多孔介质中若干输运特性的研究

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多孔介质中输运现象普遍存在于自然界和许多科学与工程技术领域,如凝聚态物理、化学与化学工程、环境科学与工程、材料科学与工程、地球物理学与矿产资源开发、土壤、地下水资源、油气藏、生物组织、燃料电池、电渗泵等。多孔介质里的若干输运现象如 Jamin效应、壁面效应和电动效应对输运特性的影响一般采用实验测量或数值模拟研究,分析解研究很少有报道。因此,本文作者采用分析的方法研究了 Jamin效应、壁面效应和电动效应对输运特性的影响。预计该研究能够更好地理解和揭示多孔介质中的输运现象,所得到的理论成果对于上述领域里的输运特性研究具有重要科学意义和应用价值。  本文第一部分简单介绍多孔介质及其相关结构参数,接着对多孔介质中渗透率、壁面效应以及电动效应的研究进展进行了综述,最后重点概述了毛细管束模型。  本文第二部分采用多孔介质分形几何理论和方法研究了 Jamin效应对两相流的影响。首先利用流体力学基本理论,推导了非湿润相珠泡通过单一孔喉结构所需时间、流动阻力及其最小驱动力的解析模型,并分析了流动时间、流动阻力和最小驱动力随孔喉结构参数和非湿润相特性参数的变化趋势。接下来,以单根含有孔喉结构的毛细管两相流量关系、毛细管束模型以及分形几何理论为基础,建立了考虑Jamin效应的低渗透多孔介质两相流相对渗透率模型和总毛细压差(Jamin效应)模型,并讨论了它们随多孔介质几何参数和湿润相饱和度的变化情况。  本文第三部分采用多孔介质分形几何理论研究了多孔介质中壁面效应对流动特性的影响。运用毛细管束模型得到了描述壁面效应的无量纲质量流量、压力梯度以及渗透率分形模型。所提出的模型与已知实验数据吻合较好,比其他模型能够揭示更多的物理机理。  本文第四部分采用多孔介质分形几何理论研究了分形多孔介质中的电渗效应。基于毛细管束模型,推导了多孔介质中流动电流以及电渗流产生高度差和响应时间的分形模型,并分析了多孔介质几何参数和外在物理条件对流动电流、电渗流产生高度差以及响应时间的影响。理论模型预测相比其他模型结果与实验数据符合较好,这说明分形模型是合理的。  本文第五部分总结了论文的主要研究内容和创新点,并对多孔介质中其他输运特性的研究前景进行了展望。
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