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微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟近年来，微尺度多孔介质流体力学研究得到了广泛关注，其在石油开采、地下水资源管理、生物医药领域以及环境工程方面具有重要的应用价值。
为了深入理解多孔介质中流体的行为规律，研究人员逐渐发展出了多孔介质流体力学模型，通过数值模拟方法对其进行研究。
多孔介质是由许多孔隙和固体颗粒组成的介质，其内部孔隙结构复杂，以点状、线状和面状形式存在。
流体在多孔介质中的运动行为具有许多特殊性质，如渗流、传质、浸润等。
微尺度多孔介质流体力学模型的建立旨在揭示流体在微观尺度上的运动规律，为多孔介质中的流体行为提供合理的描述和解释。
在微尺度多孔介质流体力学模型的建立中，孔隙网络结构、流体的渗流特性以及固体颗粒的形态都是必须考虑的因素。
许多研究者使用连续介质力学的方法，将多孔介质看作是连续的均质介质，并采用达西定律和达西-布兰科方程来描述流体在孔隙中的渗流行为。
此外，还有一些研究者使用离散介质力学的方法，将多孔介质看作是由离散的颗粒组成的，通过分子动力学模拟等方法研究其流体力学行为。
数值模拟方法在微尺度多孔介质流体力学研究中具有重要的作用。
通过数值模拟可以模拟多孔介质中流体运动的各种细节，如流速分布、压力梯度、渗透率等，有助于进一步了解多孔介质中流体的行为规律。
目前常用的微尺度多孔介质流体力学数值模拟方法主要包括有限元法、格子Boltzmann方法、格子气体自动机方法等。
这些方法能够模拟多孔介质中的非线性流动、多相流动以及多组分传质等复杂现象。
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟对于多领域的应用具有重要意义。
在石油开采中，通过建立合理的流体力学模型和数值模拟方法，可以预测油田中的渗流路径，优化生产方案，提高采收率。
在地下水资源管理中，能够通过模拟地下水流动规律，分析地下水的开发和利用方式，保护地下水资源。
在生物医药领域中，研究微尺度多孔介质中生物流体的行为规律，有助于设计和优化生物材料、药物传输系统以及人工组织工程。
饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型1引言在自然界和生产生活中，饱和多孔介质的流动现象十分广泛。
众所周知，饱和多孔介质的独特结构使其具有高度的孔隙度和渗透性，因此具有流固耦合的特性。
为了更好地描述及预测这种流动现象，发展饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型，对于实际应用有着重要的意义。
2饱和多孔介质的特性及其组成饱和多孔介质不仅具有微观孔隙、渗透孔道和渗透网络的结构，而且其驱动力和流动过程相互作用，这使得其具有流固耦合的特性。
具体而言，它的物理特性如下：2.1孔隙结构饱和多孔介质内部的孔隙呈现出复杂多变的结构。
它的大小和形状不一，孔隙之间的连通性、多孔几何结构和排列方式均能影响多孔介质的渗透性。
2.2渗透性饱和多孔介质具有独特的渗透性，即具有渗透性的孔隙空间中可以流体渗透。
其内部流动是由孔隙中压力场所决定的。
2.3流固耦合饱和多孔介质中流态和固态之间具有相互联系和相互作用的关系。
流体流动的速度和压力将直接影响固体的应力状态，从而在不确定的流动环境下建立一个既含有流动方程，也含有固体应力方程的方程耦合系统。
3饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型随着计算机技术的不断发展以及人们对饱和多孔介质流体场和固体应力场相互作用的理解的不断深入，建立饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型成为了必然的趋势。
3.1渗流模型渗流模型用来描述饱和多孔介质中的流体运动。
通常情况下，通过达西定律等流动方程来描述渗透扩散的过程，常用的方法有静态水头平衡方程、达西定理方程以及Forchheimer方程等，但这些方程都没有考虑到渗透流与固体应力之间的相互耦合。
3.2应力模型应力模型用来描述固体的应力状态。
饱和多孔介质中固体应力的计算受到材料的特性、孔隙率以及渗透压力的影响。
这里可以采用连续介质力学的方法建立微分方程组，描述固体应力与传统渗透方程耦合的问题。
3.3流固耦合模型流固耦合模型是将渗透模型和应力模型相结合，描述饱和多孔介质中流体场和固体场之间的相互作用。
我做的多孔介质的简单例子（均为k-e RNG所做）)模型仿真结果多孔介质定义的方法(2008-12-14 20:28:12)不知道怎的，这些日子都跟多孔介质干上了1. Define the porous zone.2. Define the porous velocity formulation. (optional)3. Identify the fluid material flowing through the porous medium.4. Enable reactions for the porous zone, if appropriate, and select the reaction mechanism.5. Set the viscous resistance coefficients and the inertial resistance coefficients , and define the direction vectors for which they apply. Alternatively, specify the coefficients for the power-law model.6. Specify the porosity of the porous medium.7. Select the material contained in the porous medium (required only for models that include heat transfer). Note that the specific heat capacity, , for the selected material in the porous zone can only be entered as a constant value.8. Set the volumetric heat generation rate in the solid portion of the porous medium (or any other sources, such as mass or momentum). (optional)9. Set any fixed values for solution variables in the fluid region (optional).10.Suppress the turbulent viscosity in the porous region, if appropriate.11. Specify the rotation axis and/or zone motion, if relevant.fluent中多孔介质porous media设置问题(2008-12-13 20:08:07)标签：杂谈分类：CFD计算流体力学经过痛苦的一段经历，终于将局部问题真相大白，为了使保位同仁不再经过我之痛苦，现在将本人多孔介质经验公布如下，希望各位能加精：1。
多孔介质孔隙网络模型的应用现状
高慧梅;姜汉桥;陈民锋
【期刊名称】《大庆石油地质与开发》
【年(卷),期】2007(026)002
【摘要】孔隙网络模型广泛应用于多孔介质的微观模拟中,已经可以较好地实现对渗流参数的定量预测,并用来描述微观渗流过程.首先对孔隙网络模型建立方法和孔隙空间描述作了扼要介绍,总结了准静态和动态两类孔隙网络模型的特征及应用范围,然后着重论述了孔隙网络模型的应用情况及研究较活跃的几个方面,最后对其发展趋势进行了展望.
【总页数】6页(P74-79)
【作者】高慧梅;姜汉桥;陈民锋
【作者单位】中国石油大学,石油天然气工程学院,北京,102249;中国石油大学,提高采收率研究中心,北京,102249;中国石油大学,提高采收率研究中心,北京,102249【正文语种】中文
【中图分类】TE319
【相关文献】
1.孔隙率对Al2O3高孔隙率多孔介质EHC的影响 [J], 潘宏亮;O.Pickenacker;等
2.孔隙结构参数对聚合物驱采收率的影响——应用三维孔隙网络模型 [J], 李洁;李亚;周丛丛
3.多孔介质物料热风干燥孔道网络模型研究进展 [J], 徐武明;杨明金;唐甜;刘峰;杨玲
4.分形多孔介质孔道网络模型的构建 [J], 宫英振;牛海霞;董正茂;刘相东
5.孔隙尺度各向异性与孔隙分布非均质性对多孔介质渗透率的影响机理 [J], 李滔;李闽;荆雪琪;肖文联;崔庆武
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分形多孔介质孔道网络模型的构建宫英振;牛海霞;董正茂;刘相东【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2009(040)011【摘要】采用压汞试验获得实际多孔介质的微观结构参数.以冻干马铃薯为例计算了孔隙分形维数,结果表明冻干马铃薯结构具有显著的分形特性.运用位似变换理论、分形理论、Voronoi图以及马铃薯的特征参数等,构建出与马铃薯结构参数相对应的二维分形孔道网络模型.构建的网络模型考虑了影响多孔介质干燥的孔道微细结构特征,模型参数能够很好地反映多孔物料的微观结构.且获得了合理的分形维数.%The micro-structure parameters of the actual porous media through mercury intrusion experiment were obtained, and the fractal dimension of pore distribution was calculated, taking frozen-dried potato for example. The result showed that the pores in the freeze-dried potato presented the remarkably fractal properties. A two-dimensional fractal pore network model of porous media was constructed based on the theories of homothetic reduction, fractal geometry, Voronoi diagram, along with the structural parameter of potato. Since pore microstructure characteristic was considered into the model, the parameter of network model can well reflect the microstructure of porous materials, and the reasonable fractal dimension was obtained.【总页数】7页(P109-114,108)【作者】宫英振;牛海霞;董正茂;刘相东【作者单位】中国农业大学工学院,北京,100083;中国农业大学工学院,北京,100083;内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特,010018;中国农业大学工学院,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TQ021.4【相关文献】1.多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅰ.模型建立 [J], 袁越锦;杨彬彬;焦阳;刘相东2.多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅱ.数值模拟与试验验证 [J], 袁越锦;杨彬彬;焦阳;刘相东3.多孔介质干燥孔道网络模型的研究进展 [J], 戴萍;姜任秋;沈胜强4.多孔介质物料热风干燥孔道网络模型研究进展 [J], 徐武明;杨明金;唐甜;刘峰;杨玲5.多孔介质恒温缓慢干燥的孔道网络模型与模拟 [J], 袁越锦;杨彬彬;刘相东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多孔介质模型的参数设置1. 引言多孔介质是指由一些具有孔隙结构的实体组成的材料，孔隙可以是连通的或者不连通的。
多孔介质模型是描述多孔介质中流体运动的数学模型。
在进行多孔介质模拟时，合理设置参数是非常重要的，本文将对多孔介质模型的参数设置进行全面、详细、完整且深入地探讨。
2. 多孔介质模型的基本理论2.1 多孔介质的物理特性多孔介质通常具有以下几个重要的物理特性：•孔隙度：衡量多孔介质中孔隙的占据空间的百分比。
•渗透性：衡量多孔介质允许流体通过的能力。
•孔隙结构：包括孔隙大小分布、形状以及连通性等。
2.2 多孔介质流动模型多孔介质流动模型可以分为宏观尺度模型和微观尺度模型。
宏观尺度模型假设多孔介质具有连续均匀的介质性质，通过Darcy定律描述多孔介质中的流动。
微观尺度模型考虑具体的孔隙结构，通过Navier-Stokes方程描述多孔介质中的流动。
3. 多孔介质模型的参数设置方法3.1 多孔介质几何参数的设置方法多孔介质的几何参数包括孔隙度、孔隙结构等。
合理设置多孔介质的几何参数是建立模型的基础，常用的方法有：1.实验测量方法：通过实验手段测量多孔介质样本的孔隙度、孔隙结构等参数。
2.数值模拟方法：使用计算流体力学方法对多孔介质样本进行数值模拟，得到几何参数。
3.2 多孔介质流动参数的设置方法多孔介质中的流动参数包括渗透性、渗透率等。
合理设置流动参数可以准确描述多孔介质中的流动行为，常用的方法有：1.实验测量方法：通过渗透实验等手段测量多孔介质的渗透性、渗透率等参数。
2.数值模拟方法：使用计算流体力学方法对多孔介质中的流动进行数值模拟，得到流动参数。
3.经验公式方法：根据多孔介质样本的物理特性，利用经验公式估计流动参数。
4. 多孔介质模型参数的影响因素4.1 孔隙度对模型参数的影响孔隙度是多孔介质模型中一个重要的参数，它对模型的流动行为有着重要的影响。
较大的孔隙度会降低多孔介质的渗透性和渗透率，而较小的孔隙度则会增加多孔介质的渗透性和渗透率。
多孔介质流固耦合模型全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：多孔介质是一种具有孔隙结构的介质，其内部空间可以充满气体或液体。
在工程应用中，多孔介质广泛存在于地下水层、土壤、岩石等领域，其流体运动受到物理和化学环境的复杂影响，因此需要建立多孔介质流固耦合模型来研究其流动特性。
多孔介质流固耦合模型是将多孔介质内部的固相颗粒和流体相耦合起来，通过数学方程描述多孔介质内部的流体流动和固体颗粒的运动规律。
多孔介质流固耦合模型的构建涉及多孔介质内部流动的描述、固相颗粒的运动规律、力学和流体动力学方程的建立等多个方面。
在多孔介质内部的流动描述方面，常用的方法包括达西定律和布里渊方程。
达西定律是描述多孔介质内部流体流动速度与渗透率之间的关系的经典定律，其表示为：\[ v = -K \frac{∇p}{μ} \]v为流速，K为渗透率，p为压力，μ为粘度。
布里渊方程则是描述多孔介质内部流体流动速度随位置变化的变化规律，其表示为：ρ为流体密度，g为重力加速度，z为高度。
达西定律和布里渊方程可以结合使用，建立多孔介质内部流动的数学模型。
固相颗粒的运动规律是多孔介质流固耦合模型的另一个关键方面。
通常情况下，多孔介质内部的固相颗粒会受到流体作用力和固相颗粒之间的相互作用力的影响，其运动规律可以用牛顿第二定律和达西定律描述。
牛顿第二定律表示为：\[ F = ma \]F为作用力，m为质量，a为加速度。
达西定律描述了固相颗粒受到的流体作用力与流速之间的关系。
通过以上分析，我们可以看出，多孔介质流固耦合模型是描述多孔介质内部流动和固相颗粒运动的重要数学模型，其建立需要考虑多个方面的因素。
在实际工程应用中，多孔介质流固耦合模型可以用于研究地下水流动、土壤固结、岩石力学等问题，为工程设计和科学研究提供重要的参考依据。
希望通过本文的介绍，读者能够对多孔介质流固耦合模型有更深入的了解，并在实际应用中取得更好的研究成果。
第二篇示例：多孔介质是一种具有孔隙结构的材料，它可以允许流体通过或在其中存储流体。
2012年齐鲁大学生软件设计大赛命题多孔介质的网络模型构建（中国石油大学宫法明）一、课题背景简介多孔介质是指内部含有大量空隙（void）的固体，固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间。
多孔介质内部的空隙极其微小。
储集石油和天然气的砂岩地层的空隙直径大多在不足1微米到500微米之间；毛细血管内径一般为5～15微米；肺泡-微细支气管系统的空隙直径一般为200微米左右或更小；植物体内输送水分和糖分的空隙直径一般不大于40微米。
一般多孔介质的空隙都是相通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
由于多孔介质本身的不均匀性、随机性和几何拓扑结构的复杂性，其内部渗透特性、流体传递过程等难以实测。
因此，利用计算机对多孔介质进行微观建模，通过计算获取多孔介质的相关构造参数具有重要的研究价值。
注：本竞赛题目来自目前在研的一项国家科技重大专项课题，是其中的一部分，属于比较关键的基础研究，选报本题目的参赛选手在锻炼自己的同时，取得的任何一点成果，都很有可能会为国家做出重要的贡献。
二、课题研究的基本思路及环节用计算机对多孔介质进行相关研究的基本思路及环节是：①借助工业用微焦点CT 系统（目前已在使用纳米测量技术，数据更丰富，精度更准确），获取一系列能够真实描述多孔介质的微观空隙结构的CT 切片图像；图1所示为其中一张：图1：CT切片图像②对每幅CT图像进行分割，找到空隙和固体骨架之间的边界，从而可以将固体部分剔除，只留下空隙部分所占据的平面区域；图2所示为分割结果（一个矩形的部分区域）中的一张（黑色部分为空隙）：图2：分割结果③将一系列CT图像中空隙部分所占据的区域叠加在一起，便构成了整个体积空间中所有空隙构成的一个三维体，从而可以用三维显示技术将空隙空间显示出来；如图3所示：图3：空隙的三维体数据④上述步骤产生的空隙体数据一般数据量较大，影响显示的实时性，且大量空隙相互遮挡，不利观察，也不利于后续的各种参数计算，因此需要构建空隙空间的几何模型，通俗的说，就是在空隙体数据外围包上一层皮（一般是网状的，如四边形网格或三角网格），对这个“皮”进行材质、光照等设置之后显示出来，效果就有了较真实的展示。
多孔介质模型多孔介质,-,技术总结12.4.3 可压缩流动的求解策略可压缩流动求解中速度、密度、压力和能量的高度耦合以及可能存在的激波导致求解过程不稳定。
有助于改善可压缩流动计算过程稳定性的方法有???(仅适用于基于压力求解器）以接近于滞止条件的流动参数进行初始化(即,压力很小但不为零,压力和温度分别等于进口总压和总温)。
在迭代过程的最初几十步不求解能量方程。
设置能量方程的亚松驰因子等于1,压力的亚松驰因子0.4,动量的亚松驰因子0.3。
求解过程稳定后再加入能量方程的求解,并将压力的亚松驰因子提高到0.7。
?设置合理的温度和压力限制值以避免求解过程发散。
?必要时,先以较低的进、出口边界压力比进行求解,然后再逐步升高压力比直到预定工况。
对于低Mach 数流动,也可以先求解不可压缩流动,然后以所得到的解作为可压缩流动的迭代初值。
某些情况下,也可以先求解无粘性流动作为迭代初值。
2.5 无粘性流动在高Re数流动中,惯性力相对于粘性力而言起支配作用,可忽略粘性的影响。
例如高速飞行器在空气动力学方案分析阶段可以采用无粘性流动计算初步确定外形,然后进行粘性计算,将流体粘性和湍流粘性对升力和阻力的影响计入。
无粘性流动计算的另一个用途是给复杂的流动提供好的迭代初值。
对于特别复杂的问题有时这是唯一能使求解过程进行下去的方法。
无粘性流动的计算求解 Euler 方程。
其中质量方程与粘性流动的相同:?粘性耗散项能量方程与粘性流动相比,式(2.34)~式(2.36)中符号的意义与粘性流动控制方程的相同见(2.1.1~2.1.3 节)。
2.6 多孔介质模型多孔介质(Porous Media)模型可用于模拟许多问题,包括流过填充床、滤纸、多孔板、布流器、管排等的流动。
多孔介质模型在流体区上定义(见17.2.1 节)。
此外,一个被称为多孔阶跃面(porous jump)的多孔介质模型的一维简化可用于模拟已知速度?压降特性的薄膜。
2012年齐鲁大学生软件设计大赛命题
多孔介质的网络模型构建
（中国石油大学宫法明）
一、课题背景简介
多孔介质是指内部含有大量空隙（void）的固体，固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间。
多孔介质内部的空隙极其微小。
储集石油和天然气的砂岩地层的空隙直径大多在不足1微米到500微米之间；毛细血管内径一般为5～15微米；肺泡-微细支气管系统的空隙直径一般为200微米左右或更小；植物体内输送水分和糖分的空隙直径一般不大于40微米。
一般多孔介质的空隙都是相通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
由于多孔介质本身的不均匀性、随机性和几何拓扑结构的复杂性，其内部渗透特性、流体传递过程等难以实测。
因此，利用计算机对多孔介质进行微观建模，通过计算获取多孔介质的相关构造参数具有重要的研究价值。
注：本竞赛题目来自目前在研的一项国家科技重大专项课题，是其中的一部分，属于比较关键的基础研究，选报本题目的参赛选手在锻炼自己的同时，取得的任何一点成果，都很有可能会为国家做出重要的贡献。
二、课题研究的基本思路及环节
用计算机对多孔介质进行相关研究的基本思路及环节是：
①借助工业用微焦点CT 系统（目前已在使用纳米测量技术，数据更丰富，精度更准确），获取一系列能够真实描述多孔介质的微观空隙结构的CT 切片图像；图1所示为其中一张：
图1：CT切片图像
②对每幅CT图像进行分割，找到空隙和固体骨架之间的边界，从而可以将固体部分剔除，只留下空隙部分所占据的平面区域；图2所示为分割结果（一个矩形的部分区域）中的一张（黑色
部分为空隙）：
图2：分割结果
③将一系列CT图像中空隙部分所占据的区域叠加在一起，便构成了整个体积空间中所有空隙构成的一个三维体，从而可以用三维显示技术将空隙空间显示出来；如图3所示：
图3：空隙的三维体数据
④上述步骤产生的空隙体数据一般数据量较大，影响显示的实时性，且大量空隙相互遮挡，不利观察，也不利于后续的各种参数计算，因此需要构建空隙空间的几何模型，通俗的说，就是在空隙体数据外围包上一层皮（一般是网状的，如四边形网格或三角网格），对这个“皮”进行材质、光照等设置之后显示出来，效果就有了较真实的展示。
如图4所示：
图4：空隙空间的几何模型（左）及使用的三角网格（右）
⑤在第③步生成的数据体的基础上，采用合适的算法（如燃烧算法）提取空隙空间的中轴。
如图5所示：
图5：空隙空间的中轴
⑥第⑤步提取的中轴反映了空隙空间中连通性的拓扑结构，结合体数据及提取的中轴，识别出整个空隙空间中所有的孔隙（注意：不是空隙，而是孔隙，所谓孔隙，是指在局部相对较大的空隙
空间）和喉道（孔隙与孔隙之间相互连接的相对细窄的空隙空间），这一步骤称为孔喉分割。
⑦建立空隙空间的网络模型。
用球体代表孔隙（球体的半径反映了孔隙的大小），用圆柱体代表喉道（圆柱体的截面半径代表了喉道最细处的截面大小），根据中轴反映的拓扑连接关系，用圆柱体将代表孔隙的这些球体连接起来，就形成了空隙空间的网络模型。
如图6所示：
图6：空隙空间的网络模型
⑧在获得了空隙空间的几何构造、连接拓扑并进行了孔喉分割后，即可计算相关参数，比如空隙的表面积，空隙与固体骨架的体积比等，至于需要计算什么样的参数，可由参赛选手通过查找相关文献自主确定。
三、研究方法
本课题属于方法研究类课题，最终作品不对用户界面做过多要求，甚至可以采用字符界面，重点应放在每个环节的算法思路及输入输出数据的格式设计与处理上。
“二”中给出的各个环节存在着一些依赖关系，即A环节需要用到B环节产生的数据作为输入，A 产生的结果数据又可能作为另一环节C的输入。
在上述7个环节中，③依赖②，④依赖③，⑤依赖③，⑥依赖⑤和③，⑦依赖⑥，团队在分工和课题实施过程上要充分考虑到这些环节之间的依赖关系，做好人员分配及各环节的实施进度安排。
每个环节都需要设计算法来实现数据的处理，这些算法都具有相当的难度，一般说来，有两种途径来获得算法思路，一是自己独立设计，按照已有数据及要实现的目标，设计出可行的算法并加以实施和验证；二是查阅科技文献（大多是一些英文文献，由于这些算法具有较大难度，国内起步又较晚，所以中文文献很少），借鉴前人的思路及经验来实现这些算法，我个人认为，两种途径没有优劣之分，各有各的优势，后者是站在巨人的肩膀上，得到的启发会比较多，但同时思路也被限制到了前人的框架中了；前者难度虽然较大，可能绞尽脑汁也想不出来，但一旦有了可行的思路，那很可能会产生一种前人没有做过的途径，给这些难题的解决带来新的生机。
四、评审依据
1.大赛组委会或命题教师为各参赛团队提供统一的CT切片图像数据，为了客观公正的对比各团队作品的质量，私自采用其他图像数据是不允许的。
2.在每个环节算法基本正确的前提下，优先考虑实现①~⑦这7个环节的数量，若实现数量相同，再反过来一一评判每个环节算法质量（包括准确度及执行效率）。
3.每个环节的算法都具有一定的难度，有了思路，在实现过程中会遇到大量的这样那样的问题，可能会导致最终不能运行，因此，要求各团队针对（有了思路的）每个环节的算法，要提交一篇技术论文，详细介绍并论证其算法的思路、原理、可行性、存在（或可能存在）的问题或劣势等，格式可参考正规的科技文献书写格式。
每个算法的论文奖作为评审的重要依据，因此，最终某个环节的作品没有完成或不能运行，并不意味着失分。
4.界面不作为重点评审依据，其他条件基本同等的情况下，才考虑界面因素。
5.不同于其他课题，考虑到本课题的难度及侧重目标，将放宽作品在健壮性方面的要求，重点考虑算法本身。
其它未提及的内容，如作品提交方式及时间等，遵照大赛网站发布的各种文件执行。
