Пористая среда

В материаловедении пористая среда или пористый материал — это материал, содержащий поры (пустоты). ^{[ 1 ]} Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или «рамкой». Поры обычно заполнены жидкостью ( жидкостью или газом ) . Скелетный материал обычно представляет собой твердый материал , но такие структуры, как пена , часто также полезно анализировать с использованием концепции пористой среды.

Пористая среда чаще всего характеризуется своей пористостью . Другие свойства среды (например , проницаемость , прочность на разрыв , электропроводность , извилистость ) иногда можно вывести из соответствующих свойств ее составляющих (твердой матрицы и жидкости), а также пористости среды и структуры пор, но такой вывод обычно является сложным. Даже концепция пористости понятна только для пороэластичной среды.

Часто и твердая матрица, и сеть пор (также известная как поровое пространство) являются непрерывными, образуя два взаимопроникающих континуума, как, например, в губке . Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективной пористости , т.е. порового пространства, доступного для потока.

Многие природные вещества, такие как камни и почва (например, водоносные горизонты , нефтяные резервуары ), цеолиты , биологические ткани (например, кости, древесина, пробка ), а также искусственные материалы, такие как цемент и керамика, можно рассматривать как пористую среду. Многие из их важных свойств можно объяснить, только рассматривая их как пористую среду.

Понятие пористой среды используется во многих областях прикладной науки и техники: фильтрации , механике ( акустика , геомеханика , механика грунтов , механика горных пород ), технике ( нефтяная инженерия , биоремедиация , строительное строительство ), наукам о земле ( гидрогеология , нефтяная геология , геофизика). ), биология и биофизика , материаловедение . Двумя важными текущими областями применения пористых материалов являются преобразование энергии и хранение энергии , где пористые материалы необходимы для суперпакситоров, (фото-) катализа , ^{[ 2 ]} топливные элементы , ^{[ 3 ]} и батарейки .

Микроскопические и макроскопические

Пористые среды можно классифицировать на микроскопическом и макроскопическом уровнях. В микроскопическом масштабе структура статистически представлена распределением пор по размерам, степенью взаимодействия и ориентации пор, долей мертвых пор и т. д. ^{[ 4 ]} Макроскопический метод использует объемные свойства , усредненные в масштабах, намного превышающих размер пор. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

В зависимости от цели эти два метода часто используются, поскольку они дополняют друг друга. Очевидно, что микроскопическое описание необходимо для понимания поверхностных явлений, таких как адсорбция макромолекул из растворов полимеров и блокирование пор, тогда как макроскопический подход часто вполне достаточен для проектирования процессов, где поток жидкости , тепло и массоперенос имеют наибольшие значения. беспокойство. а размеры молекул существенно меньше размера пор пористой системы. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

Течение жидкости через пористую среду

Течение жидкости через пористую среду является предметом общего интереса и стало отдельной областью исследований. Изучение более общего поведения пористых сред, связанное с деформацией твердого каркаса, называется поромеханикой .

Теория пористых потоков находит применение в струйной печати. ^{[ 7 ]} и захоронение ядерных отходов ^{[ 8 ]} технологии и др.

На поток жидкости в пористой среде влияют многочисленные факторы, и его основная функция — расходовать энергию и создавать жидкость через ствол скважины. В механике течения через пористую среду наиболее важным вопросом становится связь энергии и скорости потока. Наиболее фундаментальным законом, характеризующим эту связь, является закон Дарси , ^{[ 9 ]} особенно применимо к мелкопористым средам. Напротив, закон Форхгеймера находит применение в контексте крупнопористых сред. ^{[ 10 ]}

Модели пористой структуры

Представление пустотной фазы, существующей внутри пористых материалов, с использованием набора или сети пор. Он служит структурной основой для прогнозирования параметров транспорта и используется в контексте характеристики поровой структуры. ^{[ 11 ]}

Существует множество идеализированных моделей поровых структур. Их можно условно разделить на три категории:

сети капилляров
массивы твердых частиц (например, случайная плотная упаковка сфер)
тримодальный

Пористые материалы часто имеют фрактальную структуру с площадью поверхности пор, которая, кажется, бесконечно растет, если смотреть с постепенно увеличивающимся разрешением. ^{[ 12 ]} Математически это описывается присвоением поверхности пор хаусдорфовой размерности больше 2. ^{[ 13 ]} Экспериментальные методы исследования поровых структур включают конфокальную микроскопию. ^{[ 14 ]} и рентгеновская томография . ^{[ 15 ]} Пористые материалы нашли применение во многих областях техники, включая автомобильную промышленность. ^{[ 16 ]}

Законы для пористых материалов

Одним из законов пористых материалов является обобщенный закон Мюррея . Обобщенный закон Мюррея основан на оптимизации массопереноса за счет минимизации транспортного сопротивления в порах заданного объема и может быть применим для оптимизации массопереноса, включающего изменение массы и химических реакций, включающих процессы течения, диффузию молекул или ионов. ^{[ 17 ]}

Для соединения родительской трубы с радиусом r ₀ со многими дочерними трубами с радиусом r _i формула обобщенного закона Мюррея такова: $r_{o}^{a}={1 \over 1-X}\sum _{i=1}^{N}r_{i}^{a}$ , где X — коэффициент изменения массы при массопереносе в материнской поре, показатель степени α зависит от типа переноса. Для ламинарного течения α =3; для турбулентного течения α =7/3; для молекул или ионной диффузии α =2; и т. д.

См. также

Ссылки

^ Су, Бао-Лянь; Санчес, Клеман; Ян, Сяо-Ю, ред. (2011). Иерархически структурированные пористые материалы: от нанонауки к катализу, разделению, оптике, энергетике и наукам о жизни — Интернет-библиотека Wiley . дои : 10.1002/9783527639588 . ISBN 9783527639588 .
^ Мадану, Томас Л.; Муше, Себастьен Р.; Депари, Оливье; Лю, Цзин; Ли, Ю; Су, Бао-Лянь (2023). «Настройка и передача медленных фотонов из фотонных кристаллов TiO2 в наночастицы BiVO4 для беспрецедентного фотокатализа в видимом свете» . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 634 : 290–299. дои : 10.1016/j.jcis.2022.12.033 .
^ Чжан, Тао; Асефа, Теодрос (2020). Гитис, Виталий; Ротенберг, Гади (ред.). Справочник по пористым материалам . Сингапур: ВСЕМИРНАЯ НАУЧНАЯ. дои : 10.1142/11909 . ISBN 978-981-12-2322-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чабра, РП; Ричардсон, Дж. Ф. (1 января 2008 г.). «Глава 5 – Системы твердых частиц» . Неньютоновское течение и прикладная реология (второе издание) . Баттерворт-Хайнеманн: 249–315. дои : 10.1016/b978-0-7506-8532-0.00005-6 . ISBN 9780750685320 .
^ «3 – Транспорт красителей в жидкостных системах» . Моделирование, моделирование и управление процессом крашения . Издательство Вудхед: 54–81. 1 января 2014 г. doi : 10.1533/9780857097583.54 . ISBN 9780857091338 .
^ Фу, Цзиньлун; Томас, Хиуэл Р.; Ли, Чэньфэн (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Обзоры наук о Земле . 212 : 103439. doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439 . S2CID 229386129 .
^ Стивен Д. Хоат, «Основы струйной печати - наука о струйной печати и каплях», Wiley VCH 2016
^ Мартинес М.Дж., Мактиг Д.Ф. (1996) Моделирование изоляции ядерных отходов: приблизительные решения для потока в ненасыщенных пористых средах. В: Уиллер М.Ф. (ред.) Экологические исследования. Тома IMA по математике и ее приложениям, том 79. Спрингер, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
^ «Основная теория». Поток жидкости в пористых средах : 47–67. Ноябрь 2020 г. doi : 10.1142/9789811219535_0002 . ISBN 978-981-12-1952-8 .
^ Мохаммадизаде, Сейед Мехди; Могаддам, Мехди Аждари; Талеббейдохти, Насер (2021). «Анализ потока в пористой среде с использованием комбинированной сети на поверхности без давления». журнал Porous Media . Begel House Inc.: 1–15. дои : 10.1615/JPorMedia.2021025407 .
^ Бурганос, Василис (2015). «Модель пор» . Энциклопедия мембран . Спрингер: 1–2. дои : 10.1007/978-3-642-40872-4_1055-2 . ISBN 978-3-642-40872-4 .
^ Дутта, Тапати (2003). «Фрактальная пористая структура осадочных пород: моделирование методом баллистического осаждения» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 108 (B2): 2062. Бибкод : 2003JGRB..108.2062D . дои : 10.1029/2001JB000523 .
^ Кроуфорд, JW (1994). «Взаимосвязь между структурой и гидравлической проводимостью почвы». Европейский журнал почвоведения . 45 (4): 493–502. дои : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00535.x .
^ Руководитель MK, Х.С. Вонг, Н.Р. Буэнфельд, «Характеристика зерен Хэдли с помощью конфокальной микроскопии», Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483–1489
^ Пэн, Шэн; Ху, Циньхун; Дульц, Стефан; Чжан, Мин (2012). «Использование рентгеновской компьютерной томографии для определения характеристик поровой структуры песчаника Береа: эффект разрешения». Журнал гидрологии . 472–473: 254–261. Бибкод : 2012JHyd..472..254P . doi : 10.1016/j.jгидроl.2012.09.034 .
^ Раванбод, Мохаммед (2023). «Впускной канал с пористым покрытием: новый подход к ослаблению распространения звука, вызванного потоком на входе автомобильного турбокомпрессора» . Инженерные исследования Экспресс . 5 (1): 015047. doi : 10.1088/2631-8695/acbfa4 .
^ Чжэн, Сяньфэн; Шен, Гофан; Ван, Чао; Ли, Ю; Данфи, Даррен; Хасан, Тауфик ; Бринкер, К. Джеффри; Су, Бао-Лянь (06 апреля 2017 г.). «Биоматериалы Мюррея для массообмена и активности» . Природные коммуникации . 8 : 14921. Бибкод : 2017NatCo...814921Z . дои : 10.1038/ncomms14921 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5384213 . ПМИД 28382972 .

Дальнейшее чтение

Дж. Медведь; (1972) Динамика жидкостей в пористых средах. (Эльзевир, Нью-Йорк)

Внешние ссылки

[1] Су, Бао-Лянь; Санчес, Клеман; Ян, Сяо-Ю, ред. (2011). Иерархически структурированные пористые материалы: от нанонауки к катализу, разделению, оптике, энергетике и наукам о жизни — Интернет-библиотека Wiley . дои : 10.1002/9783527639588 . ISBN 9783527639588 .

[2] Мадану, Томас Л.; Муше, Себастьен Р.; Депари, Оливье; Лю, Цзин; Ли, Ю; Су, Бао-Лянь (2023). «Настройка и передача медленных фотонов из фотонных кристаллов TiO2 в наночастицы BiVO4 для беспрецедентного фотокатализа в видимом свете» . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 634 : 290–299. дои : 10.1016/j.jcis.2022.12.033 .

[3] Чжан, Тао; Асефа, Теодрос (2020). Гитис, Виталий; Ротенберг, Гади (ред.). Справочник по пористым материалам . Сингапур: ВСЕМИРНАЯ НАУЧНАЯ. дои : 10.1142/11909 . ISBN 978-981-12-2322-8 .

[Particulate_systems-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чабра, РП; Ричардсон, Дж. Ф. (1 января 2008 г.). «Глава 5 – Системы твердых частиц» . Неньютоновское течение и прикладная реология (второе издание) . Баттерворт-Хайнеманн: 249–315. дои : 10.1016/b978-0-7506-8532-0.00005-6 . ISBN 9780750685320 .

[5] «3 – Транспорт красителей в жидкостных системах» . Моделирование, моделирование и управление процессом крашения . Издательство Вудхед: 54–81. 1 января 2014 г. doi : 10.1533/9780857097583.54 . ISBN 9780857091338 .

[6] Фу, Цзиньлун; Томас, Хиуэл Р.; Ли, Чэньфэн (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Обзоры наук о Земле . 212 : 103439. doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439 . S2CID 229386129 .

[7] Стивен Д. Хоат, «Основы струйной печати - наука о струйной печати и каплях», Wiley VCH 2016

[8] Мартинес М.Дж., Мактиг Д.Ф. (1996) Моделирование изоляции ядерных отходов: приблизительные решения для потока в ненасыщенных пористых средах. В: Уиллер М.Ф. (ред.) Экологические исследования. Тома IMA по математике и ее приложениям, том 79. Спрингер, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

[9] «Основная теория». Поток жидкости в пористых средах : 47–67. Ноябрь 2020 г. doi : 10.1142/9789811219535_0002 . ISBN 978-981-12-1952-8 .

[10] Мохаммадизаде, Сейед Мехди; Могаддам, Мехди Аждари; Талеббейдохти, Насер (2021). «Анализ потока в пористой среде с использованием комбинированной сети на поверхности без давления». журнал Porous Media . Begel House Inc.: 1–15. дои : 10.1615/JPorMedia.2021025407 .

[11] Бурганос, Василис (2015). «Модель пор» . Энциклопедия мембран . Спрингер: 1–2. дои : 10.1007/978-3-642-40872-4_1055-2 . ISBN 978-3-642-40872-4 .

[12] Дутта, Тапати (2003). «Фрактальная пористая структура осадочных пород: моделирование методом баллистического осаждения» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 108 (B2): 2062. Бибкод : 2003JGRB..108.2062D . дои : 10.1029/2001JB000523 .

[13] Кроуфорд, JW (1994). «Взаимосвязь между структурой и гидравлической проводимостью почвы». Европейский журнал почвоведения . 45 (4): 493–502. дои : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00535.x .

[14] Руководитель MK, Х.С. Вонг, Н.Р. Буэнфельд, «Характеристика зерен Хэдли с помощью конфокальной микроскопии», Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483–1489

[15] Пэн, Шэн; Ху, Циньхун; Дульц, Стефан; Чжан, Мин (2012). «Использование рентгеновской компьютерной томографии для определения характеристик поровой структуры песчаника Береа: эффект разрешения». Журнал гидрологии . 472–473: 254–261. Бибкод : 2012JHyd..472..254P . doi : 10.1016/j.jгидроl.2012.09.034 .

[16] Раванбод, Мохаммед (2023). «Впускной канал с пористым покрытием: новый подход к ослаблению распространения звука, вызванного потоком на входе автомобильного турбокомпрессора» . Инженерные исследования Экспресс . 5 (1): 015047. doi : 10.1088/2631-8695/acbfa4 .

[17] Чжэн, Сяньфэн; Шен, Гофан; Ван, Чао; Ли, Ю; Данфи, Даррен; Хасан, Тауфик ; Бринкер, К. Джеффри; Су, Бао-Лянь (06 апреля 2017 г.). «Биоматериалы Мюррея для массообмена и активности» . Природные коммуникации . 8 : 14921. Бибкод : 2017NatCo...814921Z . дои : 10.1038/ncomms14921 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5384213 . ПМИД 28382972 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

v т и Науки о Земле
Контур Индекс
Атмосферная наука Наука об окружающей среде Геодезия Геология Геофизика Гляциология Гидрология Метеорология Океанография Физическая география Почвоведение Вулканология
Категория Портал Коммонс