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 [ править ]
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 , которые были усреднены 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 [ править ]
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 [ править ]
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]
для пористых материалов Законы
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: , 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 молекулярной или ионной диффузии α =2; и т. д.
См. также [ править ]
- Ценоцелл
- Нанопористые материалы
- ЯМР в пористых средах
- Теория перколяции
- Порог перколяции
- Сетчатая пена
- Фильтрация
- Поромеханика
- Реактивный транспорт
- Проницаемость
Ссылки [ править ]
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 . ПМЦ 5384213 . ПМИД 28382972 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Дж. Медведь; (1972) Динамика жидкостей в пористых средах. (Эльзевир, Нью-Йорк)
Внешние ссылки [ править ]
- Определение проницаемости
- Адаптация пористой среды для контроля проницаемости
- Графическое изображение различных скоростей потока через материалы с разной проницаемостью.
- Основы течения жидкости в пористых средах
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
