li-O2電池的性能。這些表明了3D打印在制造和改進先進能量存儲設備方面的前景，以及層次化多孔電極設計的重要性。
【成果簡介】
近日，在美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）課題組的帶領下，與美國國家航天研究所和美國宇航局蘭利研究中心合作下，通過簡單的一步氧化處理，石墨烯粉末可以合成高度多孔的納米材料（稱為hG）。在hG合成期間，通過去除原始石墨烯片上的有缺陷的碳來形成納米尺寸的通孔。在這項研究中，選擇hG作為碳前體來生產高度多孔的GO材料（稱為hGO），其被制成用于基于擠壓的3D打印的含水和無添加劑的油墨。獨立的3D打印的hGO網格呈現出三峰孔隙率：納米尺度（hGO片上4-25nm通孔），微觀尺度（通過凍干引入的幾十微米尺寸的孔）和宏觀尺度（<500μm方孔網孔設計），這對于依靠界面反應的高性能能量存儲裝置來促進完整的活性部位利用是有利的。在完全放電條件下，納米多孔r-hGO網格陰極在循環深度和穩定性方面優于非納米多孔GO基網格陰極。通過未經優化的Ru催化劑修飾，納米多孔r-hGO網格的可循環性提高了兩倍。相關成果以題為“Extrusion-Based 3D Printing of Hierarchically Porous Advanced Battery Electrodes”發表在了Advanced Materials上。
展開 文獻速覽第4期-隔熱保溫氣凝膠材料
水泥氣凝膠內部具有多尺度孔隙的高孔隙結構極大地抑制了傳熱，從而實現了超低導熱系數(0.025 W/(mK))。此外，無機C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數高達46.26%，UL94-V0）。
Abstract: The composite films filled with anisotropic flaky powders usually have excellent in-plane thermal conductivity, The energy crisis has arisen as the most pressing concern and top priority for policymakers, with buildings accounting for over 40% of global energy consumption. Currently, single-function envelopes cannot satisfy energy efficiency for next-generation buildings. Designing buildings with high mechanical robustness, thermal insulation properties, and more functionalities has attracted worldwide attention.
展開 