懸浮微粒在被加熱多孔介質(zhì)內(nèi)的沉積與運(yùn)移特性

栗超凡，戴傳山，雷海燕，李琪（天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30007；東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 30）

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懸浮微粒在被加熱多孔介質(zhì)內(nèi)的沉積與運(yùn)移特性

栗超凡1，戴傳山1，雷海燕1，李琪2
（1天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012）

摘要：通過建立沿管壁恒熱流加熱的滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了懸浮顆粒在飽和多孔介質(zhì)內(nèi)以及入口界面處的沉積和運(yùn)移特性。著重研究了有無加熱條件，以及不同加熱溫差，相同多孔介質(zhì)和進(jìn)口懸浮液濃度情況下，實(shí)驗(yàn)段入口界面處與內(nèi)部的顆粒沉積量變化，以及沿程不同位置處的壓力變化。并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的滲流穩(wěn)定性及各測(cè)點(diǎn)溫度和多孔介質(zhì)段滲透系數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：相對(duì)滲透率kt/k0在不同溫差下有明顯不同；多孔介質(zhì)與進(jìn)口流體界面處的沉積量隨溫差的增大而增加，沉積結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低；多孔介質(zhì)段顆粒沉積強(qiáng)度隨溫差的增大而增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為今后的理論分析提供驗(yàn)證依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；微小顆粒；界面沉積；溫差；相對(duì)滲透系數(shù)

2015-07-17收到初稿，2015-11-21收到修改稿。

聯(lián)系人：雷海燕。第一作者：栗超凡（1990—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-07-17.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51306130).

引　言

微小顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移沉積現(xiàn)象廣泛存在于自然界及許多工業(yè)領(lǐng)域中，如大氣中微小顆粒在土壤表面的沉積[1]、納米顆粒藥物在人體內(nèi)的吸收[2]、地毯或墻壁表面的污垢沉積、河床內(nèi)淤泥的堆積、地?zé)峄毓嗑念w粒堵塞[3-4]、粗糙換熱管表面的結(jié)垢，以及地下水環(huán)境的污染物吸附治理等[5]。這些物理現(xiàn)象的一個(gè)共同特點(diǎn)是微小顆粒的運(yùn)動(dòng)遇到了流體與多孔介質(zhì)的不連續(xù)界面而沉積或聚集，而微小顆粒在多孔介質(zhì)與流體界面處的沉積或遷移規(guī)律勢(shì)必不同于單純流體內(nèi)的顆粒沉積，以及與固體表面的碰撞或沉積。

本文主要以地?zé)峄毓噙^程中發(fā)生的堵塞問題為研究背景，研究攜帶有微小顆粒的回灌流體向周圍地層（多孔介質(zhì)）運(yùn)動(dòng)情況下，在多孔介質(zhì)界面及其內(nèi)部的沉積或遷移規(guī)律。以往有關(guān)懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)特性的研究主要側(cè)重于流體內(nèi)部、固體表面或多孔介質(zhì)內(nèi)部[6-7]，國(guó)內(nèi)外已有較多的相關(guān)文獻(xiàn)，如懸浮微小顆粒粒徑（dp）、多孔介質(zhì)粒徑（Dp）[8]或孔徑（dpore）分布[9]、懸浮微小顆粒進(jìn)口濃度（C0）、滲流速度（U￥）幾個(gè)物理因素[10-12]對(duì)顆粒沉積的影響，且微小顆粒粒徑大部分在10 μm以下[13]。劉若雷等[14]研究了溫度梯度場(chǎng)內(nèi)可吸入顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性及沉積，但其注重于熱泳沉積的研究。李琪等[15]通過格子-Bolztmann數(shù)值模擬方法研究了微納米顆粒在有不同溫度邊界空隙內(nèi)或自然對(duì)流影響情況下的運(yùn)動(dòng)沉積特性。有關(guān)含微小顆粒流體在多孔介質(zhì)界面處沉積特性的研究較少，特別是當(dāng)界面處有溫度梯度時(shí)的相關(guān)研究則更鮮有報(bào)道。眾所周知，對(duì)水源熱泵回灌過程中出現(xiàn)的顆粒堵塞或回灌困難現(xiàn)象，除了有顆粒大小與分布、顆粒濃度、多孔介質(zhì)孔隙度等幾何影響因素之外，應(yīng)該存在溫度變化的影響因素，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下含微小顆粒的地?zé)嵛菜毓鄿囟鹊陀谥車貙訙囟萚16]。再如太陽輻射也會(huì)造成地表或土壤表層存在溫度梯度等[17]，勢(shì)必也會(huì)對(duì)大氣中存在的固體顆粒沉積現(xiàn)象帶來影響。因此，研究非等溫環(huán)境下微小顆粒在不連續(xù)多孔介質(zhì)界面處的沉積和運(yùn)移對(duì)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用、石油開采、環(huán)境災(zāi)害治理和人體健康等有普遍的理論指導(dǎo)意義和重要的科學(xué)價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

為了獲取有加熱溫度梯度下微小顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)的沉積或運(yùn)移特性，建立了有加熱功能的顆粒填充型多孔介質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括恒壓裝置1—4、多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段5（含可控溫加熱器14）、測(cè)壓裝置7、流量測(cè)量6與濁度測(cè)量裝置10以及實(shí)驗(yàn)后的切割烘干裝置。實(shí)驗(yàn)恒壓裝置由補(bǔ)給水箱1、恒壓水箱2、蠕動(dòng)泵4構(gòu)成。多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段5長(zhǎng)度為35.0 cm、內(nèi)徑為4.0 cm，圓柱管內(nèi)壁粘有厚度為0.08 mm、外徑4.0 cm的塑料薄膜。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Schematic diagram of experimental system1—feed water tank; 2—constant pressure water tank; 3—magnetic agitator; 4—peristaltic pump; 5—test section of porous media; 6—electronic balance; 7—piezometer tube; 8—ruler; 9—computer; 10—turbidimeter; 11—thermocouple; 12—temperature adjuster; 13—Agilent 34980A; 14—heater

在實(shí)驗(yàn)段的入口及出口處放置孔徑為0.2 mm濾網(wǎng)。測(cè)壓裝置由一排內(nèi)徑3 mm的有機(jī)玻璃管以及相應(yīng)的毫米刻度尺組成，其測(cè)壓孔位置在多孔介質(zhì)入口處以及距多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段入口前緣處的距離分別是2、7、12、17、22、27、32 cm位置處，共8處測(cè)壓孔，讀數(shù)誤差為0.5 mm。加熱與測(cè)溫裝置由實(shí)驗(yàn)段加熱器（即不銹鋼圓柱管內(nèi)部鑄有電加熱絲）、溫控儀、熱電偶與34980A組成。熱電偶測(cè)溫點(diǎn)位置在距多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段入口前緣處的距離分別是2、7、17、27、32 cm以及水箱中和滲流出口位置處，分別標(biāo)記為1～7號(hào)。流出懸浮液質(zhì)量采用精密電子天平實(shí)時(shí)稱量，并每隔5 s在計(jì)算機(jī)上輸出；其濁度則每當(dāng)燒杯內(nèi)液體體積達(dá)到900～1000 ml左右用濁度儀測(cè)定一次。實(shí)驗(yàn)儀器選用美國(guó)奧豪斯AR精密電子天平，量程3000.00 g，精度為0.01 g，濁度儀則選用美國(guó)HACH2100AN型臺(tái)式濁度儀，量程為0～10000 NTU。精度為0～1000 NTU時(shí)為0.01 NTU或讀數(shù)的±2%；1000～4000 NTU時(shí)讀數(shù)的±5%；4000～10000NTU時(shí)，讀數(shù)的±10%。后期處理裝置由自制切割裝置、美工刀、有機(jī)玻璃刀、燒杯、攪拌棒、蒸發(fā)皿與烘箱等組成。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1多孔介質(zhì)段填充顆粒多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段用篩選粒徑范圍為0.3～0.5 mm的球形玻璃珠填充，其密度為2.45 g·cm-3。圖2為采用BT-2900 動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析系統(tǒng)測(cè)試得到的玻璃珠的粒徑分布情況，可以看出，玻璃珠粒徑分布范圍跨度較窄，分布較為集中。篩選之后的平均粒徑為408.9 mm，用Dp表示。由圖可知填充多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段所使用的球形玻璃珠具有良好的粒徑分布。且玻璃珠平均圓度測(cè)量值為0.961。

圖2　填充多孔介質(zhì)段玻璃珠粒徑分布Fig.2　Diameter distribution of glass beads at test section of porous media

1.2.2懸浮微小顆粒實(shí)驗(yàn)所使用的懸浮微小顆粒為dp=22.81 mm的二氧化硅粉末，純度為99.9%，測(cè)其密度為2.26 g·cm-3。采用BT-9300S 型激光粒度分布儀測(cè)試其粒徑分布情況，如圖3所示。用dp表示懸浮微小顆粒的平均粒徑。

1.2.3懸浮微小顆粒濁度與濃度關(guān)系為了獲取實(shí)驗(yàn)過程中懸浮微粒在多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)沉積質(zhì)量的動(dòng)態(tài)信息，微小懸浮顆粒在整個(gè)多孔介質(zhì)段的遷移沉積實(shí)驗(yàn)過程中，除了檢測(cè)各實(shí)驗(yàn)段壓力變化之外，需要同時(shí)測(cè)量多孔介質(zhì)段進(jìn)出口懸浮液的濁度。通過進(jìn)出口懸浮液濁度的測(cè)量，可以間接得知某一時(shí)間段內(nèi)顆粒在介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)沉積情況。因此，建立微小顆粒濁度和濃度的關(guān)系曲線，就顯得十分必要。本實(shí)驗(yàn)中懸浮固體顆粒的濁度、濃度之間有很好的線性關(guān)系。擬合公式為：Cm=0.01442 NTU-0.02352。實(shí)驗(yàn)濁度NTU范圍內(nèi)按擬合公式計(jì)算的濃度Cm平均誤差均小于10%。

圖3　懸浮微小顆粒粒徑分布Fig.3　Diameter distribution of suspended particles

1.3實(shí)驗(yàn)填充多孔介質(zhì)段制備條件

以往的研究結(jié)果表明，當(dāng)D/Dp＞40時(shí)，可忽略實(shí)驗(yàn)段的壁面效應(yīng)[18-19]。由于實(shí)驗(yàn)所采用的圓管直徑與填充顆粒粒徑之比為97.82，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)多孔介質(zhì)段壁面效應(yīng)對(duì)平均孔隙度的影響可以近似忽略。

在恒定壓力水頭10.7 kPa下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，需保證實(shí)驗(yàn)采用的多孔介質(zhì)段處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，以正確模擬地層達(dá)西穩(wěn)定滲流條件。由于每次填充多孔介質(zhì)段時(shí)，玻璃珠的排列方式不可能完全相同，造成每次實(shí)驗(yàn)的多孔介質(zhì)段孔隙結(jié)構(gòu)不完全相同，因此填充相同粒徑的玻璃珠時(shí)，滲流穩(wěn)定時(shí)的流速不會(huì)完全相同。經(jīng)滲流實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在恒定壓力為10.7 kPa的條件下，平均粒徑為Dp=408.9 mm的條件下，玻璃珠填充得到的多孔介質(zhì)段穩(wěn)定后的滲流速度u范圍為0.249～0.288 cm·s-1。實(shí)驗(yàn)過程中水溫變化范圍為25.75～28.50℃，取平均溫度27.13℃，對(duì)應(yīng)的水的運(yùn)動(dòng)黏度值為νf=0.863×106 m2·s-1。由多孔介質(zhì)Reynolds數(shù)定義式Re=uDp/νf可得：Re=1.18-1.36。為了便于分析，取各次實(shí)驗(yàn)滲流速度的平均值，進(jìn)一步得Dp=408.9 mm時(shí)，u=0.265 cm·s-1，Re=1.26。一般認(rèn)為在低Reynolds數(shù)下，即Re＜5時(shí)，流體流過多孔介質(zhì)的壓力損失與流體流速呈正比，符合達(dá)西定律[20]。由此可見，實(shí)驗(yàn)填充多孔介質(zhì)段符合地層滲流達(dá)西定律。

由達(dá)西公式u=-( kD P)/(mfD z)可求得滲透率k (m2)，其中DP為多孔介質(zhì)段兩側(cè)的壓差（Pa），Dz為多孔介質(zhì)段長(zhǎng)度（m），mf為流體動(dòng)力黏度（Pa·s）。代入多次實(shí)驗(yàn)的平均滲流速度，得到：當(dāng)Dp=408.9 μm時(shí)，多孔介質(zhì)段的平均滲透率為k=7.48×10-11m2。量綱1滲透率定義式為并假設(shè)靠近壁面的自由流體區(qū)高度hf為多孔介質(zhì)顆粒最大半徑，即0.25 mm，可得實(shí)驗(yàn)條件下的量綱1滲透率為：當(dāng)Dp=408.9 mm時(shí)，s=2.115×10-3；在s=2.115×10-3≈0.002的情況下，有Re=1.18～1.36=Rec，其中Rec≈3295.88[21]。因而用圓管填充0.3～0.5 mm的玻璃珠形成的多孔介質(zhì)段，其內(nèi)部流體的流動(dòng)是穩(wěn)定的。

1.4實(shí)驗(yàn)方案

首先制備多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段。將實(shí)驗(yàn)段裝到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上等待硅膠固化，使其密封性良好后將測(cè)壓管扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)段，打開閥門，等待壓力接近穩(wěn)定后打開加熱器開關(guān)同時(shí)打開34980A，等待加熱到指定溫度，然后將一定質(zhì)量的SiO2顆粒同時(shí)加進(jìn)兩個(gè)水箱使其濃度相同，實(shí)驗(yàn)開始。每隔15 min讀一次壓力讀數(shù)；燒杯中水滿時(shí)測(cè)量其濁度。6 h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)關(guān)閉閥門同時(shí)更換燒杯以及關(guān)閉34980A。等實(shí)驗(yàn)段中水流干凈后取出并按壓力口位置切割取出放入依次編號(hào)的燒杯中放進(jìn)烘箱。待烘干后取出每個(gè)置于燒杯中的實(shí)驗(yàn)段玻璃珠進(jìn)行稱重，之后再進(jìn)行反復(fù)清洗烘干再稱重。兩次稱重可得到每段的沉積量。

由表1可知，每次實(shí)驗(yàn)填充玻璃珠質(zhì)量范圍為（682.22±3.96）g，孔隙率范圍為0.369±0.002。

表1　實(shí)驗(yàn)條件匯總Table 1　Experimental conditions

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)段溫度分布及其表觀熱導(dǎo)率

由于實(shí)驗(yàn)段加熱溫控儀的反饋溫度點(diǎn)位于距離多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)段入口前緣2 cm處，實(shí)驗(yàn)過程中由于流動(dòng)狀態(tài)不斷變化，實(shí)際測(cè)得的各段溫度并不是一個(gè)常數(shù)。因此，在同時(shí)伴有加熱與顆粒沉積情況下，多孔介質(zhì)各實(shí)驗(yàn)段的有效或表觀熱導(dǎo)率、流體黏度系數(shù)等熱物性也會(huì)隨著顆粒的沉積、流體溫度的變化而變化，有必要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)段的平均流體熱物性進(jìn)行修正更符合客觀情況，圖4為實(shí)驗(yàn)過程中各溫度測(cè)點(diǎn)34980A測(cè)得的溫度值隨時(shí)間變化的曲線，每隔5 s記數(shù)一次。

圖4　T=40℃實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)段不同位置溫度隨時(shí)間的變化Fig.4　Temperature change of each point in experiment at T=40℃

由于實(shí)驗(yàn)過程中溫度波動(dòng)較大，現(xiàn)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析。

對(duì)實(shí)驗(yàn)段整體平均熱導(dǎo)率的計(jì)算，本文采用Bruggeman model[22]。將已知的流量變化數(shù)據(jù)以及多孔介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率lp=1.3 W·m-1·K-1和流體熱導(dǎo)率lf=0.58 W·m-1·K-1代入式（1）和式（2）中，可得到實(shí)驗(yàn)段平均熱導(dǎo)率隨時(shí)間變化的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[23]中描述相符。

其中

由于實(shí)驗(yàn)段溫度測(cè)點(diǎn)位于其壁面處，實(shí)驗(yàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象不僅與整體的熱導(dǎo)率變化相關(guān)，而且與隨著孔隙率的減少實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部因壁面效應(yīng)存在導(dǎo)致壁面測(cè)溫處對(duì)流傳熱系數(shù)的增加[24]有關(guān)，所以溫度分布是隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行而復(fù)雜變化的。

2.2多孔介質(zhì)段相對(duì)滲透率隨時(shí)間變化特征

根據(jù)達(dá)西定律，假設(shè)水的黏度系數(shù)變化不大情況下相對(duì)滲透率kt/k0可直接通過各小段多孔介質(zhì)兩端壓差以及出口流量計(jì)算得到，可推得式（3）

其中，k0、Q0、ΔP0分別為初始時(shí)刻任一多孔介質(zhì)段的滲透率、流量、兩端壓差，kt、Qt、ΔPt則為任一時(shí)間t時(shí)對(duì)應(yīng)的各個(gè)相應(yīng)物理量。

圖5(a)～(c)為dp=22.81 mm的懸浮顆粒通過Dp=408.9 mm的多孔介質(zhì)段時(shí)的相應(yīng)情況。比較圖5(b)與圖5(a)，在相同進(jìn)口濃度C0=0.5 g·L-1時(shí)，進(jìn)口段的相對(duì)滲透率下降得更快，最終相對(duì)滲透率分別為0.0346與0.0147，說明當(dāng)進(jìn)口水溫低于多孔介質(zhì)段溫度時(shí)，微小顆粒在界面及入口段的沉積更多。比較圖5(c)與圖5(a)、(b)，在圖 5(a)、(b)中，kt/k0隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是先增大后減小，出現(xiàn)波峰，并且出現(xiàn)波峰的時(shí)間隨著距離進(jìn)口越近而越早出現(xiàn)，如同波的傳遞現(xiàn)象，對(duì)于此現(xiàn)象，李琪[25]通過采用波紋管與光管的流動(dòng)阻力理論進(jìn)行了解釋。而圖5(c)中此現(xiàn)象不明顯，說明當(dāng)溫差增大時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)的沉積數(shù)增多，填充波紋深度的時(shí)間縮短，同時(shí)形成局部堵塞的時(shí)間也縮短，即堵塞更快。

圖5　Dp=408.9 mm、dp=22.81 mm時(shí)相對(duì)滲透率隨時(shí)間變化曲線Fig.5　Permeability ratio as a function of time with Dp=408.9 mm and dp=22.81 mm

圖6　Dp=408.9 mm、dp=22.81 mm時(shí)懸浮顆粒瞬時(shí)沉積質(zhì)量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.6　Variation of instantaneous deposition mass of suspended particles as a function of time for Dp=408.9 mm，and dp=22.81 mm

特別注意的是在圖5(c)中2～7 cm段的相對(duì)滲透率出現(xiàn)兩個(gè)突然增高的點(diǎn)，為在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的壓力突然回升的點(diǎn)，這說明原先沉積在多孔介質(zhì)界面處的懸浮顆?？赡鼙粵_走了一部分，在以前的實(shí)驗(yàn)中此現(xiàn)象更容易出現(xiàn)在進(jìn)口濃度C0大、Dp大的實(shí)驗(yàn)工況下，而且出現(xiàn)的時(shí)間一般為實(shí)驗(yàn)最后1 h內(nèi)。說明當(dāng)溫差增大時(shí)多孔介質(zhì)界面處沉積結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱，沉積形貌確實(shí)對(duì)多孔介質(zhì)段的相對(duì)滲透率影響較大。

2.3不同溫度顆粒運(yùn)移過程沉積質(zhì)量分析

圖6為通過濁度儀測(cè)得的懸浮顆粒瞬時(shí)沉積質(zhì)量隨時(shí)間變化關(guān)系，這里的“瞬時(shí)”并不是嚴(yán)格意義上的每時(shí)每刻，而是指以兩次測(cè)量出口濁度所經(jīng)歷的時(shí)間為一段小的時(shí)間間隔，也是為了與“累積”的最后稱重結(jié)果作對(duì)比和相互印證。從圖6中可以看出，與恒溫26℃情況下相比，存在溫差情況下的瞬時(shí)沉積量變化較小，即每段時(shí)間內(nèi)的沉積質(zhì)量幾乎沒有變化。但是由于在入口處堵塞的更快導(dǎo)致流量的減少而使最終總的沉積質(zhì)量減少，如圖7所示。

圖7為3種不同條件下實(shí)驗(yàn)沉積質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系，由圖可知，存在溫度差即多孔介質(zhì)段溫度高于滲流溫度時(shí)，隨時(shí)間增長(zhǎng)總累積沉積質(zhì)量相比于恒溫26℃情況下減少。而壓力回升即界面處顆粒被沖走的現(xiàn)象在圖中并無表現(xiàn)，說明界面處被沖走的部分顆粒并沒有被沖離整個(gè)實(shí)驗(yàn)段。綜合分析可得出累積沉積量的減少主要是由于堵塞使流量減少引起的。

圖7　Dp=408.9 mm時(shí)相同濃度下懸浮顆粒累積沉積質(zhì)量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.7　Variation of accumulated deposition mass of suspended particles with time for Dp=408.9 mm under same inlet concentration conditions

圖8為多孔介質(zhì)內(nèi)部各段懸浮顆粒最終沉積狀況，其中Msp- n指沿軸向第n小段多孔介質(zhì)段內(nèi)部的最終沉積質(zhì)量，Zn則指第n小段多孔介質(zhì)段的長(zhǎng)度。而界面處的沉積量較大，分別為14.43、15.83、15.15 g。

由圖和界面處的沉積質(zhì)量可以看出由于溫差存在界面處的沉積量增加，多孔介質(zhì)段的沉積總量減少。而40℃的小于30℃的界面沉積量是因?yàn)槠浞€(wěn)定性減弱而被水帶走一部分造成的。

圖8　Dp=408.9 mm、dp=22.81 mm時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)部各段懸浮顆粒最終沉積狀況Fig.8　Final deposition situation of suspended particles in each porous media section with Dp=408.9 mm and dp=22.81 mm

3　結(jié)　論

通過對(duì)懸浮微粒在3種不同溫度梯度條件下多孔介質(zhì)內(nèi)的沉積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論。

（1）當(dāng)含懸浮微粒的滲流流體溫度小于多孔介質(zhì)段溫度的情況下，與恒溫情況下相比，界面處的沉積量隨溫度梯度的升高而增加，同時(shí)界面處沉積結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也減弱。

（2）有加熱溫度梯度的多孔介質(zhì)段與恒溫情況下相比，懸浮顆粒多孔介質(zhì)段瞬時(shí)沉積量比較穩(wěn)定，即相同流量情況下總的沉積質(zhì)量變化不大。

（3）與恒溫情況下相比，有加熱溫度梯度的多孔介質(zhì)段更容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，隨著溫差的增大，堵塞出現(xiàn)的時(shí)間越早。因此，在相同滲流時(shí)間內(nèi)由于堵塞總流量的減少而使總沉積量也相對(duì)減少。這一結(jié)論意味著當(dāng)回灌流體溫度低于含水多孔介質(zhì)層溫度情況下，顆粒更容易被過濾到多孔介質(zhì)界面處而引起回灌困難。

符號(hào)說明

Cm——懸浮微粒濃度，g·L-1

C0——懸浮微粒進(jìn)口濃度，g·L-1

D——圓柱形實(shí)驗(yàn)段直徑，m

Dp——多孔介質(zhì)粒徑，m

dp——懸浮微粒粒徑，m

dpore——多孔介質(zhì)孔徑，m

k——多孔介質(zhì)滲透率，m2

M——質(zhì)量，g

Msp-n——介質(zhì)第n小段沉積質(zhì)量，g

NTU——懸浮液濁度

DP——壓降，Pa

Q——流量，m3·s-1

Re——Reynolds數(shù)

Rec——臨界Reynolds數(shù)

T——溫度，K

U∞——滲流速度，m·s-1

u——速度，m·s-1

l——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

μf——流體動(dòng)力黏度，Pa·s

v——運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1

j ——固體體積分?jǐn)?shù)

下角標(biāo)

f ——流體

p ——固體材料

t ——任一時(shí)刻

w ——流體與多孔介質(zhì)混合

0 ——初始時(shí)刻

￥ ——外邊界

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Deposition and transportation characteristics of suspended microparticles in water through heated porous media column

LI Chaofan1，DAI Chuanshan1，LEI Haiyan1，LI Qi2
(1Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;2College of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China)

Abstract:The deposition and transportation characteristics of microparticles suspended water flowing vertically downwards through a heated porous column were experimentally studied. The amount of deposited particles at the interface and inside porous column，and pressure change at difference location at the conditions with and without circumference heating，or the effect of temperature gradient perpendicular to the flow direction were focused in this study，in which the porous columns and inlet concentration of suspended fluid were kept the same. In addition，the seepage stability，the tube wall temperature distribution and the relative permeabilities for each section were analyzed. The results showed that the relative permeability kt/k0was obviously different at different heating temperature gradients while having the same original porous media and inlet concentration of suspensions. The deposition rates both at the entrance interface and inside porous medium increased with an increase of temperature difference，however，the stability of the deposited structure decreased.

Key words:porous media; microsized particles; interface deposition; temperature difference; relative permeability

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151145

中圖分類號(hào)：TQ 54；TK 5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1433—07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51306130）。

Corresponding author:LEI Haiyan，leihy@tju.edu.cn