一种气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法与流程

技术特征：
1.一种气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：通过气凝胶材料的表征实验结果，确定气凝胶材料颗粒交联多孔结构内颗粒的平均直径；通过压汞实验确定气凝胶材料的主要孔隙结构参数，包括气凝胶材料的孔隙率、孔体积及孔径分布；步骤2：根据所需的重构模型尺寸建立模拟区域；将首次迭代中颗粒交联重叠区域厚度与半径之比的最大值设置为θ1，并将模拟区域内颗粒数量的修正系数设置为χ1；步骤3：根据本次迭代中颗粒交联的判定条件，估算出模拟区域内颗粒的数量，将估算的颗粒均匀分布在模拟区域内，并将模拟区域的边界条件设为周期性边界条件，从而计算t到t δt时间内，第i颗粒在模拟区域内的位移；根据t δt时刻下模拟区域内颗粒的位置分布判定颗粒团簇的生成情况，判定依据如下：如果颗粒交联重叠区域的厚度与半径之比大于零，且小于本次迭代中设置的最大值，则认为两个颗粒发生交联，形成了一个团簇，团簇内颗粒的相对位置不发生变化，共同在模拟区域内作brownian运动；随着模拟时间的延长，模拟区域内颗粒和团簇的数量将不断减少，当模拟区域内所有颗粒交联形成一个整体结构时，模拟过程结束；生成的颗粒交联多孔结构即为本次迭代中重构的气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构模型，即重构模型；步骤4：采用数值方法计算重构模型的物理性质，包括孔隙率，有效孔体积、平均孔径和孔径分布；步骤5：根据重构模型物理性质与实验数据之间的偏差，更新下一次迭代步的参数值，包括颗粒交联重叠区域厚度与半径之比的最大值θ
n 1
，及模拟区域颗粒数量的修正系数χ
n 1
；步骤6：重复步骤3、步骤4、步骤5，在不断的迭代过程中，重构模型物理参数与气凝胶材料实验数据间的偏差逐渐缩小，当重构模型的孔隙率和平均孔径与实验数据间的偏差小于设定值时，迭代过程终止，最后一次迭代获得的气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构，即为与气凝胶材料固相纳米多孔结构相仿，且主要孔隙结构参数与实验结果吻合的重构模型。2.根据权利要求1所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述气凝胶材料由溶胶凝胶法制备而成。3.根据权利要求1所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤1中，表征实验为场发射扫描电子显微镜(sem)、高分辨率的场透射电子显微镜(tem)、氮气吸附或压汞实验法。4.根据权利要求1所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤2中，首次迭代时，θ1设置为0.2，χ1设置为1.0。5.根据权利要求1所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤3中，第n次迭代时，模拟区域内颗粒数量n
n
的计算方法如下：式中，ε为气凝胶材料的孔隙率，v为模拟区域的体积，r为颗粒的半径，θ
n
为第n次迭代时，颗粒重叠区域厚度与半径之比的最大值，χ
n
表示第n次迭代时，模拟区域颗粒数量的修
正系数；t到t δt时间内，第i颗粒在模拟区域内的位移表示为：t到t δt时间内，第i颗粒在模拟区域内的位移表示为：t到t δt时间内，第i颗粒在模拟区域内的位移表示为：式中x表示位移，t表示时间，k为boltzmann常数，t为温度，μ表示前驱体溶剂的动力学粘度；x
i
(t)和x
i
(t δt)分别表示t时刻和t δt时刻i颗粒在x方向上的位移，δx
i
(t)表示两个时刻间该颗粒的位移差，颗粒在模拟区域内做brownian运动，δx
i
(t)服从均值为方差为的正态分布，当颗粒运动过程中仅受随机力的作用时，为零，根据einstein
‑
stokes方程进行计算。6.根据权利要求5所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤4中，首先，对模拟区域划分网格，每个网格的最长边应小于重构模型内颗粒半径的一半，遍历所有网格，当一个网格的所有顶点均在重构的结构中的孔隙部分内时，则定义该网格为结构内孔体积的一部分，重构模型的孔隙率为：式中ε
re
表示重构模型的孔隙率，v
pore
表示孔隙部分网格的体积；其次，采用hoshen
‑
kopelman方法计算重构模型的有效孔体积；再次，采用gelb
‑
gubbins方法对重构模型的孔径分布进行计算，并在其中采用largest sphere方法计算纳米孔的孔径；最后，基于重构结构的孔径分布曲线，计算重构模型的平均孔径，计算方法如下：式中f
d
表示孔径为d的孔体积在有效孔体积中的占比，d
max
，d
min
和d
mean
分别表示重构模型的最大，最小和平均孔径。7.根据权利要求6所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤5中，参数值的更新计算方法如下：于，所述步骤5中，参数值的更新计算方法如下：式中，d
mean
和ε表示气凝胶材料平均孔径和孔隙率的实验值，d
mean,re
和ε
re
表示根据重构模型计算的平均孔径和孔隙率，α1和α2为迭代过程设置的松弛因子。
8.根据权利要求1或7所述气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，其特征在于，所述步骤6中，设定值为2％。

技术总结
本发明为一种气凝胶材料颗粒交联三维多孔结构的数值重构方法，对气凝胶材料前驱体溶液内颗粒的布朗运动及颗粒间的交联反应进行模拟，通过迭代改变颗粒交联反应条件及初始粒子数量，获得与气凝胶固相结构的密度、有效孔体积及孔径分布均吻合良好的重构模型。本发明改进了有限扩散交联重构方法(DLCA)，重现了气凝胶材料颗粒交联三维固体结构的真实形成过程，考虑了颗粒间交联反应导致的体积重叠对整体结构形貌及孔隙结构参数的影响，提供了能够更为准确地重构气凝胶材料微观孔隙结构的数值方法。将所得重构模型应用到气凝胶材料内热质传输的孔尺度模拟中，可以更精确地描述气凝胶材料纳米孔隙内的传质传热过程，提高孔尺度模拟结果的准确性。模拟结果的准确性。模拟结果的准确性。


技术研发人员：何雅玲 戴嘉鹏 杜燊 李冬 童自翔
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.08.31
技术公布日：2021/11/30