多孔介质力学理论及其应用_韦昌富
多孔介质传热传质理论与应用
多孔介质传热传质理论与应用多孔介质传热传质理论是一种对多孔介质的物理性质的科学研究，因为历史上没有人直接从孔隙结构中去分析传热传质过程，所以这一理论很长时间没有发展。
多孔介质传热传质是物理概念，指在给定介质中发生的热量和物质的传输。
孔介质传热传质理论是以传热学、分子动力学、流体力学等跨学科为基础而建立起来的一种新兴理论，其目的是要研究多孔介质传热传质的形式，有效地利用多孔介质传热传质的原理，为解决各种由多种热力学系统的传热传质问题进行理论研究和实验研究。
多孔介质传热传质理论有很多应用，其中最主要的应用之一是工业热交换器的设计。
此外，多孔介质传热传质理论还可用于研究如煤层气、页岩气和混合热源在多孔介质中的热传导和热扩散特性，从而实现热源的有效调节和利用。
此外，多孔介质传热传质理论也可以用于估算地表层和深层地质中的热传导特性，以及研究对地表层的热设计。
多孔介质传热传质理论是多孔介质研究领域新兴的理论，在一定程度上改变了传热传质的研究方法，积极促进了各种介质传热、传质以及传热传质过程的研究，产生了深远的影响。
受多孔介质传热传质理论影响，研究者们开发出新型的工业热交换器，可以实现更高效、更智能的能量利用。
由于多孔介质传热传质理论完善了介质传热和传质的理论，使得热交换器变得更加精确、更加高效，并取得了更好的效果。
此外，多孔介质传热传质理论还为我们提供了新的机遇：可以更加有效地利用深层地质的热量，以及如混合热源的有效利用等。
多孔介质传热传质理论提供了一种智能化的解决方案，将多种热力学介质有效地传输到需要传输的目标，从而实现有效利用能源的目的。
综上所述，多孔介质传热传质理论是一种新兴的理论，对介质传热传质过程的研究产生了巨大的影响，并在工业热交换器的设计、混合热源的影响以及深层地质热量的利用等方面，带来了新的机遇和研究方向，预示着多孔介质传热传质理论在未来将会发挥更大的作用。
多孔介质在化学分离中的应用
多孔介质在化学分离中的应用在化学分离领域中，多孔介质是一个非常重要的研究对象。
它被广泛应用于分离、纯化和检测各种化学物质，具有很高的分离效率和选择性。
本文将介绍多孔介质在化学分离中的应用。
一、多孔介质的定义和特点多孔介质是由许多微小孔洞和空隙组成的一种材料，其孔径大小在1nm到100μm之间，可以是固体、液体或气体。
多孔介质具有高比表面积、可调孔径、可控孔隙结构等特点，能够使分子在其内部发生物理或化学反应，达到化学分离的目的。
二、多孔介质在固相萃取中的应用固相萃取是一种非常常见的化学分离技术，是指利用固相材料将混合物中所需物质分离出来的过程。
多孔介质在固相萃取中被广泛应用，因为其高比表面积和可调孔径使其能够容纳更多的溶液。
例如，使用多孔介质作为固相材料进行萃取，在混合物中加入所需物质，混合物通过多孔介质后，目标化合物就被留在多孔介质中。
多孔介质还能够选择性地吸附某些化合物，从而对混合物进行分离。
三、多孔介质在层析分离中的应用层析分离是另一种常见的化学分离技术，它是一种利用分子间相互作用分离化学物质的方法。
多孔介质被广泛应用于层析分离中，因为其孔径大小和形状可以被调控，从而实现高效、选择性的层析分离。
例如，固定在多孔介质表面上的极性或非极性配体可用于选择性吸附或净化具有特定化学性质的化合物。
通过控制多孔介质的孔径大小和形状，可以调整配体的负载和构型，提高层析分离的选择性和效率。
四、多孔介质在膜分离中的应用膜分离是一种广泛应用于化学分离中的技术，将混合物压力驱动通过一种膜，从而从混合物中分离出所需物质。
多孔介质膜由多孔介质制成，具有高孔隙率、高渗透性和调控孔径大小的特点。
例如，多孔介质膜可以被用于离子征集和分离。
多孔介质在膜形成过程中，可以加入一些离子交互配体，以获得选择性的离子通道，并以此来实现离子的有效去除和富集。
五、多孔介质在微流控芯片中的应用微流控芯片是一种集成化的小型化药学芯片，常常被用于进行小分子分离和分析。
多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用
摘
要 ： 利 用 ＦＵ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件 中的多孔介 质模 型 ， 对板翅式燃气热水器换热器芯体 内流体 的流动与传热进行 三维数值模
拟 。计算分析 了不 同操作参数条件下 ， 热器 芯体 的流场分布特点 ， 换 计算结 果与热水 器样机测试 实验结果 吻合 ， 明该 表
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｏ ｓ Ｍ ｅ ｉ ｎ ｓ ｒｂ ｔ ｄ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ Ｍ ｏ ｅ ｎ Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｐ ｉ ｔ ｆＰ ｒ ｕ ｄ ａ ａ ｄ Ｄｉ ｉ ｕ ｅ ｓ ａ ｃ ｄ ｌｉ ｍ ｒｃ ｌ ｃ ｏ ｔ ｓ Ｓ ｍ ｕ ａ ｏ ｆ Ｐ ａ ｅ ｆｎ Ｈｅ ｔＥｘ ｈ ｎ ｅ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｌｔ－ ａ ｃ ａ ｇ ｓ ｉ ｉ
ｅ ｐ ｒ ｎ ｓｏ ｅ ｗ ｔｒｈ ａｅ ，ｄ ｍｏ ｓｒ ｔ ｇ ｔ ｅ ｆａ ｉ ｉ ｔ ｅ ｐ ｒｕ ｄ ａ ａ ｄ ｄ ｓｒ ｕ ｅ ｓｓａ ｃ ｄ １ ｘ ｉ ｅ ｍｅ ｔ ｆ ｔ ａ ｅ ｅ ｔｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｅ ｂｌ ｙ ｏ ｔ ｏ ｏ ｓｍｅ ｉ ｎ ｉｔｉ ｔｄ ｒ ｉｔｎ ｅ ｍｏ ｅ ． ｈ ａｎ ｈ ｓ ｉ ｆ ｈ ｂ ｅ
５０根换热 管 和 ｌ 阻碍 片 的换 热 器 中 的流 动 ， ０ ０个
板翅式换热器芯体结构复杂 ， 存在隔板 、 翅片 等大量的固体构件 。在进行计算机模 拟的时候 ， 将流体 、 固体划人同一个控制体 ， 通过对守恒方程
及 差分 方法 的修 改来表 现 固体 的影 响 。基于 多孔
模型 的应用是切实可行 的。 关键词 ： 板 翅式 ； 芯体 ； Ｌ 质 ； 多孑 介 数值模拟
中图分类 号 ： Ｔ １ ５ Ｑ０ ． ５ 文献标 识码 ： Ａ ｄｉ１．９ ９ ｊｉ ｎ １０ ０ ２ ．０ ２０ ． １ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ．０５— ３ ９ ２ １ ．４ ０ ５ ｓ
多孔介质力学特性与应用研究
多孔介质力学特性与应用研究多孔介质是指由固体颗粒或纤维构成的具有孔隙结构的材料。
多孔介质广泛存在于自然界和工程应用中，如土壤、岩石、海绵、过滤器等。
研究多孔介质的力学特性和应用具有重要的理论和实际意义。
一、多孔介质的力学特性1. 孔隙率与渗透性孔隙率是描述多孔介质中孔隙占据空间比例的参数。
多孔介质的孔隙率决定了其渗透性，即流体在多孔介质中的渗流能力。
孔隙率越大，渗透性越好。
渗透性的研究对于地下水资源开发、油气勘探以及土壤水分运动等领域具有重要意义。
2. 孔隙结构与力学性能多孔介质的孔隙结构对其力学性能具有重要影响。
孔隙结构包括孔隙的尺寸、形状、连通性等参数。
孔隙尺寸越小，多孔介质的强度和刚度越高。
孔隙连通性对于多孔介质的渗透性和传质性能起着关键作用。
通过研究孔隙结构，可以深入了解多孔介质的力学行为和应力传递机制。
3. 多相流与多孔介质多孔介质中的流体运动涉及多相流动，如气体与液体的相互作用、多组分混合等。
多相流动的研究对于石油开采、地下水污染治理等领域具有重要意义。
通过建立多相流动模型，可以预测多孔介质中的流体行为，并优化工程设计。
二、多孔介质力学特性的应用研究1. 岩土工程中的应用岩土工程中的土体是一种典型的多孔介质。
研究土体的力学特性对于岩土工程设计和施工具有重要意义。
通过实验和数值模拟，可以预测土体的变形、强度和稳定性，并指导工程实践。
例如，通过研究土体的渗透性和孔隙结构，可以优化地基处理方案，提高土体的承载能力。
2. 水资源与环境工程中的应用多孔介质在水资源与环境工程中有广泛的应用。
例如，研究土壤的渗透性和水分运动规律，可以指导农田灌溉和水资源管理。
研究地下水的流动与污染传输，可以预测地下水的质量和污染扩散范围，为地下水资源保护和污染治理提供科学依据。
3. 石油与天然气工程中的应用多孔介质力学在石油与天然气工程中具有重要应用。
研究油气藏中的多相流动和渗流规律，可以预测油气的产量和开采效果。
多孔介质流动及其应用研究
多孔介质流动及其应用研究多孔介质是指由固体颗粒、纤维或膜等所构成的具有连续空隙结构的物质。
在自然界和工程应用中，多孔介质流动现象普遍存在，如土壤水分运移、石油开采中的岩石渗流、过滤器中的颗粒分离等。
对多孔介质流动进行研究，不仅可以深入理解流体在多孔介质中的行为，更可以为工程应用提供指导和优化方案。
本文将介绍多孔介质流动的基本原理和应用研究进展。
一、多孔介质流动的基本原理多孔介质流动的基本原理可以通过达西定律和达西定律的延伸模型进行描述。
达西定律是描述单相流体在均质多孔介质中的流动规律，它表示了单位时间内通过单位面积的流体体积与流动梯度之间的关系。
而达西定律的延伸模型则可以描述多相流体在非均质多孔介质中的流动行为，如饱和流动、非饱和流动和两相流动等。
二、多孔介质流动的应用研究进展1. 土壤水分运移土壤是地球上最常见的多孔介质，对于农田灌溉和地下水资源管理具有重要意义。
多孔介质流动理论可以应用于土壤水分运移模型的建立和水资源管理的优化。
通过对土壤孔隙结构、土壤含水量等因素的研究，可以改进灌溉方案，提高农田水分利用效率。
2. 岩石渗流石油开采过程中，岩石渗流是一个重要的研究内容。
利用多孔介质流动理论，可以模拟岩石中油、水和气体等多相流体的运移，并预测石油开采的产能和渗流规律。
这对于石油工程的设计和优化具有重要的意义。
3. 过滤器中的颗粒分离过滤器是一种常见的多孔介质设备，广泛应用于水处理、空气净化等领域。
多孔介质流动理论可以应用于过滤器中颗粒的分离和截留机制的研究。
通过对多孔介质结构和颗粒特性的分析，可以提高过滤器的效率和寿命。
4. 化学反应和传质过程多孔介质不仅可以进行流体的传输，还可以进行物质的化学反应和传质过程。
多孔介质流动理论可以应用于模拟多相反应和传质过程，并优化反应器的设计和操作。
此外，多孔介质还可以用于催化剂的载体，提高催化反应的效率。
5. 生物医学领域应用多孔介质在生物医学领域也有广泛的应用。
多孔介质对技术总结提供的理论基础
多孔介质对技术总结提供的理论基础多孔介质是一种材料，具有复杂的多孔结构，在各种应用中起到了关键作用。
因为多孔介质可在其内部存储和流动流体，这种结构使得它在许多领域的应用中都具有很高的效率和可靠性。
本文将介绍多孔介质的基本概念、特性、应用，并探讨它在技术总结中所扮演的重要角色，为科学技术的发展提供了一种理论基础。
一、多孔介质的基本概念和特性多孔介质是一种由许多孔隙构成的材料。
这些孔隙可以是不同形状和大小的，从微观到宏观都有可能。
多孔介质可分为两类，一种是非连通多孔介质，指的是孔隙之间不存在任何通道，例如海绵或草丛。
另一种是连通多孔介质，指的是孔隙之间存在流通的通道，例如多孔土壤或岩石。
多孔介质的孔隙结构决定了其吸湿性、透气性、导热性、导电性、过滤性、吸附性、催化性等特性。
多孔介质的特性主要取决于它们的孔径和孔隙率。
孔径是孔隙的尺寸，通常表示为孔隙的最大宽度或直径，其大小范围从几纳米到数厘米不等。
孔隙率是指多孔介质中孔隙体积与总体积之比，它决定了多孔介质的吸湿和过滤特性。
多孔介质的表面积和体积比也很重要，因为表面上反应速率通常比体积中更高。
二、多孔介质的应用多孔介质在许多应用中都发挥着重要作用，涉及吸附、过滤、润湿、提纯等方面，在材料科学、化学、环保等领域具有广泛的应用前景。
例如：1.吸附材料：多孔介质广泛应用于分离、过滤和纯化高分子、药物、化学品和生物材料。
常见的吸附材料包括活性炭、沸石和吸附树脂等。
2.过滤材料：多孔介质优异的过滤特性使其成为制备高级滤纸和过滤器的理想材料。
例如，工业废水处理、粉尘清除、抽油机。
3.催化剂：多孔介质由于其高比表面积、孔隙大小和形态等特性，使得其在化学反应中具有优异的催化性能。
例如，催化转化、化学合成等方面。
4.生物仿生材料：多孔介质的结构特殊，与生命体系相类似，使得它广泛应用于生物医学领域。
例如，骨植入材料、医疗敷料、人工骨骼等。
三、多孔介质在技术总结中的重要作用多孔介质在技术领域中发挥着极为重要的作用。
桂林理工大学 土木与建筑学院 导师方向介绍
男
测绘工程 地图制图学与地理信息工程
遥感技术及其应用
男
测绘工程 地图制图学与地理信息工程 地图学；GIS技术应用
女
测绘工程
大地测量学与测量工程 地图制图学与地理信息工程
男
测绘工程
大地测量学与测量工程 地图制图学与地理信息工程
男
测绘工程
大地测量学与测量工程 地图制图学与地理信息工程
男
测绘工程
大地测量学与测量工程
信息理论与数字地球
男
地质工程、建筑 与土木工程
地质工程、岩土工程
土木工程
29 陈学军
30 王杰光
31 包惠明
32 刘之葵
33 刘宝臣
34 陈先华
35 朱寿增
36 牟春梅 37 高武振 38 蒋忠诚 39 赵艳林 40 韦昌富 41 吕海波 42 谭景和 43 朱苦竹 44 李文兴
文正敏 熊宇
刘丽荣
卫更太 黄淑娟 谷海洪
谢华 吴筱荣 陈伟利 金旭明 温军鹰 赵前锟
赵艳林 陈学军
03岩土工程测试与监测技术 04地基与基础工程 05道路岩土工程 06岩土加固与工程设计 07地基基础与上部结构共同 作用 08深基坑与边坡 （注：01~08方向导师不分方 向）
081402结构工程
01结构工程基础理论研究 02结构实验技术研究 03工程结构应用研究 04施工技术研究 05结构工程加固技术研究 （注：01~05方向导师不分方 向）
45 曹 霞
46 姜 宏 47 金凌志 48 周明芳 49 唐爱华 50 赵 军 51 王 磊 52 付 强 53 杨婷连 54 江雪 55 邢心魁 56 杨军平 57 张敏 58 邓波 59 莫时旭
多孔介质力学理论及其应用_韦昌富
s ij n s ij
f 1, k
n
f
p f ij
应力度量问题
（与界面相容条件有关）
相变问题
（压力—温度平衡关系）
饱和多孔介质的有效应力
w s T σ p I n F F nn s w n E 1 T Jn s s s Jn f F F J E
2 cos( a ) / h for a 2 cos( a ) pc h 2 / h for a
宏观：
f ( sc , T , k ) sc ( k ) ( k ) 0
本构关系假设
循环SWCC模型
(Wei & Dewoolkar, Dewoolkar, Water Resources Research, 2006)
两类最关键的函数关系：
各相的自由能密度函数 各种内变量和不平衡变量的演化方程
应用实例
毛细滞回现象
非一一对应的基质吸力含水量之间的关系 A good conception:
Hassanizadeh & Gray (1993)
两相流中毛细滞回现象的模拟 非饱和土的本构关系 岩土介质中的波动问题
ˆ f μ f (v f v s ) 水力学拖拽力： r
ˆ f f s e ˆ fj jf s e j
f c j
1 ncq c T T c
质量交换（相变） 质量交换（相变） 组份扩散 组份扩散 不可逆变形 不可逆变形 毛细滞回 毛细滞回
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多场 多场
10-6 108
Hz
Salt Salt （ 2）气相 （2）气相
H O ， CH 22 44 H O ， CH
力学 渗流
1000s C
（ 3）固相 （3）固相 Matrix ， H 2O, Matrix ， H O,
2
化学
nH O CH 44 22 CH nH O
（以天然气水合物为例）
s ij n s ij
f 1, k
n
f
p f ij
应力度量问题
（与界面相容条件有关）
相变问题
（压力—温度平衡关系）
饱和多孔介质的有效应力
w s T σ p I n F F nn s w n E 1 T Jn s s s Jn f F F J E
Pc [cm-water]
0.35
0.40
0.45
20 0 0.0 0.1
0.2
0.3
0.35
0.40
0.45
( p p ) micro
a w
( p a p s ) micro ( p w p s ) micro
(p p ) ~ 只有2个 只有2 ( p a p s ) ~ 独立 ( ps pw ) ~
a w
A f f
s ij
e ij p s ij
sc
饱和 非饱和状态 a
MWC
MDC
Sr
Area density of contractile
含水量的分解
固定的Contact Line
不可逆含水量变化的微观机制
a
Asperity
a
r-
a
h
水
Meniscus A
r
B
r+
气
微观： 在Contact line固定的情况下，气液边界面的鼓缩变形。在 这一区域内，含水量的变化是可逆的。但如果Contact line 发生移动，含水量会发生不可逆的变化。
a
pa pw p a p s ~ 状态变量 ps pw
T Tf pi p w w LH i Tf ρ ρ
~ Sr ~ E
E
( sc , S r )
2. 饱和正冻土中冰饱和正冻土中冰-水平衡关系
i (T , p i , , S r ) w (T , p w , , S r )
V --- 总体积 Vv --- 孔隙体积 z --- REV的特征尺寸 REV的特征尺寸
zMacro
z
基本假设（续）
理论的结构
(Wei & Muralee, Muralee, Int. J. Eng. Sci, Sci, 2002)
连续性假设之三（混合物理论）：
质量平衡方程（各相和各组份） 线性动量平衡方程
w s s
在总平衡状态（热、力学、化学）下，
f s jf s j
( j 1, 2, ..., k )
f
i
例子：1. 冰-水系统的p 水系统的p-T平衡关系
(T , p ) (T , p )
i w w
非饱和土的应力度量
2个独立
sc ( p a p w ) σ p I sc I
两类最关键的函数关系：
各相的自由能密度函数 各种内变量和不平衡变量的演化方程
应用实例
毛细滞回现象
非一一对应的基质吸力含水量之间的关系 A good conception:
Hassanizadeh & Gray (1993)
两相流中毛细滞回现象的模拟 非饱和土的本构关系 岩土介质中的波动问题
Richard模型 的预测结果 实测结果 深度
小结
（一种）多相多孔介质理论
面对传统与非传统问题，岩土力学与工程学科需要引 入或建立新的理论途径、数值方法、以及相应的测试 技术； 学科前沿的特征：传统的简单延续、治标不治本、系 统工作缺乏； 面对新挑战，多孔介质连续 理论以及相关方法提供一 面对新挑战，多孔介质连续理论以及相关方法提供一 条新途径。
非饱和土的应力度量问题 白垩石（Chalk ）的排水抗剪强度 白垩石（Chalk）的排水抗剪强度
15 12 q (MPa) 9 6 3
Water-saturated Soltrol-saturated
宏观流动的方向
( p w w g )
局部流动
膨胀土的变形过程
典型单元（REV ） 典型单元（REV） （Homand and Shao, 2000）
2 cos( a ) / h for a 2 cos( a ) pc h 2 / h for a
宏观：
f ( sc , T , k ) sc ( k ) ( k ) 0
本构关系假设
循环SWCC模型
(Wei & Dewoolkar, Dewoolkar, Water Resources Research, 2006)
c u j ......
化学势：
c Af
pf
c
j
f
i RT ln xi 其它
i
ns s 0
A s A f k n f f m k m f
电化学势
n
界面相容条件
（以非饱和土为例）
Solid
pg
t Liquid
自由能函数假设
A s s (ε, s ) A w w (n, S re , w , m ) A (n, S , , m )
a a e r a
不可逆含水量的演化方程:
ˆ, m L n L 1 ˆs c , n Kp
sc
MDC
L, L 0 L 0, L 0
状态方程
对于平衡和非平衡态，下列公式成立：
σe sF A s T F , E pf f ps s
2
Gas
Interfaces
微观层次 切线方向
粘性边界层的 剪切作用
宏观层次
水动力学拖曳作用 （Darcy定律） 宏观相容条件
2
A s s
微观相容条件 法线方向 （界面相容）
问题二：相变问题
甲烷水合物相图（p-T）
水+水合物 超临界状态 冰+水合物
水+气
重要影响因素：
孔隙性 化学组份及其含量
冰+气
水和CO 水和CO2相图 (p(p-T)
传统理论的局限性
问题三：不同尺度之间各种过程的关联性 局限一：在多场耦合条件下，“有效应力”未必有意义
例如：
局部流动对宏观流动的影响
Boundary (measured) Boundary (calculated) Predicted
Pc [cm-water]
Boundary (calculated) Boundary (measured) Predicted
400 300 200 100 0 0.30
Boundary (measured) Boundary (calculated) Calibrated Predicted
基本假设 理论的结构 界面相容条件 应力度量问题 相变问题 — p-T平衡关系 本构关系 小结
基本假设
基本假设（续）
（将讨论的）多孔介质：一种带有连通孔隙 的固 种带有连通孔隙的固
体骨架，孔隙由一种或多种流体饱和、各相之间由 界 骨架，孔隙由一种或多种流体饱和、各相之间由界 面分开但可以发生相互作用 （通过各种物理、化学、 分开但可以发生相互作用（通过各种物理、化学、 力学过程）。
报告内容
多孔介质力学理论及其应用
面临的挑战 多相多孔介质理论 应用实例 几点看法
韦昌富
中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉武汉-2007
面临的挑战
领域前沿问题
关乎社会发展可持续性的岩土工程问题
领域前沿问题 尚未解决的关键问题 传统理论的局限性 小结
冻土问题 深部地下工程问题 CO2地下封存 核废料的地下填埋 天然气水合物的开发利用 地下构筑物的安全防护
环境条件的复杂性
几个关键问题
问题一：多相、多组份、多场耦合问题
多相 多相
（ 1）液相 （1）液相
H ，CH4， 2O H 2O，CH 4，
荷载大小 变形速率 多场藕合效应 频率变化范围 温度变化范围
0 100s MPa 10-8 108 /s
多组份 多组份
（1）H2O （2）CH4 （3）Hydrate （4）Salt （5）Matrix Minerals 温度
基本关系式
可逆反应：
nsc
w
( S re , w , m ) S re
w w a a a
忽略含水量变化的可逆部分
c K p S s r
c ˆ (s , S , n ˆ) K P (Sr ) K P c r r
唯一的本构参数：c
n n
0 0 4 8 12 16 20 p (MPa)