孔隙網絡的案例
數字巖心三維重建及滲流仿真 ￥3000
一直以來數值模擬就是研究巖石滲流性質的重要方法,通過模擬巖石中流體的運動和分布狀態,來確定各種流體在巖石中的絕對滲透率和相對滲透率,研究微觀尺度的滲流機理,為儲層評價提供依據.利用數值模擬方法可以減少實驗室滲流實驗,省時省力且直觀準確.目前,滲流數值模擬的方法眾多,從宏觀和微觀兩個尺度都可以,宏觀尺度的模擬主要是求解一系列微分方程來來確定巖石中流體的流速場;而微觀尺度的模擬主要有兩種思路,一種是以整體數字巖心為基礎,考慮邊界條件,采用有限元,格子玻爾茲曼等方法來確定巖石滲流性質,另一種是先建立孔隙網絡模型,采用孔隙級流動模擬理論和方法進行流動模擬并獲得巖石的滲流參數.
孔隙級的滲流數值模擬是研究巖心滲流的重要方法,隨著近年來 CT掃描等微觀成像和數字巖心的發展,滲流模擬研究能更好的貼近真實微觀結構,而孔隙網絡模型長久以來就是研究孔隙級滲流的基礎。
本篇文檔通過掃描電鏡SEM方法獲取了高精度的二維圖片，基于FIB連續切片掃描數據，采用MIMICS三重構軟件對數字巖心進行了重構，反應了真實的數字巖心的形貌，并獲得了局部聯通的孔隙網絡模型。采用COMSOL軟件進行了微觀滲流的模擬。
三維重建模型如圖所示：
滲流流線分析結果如圖所示：
展開 三維數字巖心重建及滲流仿真
本文展示了三維數字巖心重建后的孔隙網絡模型及滲流仿真結果，如圖所示：
孔隙網絡模型
有限元網格模型
滲流速度場
感興趣的朋友歡迎交流合作
微納米孔隙滲流及細顆粒遷移運動 ￥1500
本案例首先基于圖像處理方法將SEM二維掃描圖像的孔隙模型進行了提取，如圖1所示。將提取的孔隙網絡模型導入有限元軟件中進行滲流模擬，模擬結果如圖2所示。
圖1 二維孔隙網絡模型，圖中藍色部分為孔隙部分，紅色部分為巖體部分
圖2 孔隙滲流場及孔隙內細顆粒遷移運動過程
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流！
粉末制品制造工藝
03
壓坯
將經過預處理金屬粉末或混合粉末壓實成具有一定形狀、尺寸、強度與孔隙度的壓坯，粉末坯的成形方法很多，如壓制成形、等靜壓成形、注射成形、粉末軋制成形、爆炸成形、粉漿澆注成形等方法。
粉末冶金最常用的成形方法是模壓成形（如圖1所示），壓力一般為1～1600MPa；在高溫下施以等靜壓成形，同時還可進行燒結，以制得接近完全致密的制品。粉末注射成形與塑料注射成形技術相似，曾被譽為21世紀的成形技術。粉漿澆注成形則是將粉末與適當的液體混合，制成具有流動性的粉漿，注入具有所需形狀的石膏模中澆注成形，待石膏模將粉漿中液體吸干后，拆模取出澆注的坯件。
圖1 模壓成形
04
燒結
燒結是粉末冶金工藝中的關鍵工序。成形后的坯塊還屬于散沙，不能直接使用，坯塊必須在適當的溫度和氣氛中加熱，發生一系列物理和化學變化，使松散坯塊內的粉末顆粒進一步結合起來，減少孔隙體積、孔隙數量并使孔隙形狀變簡單，使成形的粉末坯塊強化和致密化，達到所要求的性能。
1
燒結過程
燒結是一個很復雜的過程。在燒結過程中，粉末體要經歷一系列的物理和化學變化，如水分或有機物的蒸發或揮發，吸附氣體的排除，應力的消除等，過程通常包括粉末顆粒表面氧化物的還原、顆粒間的物質遷移、再結晶和晶粒長大三個階段（見圖2）。
圖2 粉末燒結示意
(1)粘結階段：壓坯的原始接觸點或面靠范德華力粘結。燒結的初期，顆粒間的原始接觸點或面轉變成晶體結合，即經過生核、結晶長大形成燒結頸。此階段粉末顆粒內部的晶粒、顆粒外形不發生變化。
(2)燒結頸長大階段：隨著原子向顆粒結合面大量遷移使燒結頸擴大、顆粒間距離縮小，形成連續的孔隙網絡。由于晶粒長大、晶界越過孔隙移動，使孔隙大量消失，該階段燒結體收縮，密度和強度增加。
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采用avizo實現三維數字巖心構建、流動模擬和應力加載模擬 ￥500
教程內容實現以下模塊：
（1）圖像分割，構建三維數字巖心
（2）孔隙吼道分析，構建孔隙網絡模型
（3）單向流動模擬和fluent多相流動模擬
（4）力學加載變形模擬分析
附帶安裝包（2019）
中科院蘭州化物所周峰研究員團隊Matter: 濕滑多層水凝膠材料制備新方法
自然界中許多濕滑的生物組織具有典型的層狀結構，進而賦予其獨特的功能特性，水凝膠是制造類層狀組織結構體的重要人工材料，如何實現仿生層狀濕滑水凝膠材料的按需制造，突破層數、層網絡結構、幾何尺寸、厚度、成分和力學性能在時間尺度上的精確調控頗具挑戰。
圖1. UV-SCIRP方法學制備多樣化層狀濕滑水凝膠材料的示意圖。
近期，中科院蘭州化物所麻拴紅副研究員、周峰研究員團隊和美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授團隊合作提出了一種制備類組織層狀水凝膠材料的新方法：紫外引發的表面催化引發自由基聚合（UV-SCIRP）; 利用該方法可以成功制備具有可控厚度、組分、幾何結構和尺寸的多樣化層狀水凝膠潤滑材料（圖1）;通過該方法制備得到的水凝膠材料層狀特征明顯、層數可控、層厚度均勻且可調, 層界面結合良好, 適用于構筑化學組分交替的多層水凝膠材料（圖2）；該方法可實現復雜形狀和尺寸水凝膠結構體的濕滑改性修飾，如平面、曲面、通道和球體（圖3）；利用UV-SCIRP方法還可成功制備血管狀多層水凝膠結構體，層厚度、化學組分、網絡孔隙率和力學強度精確可調控（圖4）。這項研究工作打破了層狀水凝膠材料制造的傳統“砌磚”成型方式，從界面聚合化學角度出發，提出一種與天然層狀生物組織形成過程相似的聚合新方法學（圖5），為開發具有廣泛應用前景的仿生層狀濕滑水凝膠材料提供了一種全新的制造途徑。
圖2. 利用UV-SCIRP方法制備多層水凝膠材料。
圖3.
展開 多孔結構的數值仿真分析
多孔介質由固體材料構成，被稱為多孔基體，其內部包含有孔隙互通的網絡結構，并填充滿流體。我們可以想象一下廚房中吸滿了水的海綿，這就是多孔介質的一個例子。
位于加利福尼亞州的莫諾湖（Mono Lake）水面上的多孔巖層。
當多孔基體由固體彈性材料組成，且其內部流體為黏性流體時，這種材料就稱為多孔彈性材料。多孔彈性的研究已應用于巖土力學中的儲層、水壩、及能量樁等結構。比薩斜塔（Tower of Pisa）建造于黏質多孔土壤上，因此成為了一個著名的負面案例。
研究多孔彈性有助于我們預測固體結構中發生的損壞。例如，儲層中的流體被泵出時，減小的壓力引起了流體運動，進而產生了地應力。該應力使得位于構造上的覆蓋層逐漸產生變形，進而導致其中的多層結構發生塌陷或下沉。這種漸進變形會隨著時間推移愈發嚴重，最終導致結構完全開裂。
正如我們在這里強調的，多物理場仿真可以讓我們深入研究多孔材料在真實條件下的表現，有助于我們解決和預防巖土結構中潛在的變形現象。
利用 COMSOL Multiphysics 分析多孔結構
多孔材料的分析是真正的多物理場問題，需要對流體流動、結構力學及常見傳熱進行耦合。我們可以借助 Biot 理論來探索多孔彈性涉及的物理場，Biot 理論由以下兩種主要物理定律組成：
線性彈性方程描述了多孔基體
Darcy 定律描述了穿過基體的流體流動
“地下水流模塊”中的多孔彈性耦合涵蓋了 Darcy 定律和固體力學的數值耦合。有助于評估流體流動和孔隙壓力變化導致多孔介質變形的機理。讓我們看看在 COMSOL Multiphysics 中的兩個多孔彈性研究實例。
儲層中的變形
我們經常需要將儲層內的流體泵出，以獲取其內部的有用流體，例如石油或水。泵出流體時會導致孔隙壓力降低，進而造成周圍沉積物下沉。
展開 我國氫燃料電池要攻關哪些核心材料和技術？
因此，研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強度的 GDL 材料，是氫燃料電池關鍵技術。
對 GDL 的研究，除了材料制備，還有關于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機械降解以及燃料電池啟動、關閉及“氫氣饑餓”時的碳腐蝕造成的化學降解等的性能退化研究。此外，為促進 GDL 材料設計與開發，研究者利用中子照相技術、X-ray 電子計算機斷層描繪技術、光學可視化技術、熒光顯微術等手段來可視化 GDL 材料結構和表面水的流動狀態，并利用隨機模型法、兩相流模型數字化重構 GDL 宏觀形貌（孔隙）結構；為研究 GDL 氣 – 液兩相流行為，較多運用雙流體模型、多相混合模型、格點 Boltzmann 方法、孔隙網絡模型、流體體積（VOF）法等。
GDL 技術狀態成熟，但面臨挑戰是大電流密度下水氣通暢傳質的技術問題和大批量生產問題，生產成本依然居高不下；商業穩定供應的企業主要有加拿大巴拉德動力系統公司、德國 SGL 集團、日本東麗株式會社和美國 E-TEK 公司。日本東麗株式會社早在 1971 年開始進行碳纖維產品生產，是全球碳纖維產品的最大供應商，其他公司主要以該公司的碳產品為基礎材料。
02 |
雙極板
氫燃料電池中的雙極板（BPs）又稱流場板，起到分隔反應氣體、除熱、排出化學反應產物（水）的作用；需滿足電導率高、導熱性和氣體致密性好、機械和耐腐蝕性能優良等要求。
基于當前生產能力， BPs 占整個氫燃料電池電堆近 60% 的質量、超過 10% 的成本。根據基體材料種類的不同，BPs 可分為石墨 BPs、金屬 BPs、復合材料 BPs。
展開 儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
概述
基于圖像的建模可用于分析通過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 魚糜制品品質如何改善，復合淀粉功用不可少
羥丙基木薯淀粉因氫鍵作用較弱，淀粉糊化溫度較低，與蛋白的加熱變性同時發生，二硫鍵作用加強，蛋白三維網絡結構得到穩定，當受到外力時，承受力更強，因此，凍融穩定性增強。
交聯作用可提高淀粉糊的黏度，添加交聯淀粉的凝膠網絡孔隙中填充著非自由流動水和溶脹的淀粉顆粒，而不添加交聯淀粉的魚糜網絡結構中包含著游離水。淀粉顆粒溶脹后，增加了溶液的黏度和不可凍水中溶質的濃度，降低了冰晶成核和增長速率，因此，在魚糜制品中添加此類淀粉會降低魚糜的凍結速率。
醋酸酯化淀粉是在原淀粉的基礎上，羰基取代自由羥基，這種取代基分別打斷了直鏈淀粉的線性結構和支鏈淀粉的分支結構，因空間位阻效應減弱了淀粉分子間作用，進而促進游離水通過化學作用力，滲透到淀粉無定形區并轉化為結合水。在魚糜中加入酯化淀粉，因淀粉將吸收的自由水轉化為結合水，降低了凝膠網絡結構中游離水數量，進一步降低冰晶含量，從而使魚糜在冷凍過程中蛋白質三維網絡結構破壞程度降低，凝膠強度提高。
科學添加淀粉可提高魚糜制品凝膠性能
魚糜制品是以生鮮魚糜或冷凍魚糜為原料，加入食鹽等輔料經擂潰、成型、凝膠化等過程形成的具有一定彈性的凝膠狀食品。例如，魚糕、魚丸、模擬蟹腿和模擬貝柱等模擬海鮮產品。根據原料魚的肉質，魚糜制品可以分為三類：
一是以鱈魚、魷魚等為原料生產的海水白肉魚糜制品。海水白肉魚肌原纖維蛋白含量豐富，脂肪含量極低，魚糜白度較高，凝膠性和破斷強度較強。二是以羅非魚、白鰱魚等為原料生產的淡水白肉魚糜制品。淡水白肉魚肌球蛋白含量較低，因此，魚糜凝膠彈性較弱。三是以金木倉m魚、沙丁魚等為原料生產的紅肉魚糜制品。紅肉魚肌原纖維蛋白易變性，加熱后凝膠彈性降低，富含大量的肌紅蛋白，因此，魚糜顏色較深，脂肪含量也較高，很少應用到魚糜制品中。
展開 吳凡研究員、李泓研究員團隊在IF=37.4頂刊發文：固態電池——從基礎研究到產業化
鋰枝晶在 SE 內部成核：SE 的部分電傳導也會導致孤立的鋰沉積在塊狀 SE 的缺陷（如空位、GB 和孔隙）內部，隨后通過連通的孔隙網絡生長而導致失效。如圖 12f 所示，由于陽極過電位的存在，金屬將沉積在沉積電位為負的 SE 孔隙中。與小孔隙相比，當大孔隙完全被填滿時，會產生足夠的壓力，使 SE 產生裂紋，裂紋會延伸并形成一條金屬滲透路徑。因此，在 SE 和鋰金屬陽極之間引入致密而薄的 "無空隙 "層是有利的。此外，降低陽極中的金屬化學勢（即使用合金陽極）也可避免金屬直接沉積到 SE 中。
從體電解質的特性來看，為了避免在電流密度≈1-10 mA cm-2 之間出現枝晶晶體，SE 的電子電導率必須小于 10-10-10-12 S cm-1。對多晶 SE 而言，在 SE 上進行微粒級精細鍍膜和定制具有足夠電子電阻率的 GB 也是很有前景的方法。
4.4.解決鋰陽極界面難題的策略
4.4.1.改善鋰和裸 SE 之間的物理接觸
圖 13. a) 熔融鋰在石榴石表面的不同潤濕行為示意圖。b) 在不同疊層壓力下，對稱鋰電池的循環性能。c) 電壓脈沖如何穩定鋰/LALZO 界面的示意圖。d) 超聲波輔助熔焊法方案。e) 鋰陽極空隙形成條件示意圖。電流密度與壓力的關系表明，鋰金屬蠕變是循環過程中補充鋰空隙的主要機制。還有一些其他方法可以利用鋰的蠕變來避免界面空洞并保持親密的初始鋰/SE 界面。
4.4.2.構建人工保護層
在 SEs 和鋰陽極之間引入原位或非原位人工層已成為解決鋰陽極界面難題的最常用方法之一。根據導電性能的不同，人工層主要分為兩種：混合導電層和離子導電層。
圖 14. a) 鋰金屬電化學沉積過程示意圖和臨界枝晶長度 Lc 的定義。
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