[发明专利]一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置

说明书

本发明公开了一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，涉及多孔介质中气体流动特性研究领域，包括实验管组、供气系统、储气缓冲系统、超低压保障系统和数据采集系统，其中，实验管组提供不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道，供气系统提供源源不断的气体氛围，储气缓冲系统提供稳定的气流参数和进出口压力，超低压保障系统实现气体在系统中定向稳定流动，数据采集系统实现目标参数的采集、信号转换和处理。本发明对微尺度多孔介质中有效孔隙进行准确布置，实现孔隙率在较大范围内变化，避免微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差，进而实现超低压下的宏观尺度多孔介质对微尺度多孔介质中气体流动特性的近似研究。

技术领域

本发明涉及多孔介质中气体流动特性研究领域，尤其涉及一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置。

背景技术

在CO₂的捕集、非常规天然气生产、储氢、地热资源的开发及利用，地源热泵的发展与推广，岩层的蓄热蓄冷过程以及页岩气的开采等技术领域中，微尺度多孔介质中气体流动特性扮演着重要的角色。然而，常压下研究微尺度多孔介质中气体的流动特性首先需要解决微尺度多孔材料的问题，这是因为微纳米尺度多孔介质材料中孔隙分布的不确定性会对相关实验研究造成阻碍。虽然微机电系统(MEMS)的发展为制备小孔隙多孔介质提供了一定的技术支持，但是高成本使其多用于高新技术研究，而且其制备的多孔材料具有形状和宏观尺度的局限性，因此，寻求一种利用宏观尺度替代微尺度多孔介质来研究其中气体流动特性的实验方法有着重要的应用价值与工程意义。

根据Knudsen扩散理论，当气体的压力降低到分子的平均自由程大于孔道尺度时，气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多。我们通常用以分子平均自由程(λ)与有效孔隙尺度(Dp)的比值所确定的克努森系数(Kn)来表示扩散水平，并依此将气流划分为四种状态：连续流(Kn≤0.001)，滑移流(0.001＜Kn≤0.1)，过渡流(0.1＜Kn≤10)和自由分子流(Kn＞10)。一般来说，常压下微尺度多孔介质中气体扩散的克努森系数Kn≥0.01，以下给出了分子平均自由程(λ)和克努森系数(Kn)的关系式：

其中，k_B为玻尔兹曼常数，取值1.38×10^-23m²·kg/(S²·K)；μ为气体动力粘度，Pa·S；m为气体分子质量，kg/个；M为气体分子摩尔质量，kg/mol；N_A为阿伏伽德罗常数，6.02×10²³。

根据相似分析法，由关系式可以看出，若保证克努森系数Kn≥0.01，我们可以通过创造超低压工况，在稀薄气体氛围下使对应的有效孔隙尺度等比例增大，从而实现利用宏观尺度替代微尺度多孔介质来研究其中气体流动特性。

在超低压环境中，气体稀薄，气体分子通道壁面之间的碰撞居主要地位，因而主要是在气体分子与壁面之间发生动量交换。稀薄气体属不连续介质，当它同固体壁面间发生相对动运时，气体不紧贴在壁面上，而是以一定的速度沿壁面滑动，称滑移现象。气体同壁面之间的速度突变造成了摩擦作用，称为“外摩擦”。气体越稀薄则内摩擦力越小，而外摩擦在流动阻力中所占的比重越大。这种外摩擦力是因气体分子与壁面的碰撞而产生的，且同滑移速度和作用面积的大小成正比。

近年来，许多学者多孔介质中的流动特性做了一系列理论分析、数值模拟以及实验研究。目前，对于常压或高于常压大尺度多孔介质中流体流动特性的研究已较为充分，而对于微尺度多孔介质中流体流动特性的研究多采用模拟的方法，而在这方面的实验研究由于所制备的微尺度多孔介质中孔隙分布的不确定性导致具有很大的误差，需要更先进的多孔材料制备技术和建模理论对其有效孔隙进行准确布置。