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
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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
多孔介质传热传质理论与应用
刘 伟 范爱武 黄晓明 著
北 京
内
容
简
介
多孔介质 中质量 、动量 及能量的传 递现象遍及 于自然现象 和工农业 生产的许多领域 ，有着广泛的应用背景 。 本书内容包括饱和 、非饱和多孔 介 质的理论分析和数学模型 ， 裸露土壤 及含植物土 壤中热量与 物质的迁 移 ， 土壤盐渍化的机理 、预报和实验 ，多孔介质分形的研究进展 ，以及多孔 流干燥 、 生物传热 、 太阳能热气流发电等领域的应用。 介 质理论在建 筑节能 、 太阳温室 、 多孔填料 、 航天器 热控制 、Ｃ Ｏ ２ 吸附 、 对 本书体系完整、 内容全面， 可供能源 、动力、 化工、 材料、 物理、 电子 、农业 等领域的科技究人员参考，也可作为大专院校有关专业研究生的教学用书。
Байду номын сангаас
定价 ： ６８． ００ 元 （ 如有印装质量问题 ， 我社负责调换 枙科印 枛）
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前 言
自然现象 、生命现象和诸多生产领域中涉及的多孔介质传热与流动问题十分复杂 ， 尤 其是多孔介质 中的相变传热与 流动问题 ， 涉及工程 热物理学 科与其 他多个学 科的广泛 交 叉 ，因此精确描述和揭示多孔介质中能量 、 动量和质量的传输机理和规律十分困难 。 国内 外研究以无相 变的饱和多孔介 质问题居多 ， 对非饱 和多孔介 质中相 变传热与 流动的研 究 较少 。迄今为止 ， 国内尚缺少上述领域的研究专著 ，也没有较为合适的本科和研究生教材 。 自 ２０ 世纪 ８０ 年代以来 ，本书的第一著者一直从事多孔介质传热传质的课题研究 ， 并 为博士和硕士研究生讲授 “多孔介质传热与流动 ” 课程 ，而且近年来 ， 为了总结教学和研究 工作 ， 在 不断 完善课 程讲 义的 基础上 ， 一 直在 进行本 书的 撰写工 作 。 尽管 本 书定 稿已 值 ２００６ 年秋 ， 但终于完成了系统 介绍多孔介质传 输理论和应用研究 进展的夙愿 。 希望 本书 的出版能为推动国内多孔介质传热传质方向的教学和研究 ，尽一点绵薄之力 。 关于多孔介质学科方向的课题研究 ，著者有几点基本的看法 。 第一 ， 多孔介质自身只 是多种物质状态的集合体 ，但由于其特殊的物理属性和特有的输运性质 ， 以致在不同的应 用场合 ， 可以发挥全然不 同的作用 ， 因此理论 研究要与 实际应用 相结合 ， 并指 导工程和 科 学实践 ，这是科学研究的意义所在 。 第二 ，多孔介质的应用领域很宽 ， 一些新兴技术也在不 断涌现 ， 因此只有以多学 科交叉的视角 ， 不断 在新的领 域拓展新 的研究 方向 ， 才能获得 新 的发展和突破 ，使该学科方向的研究始终充满生机与活力 。 第三 ， 工程和生产实践中所遇 到的多孔介质 相变传热与流动 的问题往往十 分复杂 ， 精确的 理论建 模和准确 的实验模 拟 都比较困难 ， 因此在研究 方法上 ， 要在对传输 过程各种 物理机制 深刻分 析的基础 上 ，抓 住 矛盾的主要方面 ，忽略次要因素 ， 将过程的主要规律及其内在联系抽象出来进行分析和研 究 ，从而深入认识并揭示各种实际输运现象的物理本质 。 基于此 ， 著者试图在本书中按照 “理论与应用相结合 ” 这一主线 ，将多年来在教学和研究工作中积累的心得和体会 ， 进行较 为系统的归纳 和总结 ，使 读者在研究对象 、 研 究内容和 研究方法 上 ， 对多孔介 质传热传 质 理论及其应用领域 ，有一个相对完整 、 系统的认识和了解 。 本书第一 著者的博士和硕 士研究生为本 书的完成 做出了积 极的贡 献 ，他 （她 ） 们是 范 爱武 、黄晓明 、 张浙 、赵绪新 、 陈威 、刘炳成 、 朱光明 、杨昆 、 刘志春 、明廷臻 、 万忠民 、陈丽湘 、 张学伟 、盖东兴 、 申盛 、邓芳芳 、 韩延明 、曾海波 、 金弋 、王强等 ； 杨金国老师在多孔介质的实 验研究方面提供了大量的帮助和指导 ，没有他 （ 她 ）们卓有成效的工作和全力支持 ， 著者也 不可能完成本书的撰写工作 ，在此一并致谢 。 本书 的研究工 作得到 了国家自 然科学基 金 （５８９０６４４７；５９９７６０１０；５０３７６０１５）、 教育 部 博 士点专项 基金 （２００００４８７３１；２００４０４８７０３７） 和国 家重点基 础研究 发展计划 —— “９７３ ” 计 项目的连续资助 （２００７Ｃ Ｂ ２０６９０１）， 在此致以诚 挚的感谢 。 正是由于 国家对应用基础 研究
多孔介质流体力学及其应用研究
多孔介质流体力学及其应用研究随着科技的不断发展和人类的不断追求，研究各种物质的性质和规律已经成为了人类社会中不可或缺的一部分。
在以前，人类更多是将大自然中的物质和现象视作一种不可解的秘密，而现在，人们通过对物质、现象进行研究，已经有了许多有用的应用和科研成果。
其中，多孔介质流体力学是一个重要的研究领域，它对理解和探究自然界中无处不在的多孔介质流动和转换过程具有重要意义，同时也具有广泛的应用前景。
一、什么是多孔介质流体力学？多孔介质流体力学是指流体在多孔介质中流动时所表现出来的一种科学规律和现象。
在多孔介质中，孔隙之间相互连通且固体界面上有黏附的流体，一般称为多孔介质。
多孔介质的研究一般是在石油、水文地质、土壤、植物、医学和材料科学等领域展开，在这些领域中，多孔介质都是广泛存在的。
物理界面现象、传质、传热、可渗透性和层流、湍流等都是多孔介质流体力学领域的研究重点。
二、多孔介质流体力学的研究内容多孔介质流体力学的研究内容主要包含以下几个方面：1、多孔介质饱和度和渗透能力研究饱和度是指多孔介质中孔隙空间中被液态物质占据的比例，通常用体积分数表示。
而渗透能力则是指液态物质在多孔介质中流动的能力。
这两个参数对于多孔介质流体力学研究至关重要。
2、多孔介质流动与传输规律研究多孔介质流动与传输规律指液态物质在多孔介质中流动，并在其中输送和扩散物质时所表现出来的规律与现象。
研究多孔介质流动与传输规律对于了解油层、地下水、土壤水分、植物根系等多孔介质的物理性质和水文地质特征有着重要的作用。
3、多相流与化学反应研究多相流是指在多孔介质中同时存在气体和液体，甚至液体和固体或者气体和固体三种物质的流动情况。
而化学反应是在多相流的基础上，针对化学反应过程进一步进行的研究。
多相流与化学反应研究常常被应用在流体石油储层开采、土壤中化学物质的迁移、植物生长营养和医学等领域。
三、多孔介质流体力学的应用研究多孔介质流体力学的应用研究广泛涉及到环保、能源、矿产等多个领域，其重要性无法被轻易地忽视。
多孔介质中流体力学模型研究
多孔介质中流体力学模型研究在多孔介质中进行流体力学模型研究是一个重要的研究领域，涉及到多孔介质中的流体流动、传质以及相变等问题。
本文将介绍多孔介质的定义，讨论流体在多孔介质中的流动特性和传质行为，以及常见的多孔介质流体力学模型。
多孔介质是指由固体颗粒组成的、具有连续的孔隙空间的介质。
多孔介质的孔隙空间可以分为连通孔隙和非连通孔隙两种，其中连通孔隙是指可以互相连通的孔隙，而非连通孔隙则是指不能互相连通的孔隙。
多孔介质的孔隙率是指孔隙空间占整个介质体积的比例。
在多孔介质中，流体的流动特性与流动方式有关。
对于连通孔隙的多孔介质，流体可以通过孔隙间的连通路径进行流动，这种流动方式称为远程流动。
而对于非连通孔隙的多孔介质，流体则通过局部渗透来进行流动，这种流动方式称为近程流动。
在流体在多孔介质中流动的过程中，需要考虑到多孔介质的渗透性、压力损失、渗流速度等因素。
渗透性是多孔介质中流体流动的重要参数之一，它描述了流体在多孔介质中的渗透能力。
渗透性的大小取决于多孔介质的孔隙结构和孔隙率。
为了研究多孔介质中的流体力学行为，研究者们提出了一系列的流体力学模型。
其中最经典的模型有达西定律和布里渊方程。
达西定律是描述多孔介质中渗流速度与压力梯度之间关系的经典模型。
它的基本假设是流体在多孔介质中的流动是层流稳定的，且渗流速度与压力梯度成正比。
布里渊方程是描述多孔介质中渗流速度与渗透性之间关系的模型。
它表示了渗流速度与渗透性的反比关系，即孔隙率越小，渗流速度越小。
布里渊方程的提出使得研究者们可以通过测量渗流速度来推算多孔介质的渗透性。
除了以上提到的经典模型，还有一些其他的模型被用于研究多孔介质中的流体力学行为。
例如，雅各比方程用于描述多孔介质中的非稳定渗流问题，卡门-科西方程用于描述多孔介质中的湍流现象。
总结起来，多孔介质中的流体力学模型研究是一个复杂而又重要的领域。
通过研究多孔介质中流体的流动特性和传质行为，可以帮助我们更好地理解地下水运动、油气田开采、环境污染传输等问题。
基于自适应松弛Picard法的高效非饱和渗流有限元分析_
1 引 言
许多岩土工程问题涉及到非饱和渗流过程，如 降雨入渗或地下水变化时土质边坡与堤坝的稳定性 评价，垃圾填埋场内部污染物质的运移模拟，冻土 中相变发生时的渗流过程分析，高放核废料的地质
深埋处理等。因此，有效地模拟和分析非饱和渗流 过程有着重要的实际意义，它一直是岩土工程、水 利工程、环境工程中的一项热门研究课题。 Richards方程是非饱和渗流理论的基本方程， 通常需要采用有限元等数值方法并结合有效的迭代 方法进行求解。由于持水特征曲线和渗透率函数的
An efficient finite element procedure for unsaturated flow based on adaptive relaxed Picard method
LI Wen-tao, MA Tian-tian, WEI Chang-fu
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China)
第 37 卷第 1 期 2016 年 1 月
DOI：10.16285/j.rsm.2016.01.030
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 No.1 Jan. 2016
基于自适应松弛 Picard 法的高效 非饱和渗流有限元分析
李文涛，马田田，韦昌富
（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071）
KX F CX
多孔介质的流体力学行为研究
多孔介质的流体力学行为研究多孔介质是指由固体颗粒或纤维构成的孔隙空间构成的材料，具有复杂的内部结构和多尺度特征。
在自然界和工程应用中，多孔介质的流体力学行为研究具有重要的科学意义和广泛的应用价值。
多孔介质的流体力学行为研究主要包括渗流、扩散、传质和变形等方面。
其中，渗流是多孔介质流体力学研究的核心内容之一。
渗流是指当流体在多孔介质中传输时，经过孔隙和固体颗粒的相互作用而发生的现象。
对于多孔介质的流体力学研究来说，渗流的研究是首要任务。
通过对渗流现象的研究，可以深入了解多孔介质内部的流体流动机理，揭示渗流过程中的物理规律，为多孔介质的应用和优化设计提供理论基础。
在多孔介质的渗流研究中，重要的参数包括渗透率、渗流速度和渗流阻力等。
渗透率是一个描述多孔介质渗流能力的参数，表征了流体在多孔介质中传输的难易程度。
渗透率的大小与多孔介质的孔隙边界形状、孔隙连通性以及孔隙分布等因素密切相关。
渗透率的测量可以通过实验方法或数值模拟方法来进行。
渗流速度是多孔介质渗流过程中的重要参量，它与多孔介质内部的流体流速分布直接相关。
多孔介质中的流动方式可以分为两种：对于低速渗流，流速分布相对均匀；而对于高速渗流，流速分布则会出现明显的非均匀性。
研究多孔介质渗流速度的分布规律，可以为多孔介质的渗流行为提供更加准确的描述和理解。
渗流阻力是多孔介质中流体流动过程中所受到的阻碍力。
渗流过程中的阻力源于多孔介质内部的摩擦、惯性力和重力等因素的综合作用。
研究多孔介质中的渗流阻力，可以帮助我们理解多孔介质中流动的机制，为多孔介质的应用和优化设计提供重要的参考依据。
除了渗流研究外，多孔介质的流体力学行为研究还包括扩散、传质和变形等方面。
扩散是指多孔介质中浓度分布的变化。
传质是指多孔介质中物质的传递过程，包括质量传递和热量传递等。
变形是指多孔介质在受力作用下发生的形变过程，包括固体颗粒的位移、变形和破裂等。
这些方面的研究可以帮助我们深入了解多孔介质内部物质传递的机理，为多孔介质的应用和优化设计提供理论指导。
多孔介质流体输运及应用分析
多孔介质流体输运及应用分析随着科技的发展和产业的进步，流体输运成为了许多领域不可或缺的关键技术。
在此过程中，多孔介质流体输运作为一种研究热点得到了广泛关注。
本文将就多孔介质流体输运及应用分析进行探讨。
一、多孔介质的特性多孔介质是由细小的空间被分隔开的小孔空间组成的介质。
这些小孔之间的间隙构成了实际上可供流体流动的通道。
流体在多孔介质中的运动特性与其他固体相比有很大的区别。
多孔介质的物理性质随着孔隙度和孔隙大小变化而变化。
孔隙度值描述了多孔介质的空隙程度，是介质中孔隙体积与整个介质体积之比。
孔隙度越大，介质中的孔隙也越多，复杂度也越高。
孔隙度的值通常在0到1之间。
孔隙大小也不能忽视。
孔径直接影响到流体分布、传质和传热。
孔径可以用孔隙结构中与流体物理交互的通道尺寸来描述。
孔径范围决定了多孔介质的特性，影响着多孔介质流体运动的性质及其输运的特点。
二、多孔介质的流体输运现象多孔介质流体输运过程中的现象包括：Darcy定律、渗透率、吸附及流体从孔隙中的脱排等。
Darcy定律描述的是流体通过多孔介质的速度和施加的压力之间的关系。
Darcy 定律可以描述在稠密流动情况下多孔介质中的流体运动。
许多情况下，Darcy定律可以想象为空气、水或油向土壤中渗透的运动。
多孔介质的渗透率是多孔介质中能够传递流体的程度。
渗透率与多孔介质的孔隙度、孔径以及介质的物理性质有很大关系。
渗透率一般由实验测量来得到，但也可以通过计算或数值模拟方法得到。
吸附是一种有利于物质传输的现象，保留或附加在多孔介质固体表面。
吸附过程中的物理与化学交互作用可以影响介质中的流体。
在土壤科学、环境保护和石油开采领域，吸附过程在多孔介质传输模式的研究中都是重要的因素。
流体从多孔介质中的脱排是一种涉及水和油田开采、垃圾填埋场、土壤污染等多种领域的重要现象。
在多孔介质中运动流体与孔隙中的介质、硅合物或钙碳酸盐反应生成沉积物，这种沉积物也可以形成过滤层。
沉积物会减少流体的流动速度，增加传质和传质距离，总的来说它会改变多孔介质的流动特性。
多孔介质的研究及其应用
多孔介质的研究及其应用多孔介质是一些具有许多孔隙的物体，例如海绵、岩石、人工多孔材料等等。
它们的孔径与互相之间的连通性都非常不同，这些特性使得多孔介质在很多物理、化学、地质、材料等方面都具有广泛的应用价值。
本文将会从多个角度来论述多孔介质的研究和应用。
一、理论基础多孔介质的研究涉及许多物理学、化学和地质学的相关理论。
其中，流体力学是一个非常重要的方面。
在流体力学中，多孔介质的流动性质是一个研究重点。
一般地，流体在多孔介质内的流动会受到多个因素的影响，包括介质的孔径、孔隙度、孔壁的形态、介质的流动速度等等。
基于多孔介质的这些特性，研究者们可以推导出众多方程，例如达西定律、Carman-Knauss方程、Forchheimer方程等，这些方程均能描述多孔介质中的流体流动性质。
二、研究方法对多孔介质进行研究需要采用不同的方法。
其中，一些非破坏性的方法，例如CT扫描、核磁共振等等，能够在不破坏样品的情况下获得关于多孔介质内部的信息。
此外，一些物理和化学的技术也可以用于表征多孔介质内的结构和性质，例如X射线衍射、扫描电镜等等。
这些方法都能够直接或间接地表征多孔介质的输运性质、结构和性质。
三、应用领域多孔介质被广泛应用于不同领域，如环境、物理、化学、地质学和材料科学等领域。
其中，在环境领域，多孔介质的应用包括了地下水资源开发、污染物运动和修复、土壤水分平衡和国土资源评估等。
在物理学领域，多孔介质的应用可以用于模拟岩石和金属等材料的输运性质，研究岩石层的储气性能和油气的过程和聚集状态等。
在化学领域，多孔介质的应用包括催化反应、分离和纯化、原位合成等等。
在材料科学领域，多孔材料的应用涵盖了隔音、隔热、静电感应、振荡吸波等等。
四、研究热点目前，多孔介质的研究热点有很多。
其中，大气污染物在多孔介质中的扩散和转化是当前热点之一。
此外，多相流与多孔介质的相互作用也是一个研究热点，例如气固两相流体的流动和反应过程，固-液相互作用和相变过程等等。
多孔介质流体力学仿真及其应用
多孔介质流体力学仿真及其应用引言多孔介质广泛存在于自然界和工程领域中，其内部具有复杂的孔隙结构和流体运动特性。
研究多孔介质流体力学对于理解自然界中的地下水运动、油气储层、土壤湿度变化等具有重要意义。
同时，多孔介质流体力学仿真技术的发展也为工程领域中的油田开发、地下水资源管理等提供了便利和准确的工具。
本文将介绍多孔介质流体力学仿真的基本原理和方法，并探讨其在实际应用中的重要性和价值。
多孔介质流体力学仿真方法多孔介质流体力学仿真是利用计算机模拟多孔介质内部的流体运动行为的一种方法。
它通过建立合适的数学模型和求解相应的方程，模拟和预测多孔介质中流体的压力、速度、温度等物理量的分布和变化。
多孔介质流体力学仿真方法主要包括两类：宏观尺度模拟和微观尺度模拟。
宏观尺度模拟宏观尺度模拟是将多孔介质看作连续介质，通过宏观方程描述流体在多孔介质内部的运动行为。
常用的宏观尺度模拟方法包括有限元方法（FEM）和有限体积法（FVM）。
有限元方法有限元方法是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，其基本思想是将连续介质分割成有限数量的小区域，通过构建适当的数学模型和离散化处理，将连续的问题转化为离散的代数问题，然后通过求解这些代数问题得到近似解。
在多孔介质流体力学仿真中，有限元方法能够很好地处理复杂的孔隙结构和非线性问题。
有限体积法有限体积法是一种通过对空间进行网格离散化，将宏观方程转化为离散的代数方程组，再通过求解这个方程组得到流体的数值解的方法。
有限体积法适用于对流和扩散等宏观运动机制都很重要的流体力学问题。
在多孔介质流体力学仿真中，有限体积法能够充分考虑流体在多孔介质中的移动和传质过程。
微观尺度模拟微观尺度模拟是将多孔介质内部的流体运动行为看作是由微观尺度的孔隙和流体相互作用所导致的。
常用的微观尺度模拟方法包括分子动力学方法和计算流体力学方法。
分子动力学方法分子动力学方法是通过模拟分子尺度的运动，推导出多孔介质流体力学行为的一种方法。
【doc】多孔介质声学研究进展
多孔介质声学研究进展第孑L骨厌尹物理学进展PROGRESSINPHYS1CSV o1.16.No.3snd4sept..1996墨糍j砻多孔介质声学研究进展歪墟(石油大学勘探摹.山东东蕾25062)吴文虬王耀傻(南京大学声学研究所.矗田索重点实验宣.江苏南京210093)22提要厶『,多孔舟质声学是近几年发晨起来的应用性很强的声学分支.1956年Blot提出流体饱和多孔舟质声恃播理论,奠定了谖声学分支的理论基础.1980年P[ona用实验证实在流体饱和多孔舟质中存在包括No~慢纵波在内的三种体声嫂.对Not理论的研究和应用窟了巨大的推动作用.后来,人们对Blot理论进行了多方面的修正,完善.使其成为最成功的多孔舟质声学理论.并广泛应用于贤源的声嫂勘探和其它领域.一,}l言无论从学科的迅速发展还是从该学科研究者的人数之众多来说?多孔介质声学都可以称之为非常活跃和应用性强的声学分支之一.多孔介质声学的研究成果被广泛应用于资源的声波勘探,特别是应用于石油的地震勘探和声波测井.我们知道.饱含油或水的岩石是有孔隙的固体,即多孔介质.人们通过地震勘探和声波测井的工程方法可以测量岩石的部分声学参数,例如声速,声衰减等.现在的问题是(1)如何由测得的地层的声学性质来反演地层岩石的孔隙参数从而对石油资源的大小,位置,开采的难易程度等性质进行评价l(2)如何由巳知的(或假定的)岩石参数计算地层或井筒的声波响应,即合成地震记录,合成声波测井波形问题.这些同题一向是地球物理学家迫切希望解捷的问题许多地球物理学家在这一领域做了大量工作.Wyllie把多孔介质的岩石当作固体,液体交替分层且平面排列的层状介质,井认为声波垂直入射于分层面,声波在岩石中传播时间为在岩石骨架和孔隙流体中传播时间之和".朱正亚提出了若干根弹簧串,并联的岩石声学模型,其弹簧的弹性系数分别为岩石骨架固体和孔隙流体的弹性模量Ⅱj.Wyllie和朱正亚都导出了岩石的孔隙度(岩石孔隙部分体积与岩石总体积之比)与岩石的纵波波速,岩石骨架固体声速,孔隙内流体声速之间关系.Wyllie时间平均公式迄今在工程中有广泛的应用.但Wyl|ie公式和朱正亚描述的等效弹簧模型不能揭示岩石的声频徽性质,岩石饱和度,孔隙流体等因索对岩石声学性质的形响.甚至不能揭示岩石中可传播横渡的性质.Berrymsn把岩石看做由多种材料构成的复台介质,根据声波散射原理并取长波长近似,乔文孝等:多孔介质声学研究进展387得到了复合介质等效体变弹性模量,等效切变模量与各组分体变弹性模量,切变模量,体积比等量之间的关系,称之为自治理论(Sel~ConsistentTheory,SCT).SCT建立了岩石纵,横波波速与岩石组分性质,孔隙流体性质及孔隙度等量之间的关系,但尚未顾及到孔隙流体的粘滞,孔隙流体与岩石骨架的相对运动及岩石的声频散等因素.二,Biot理论及其实验验证Blot于1956年提出了流体饱和多孔介质中的声传播理论.该理论假设,多孔介质由固体骨架和孔隙组成,孔隙大小均匀,相互连通,孔隙内完全被可压缩的粘滞流体饱和,流体可以相对于骨架运动,具有惯性的流体和骨架固体的运动是相互耦台的,不计热学,化学效应,仍把多孔介质当作均匀各向同性介质处理.在此基本假设基础上,Blot采用分析力学的方法导出了流体饱和多孔介质中的声波方程,建立了多孔介质中声速,衰减与频率和多孔介质参数(孔隙度,骨架固体和孔隙流体的弹性,流体的粘滞性)之间的关系,即形成Biot理论"j.Blot理论韵主要结论为:(1)在流体饱和多孔介质的固体骨架和孔隙流体中存在三种体声波:第一类纵波(或称快纵波,快波,P1波,其行为类似于固体中的纵波),第二类纵波(或称慢纵喜波,慢波,P2渡),和横波(s波,其行为类'似于固体中的横渡);由于惯性和粘滞作.謦用,骨架和孔隙流体中的这三种渡总是相:;互耦合的.(2)三种体声渡均为频散波;驰豫频率为十P1/叫广,IfS,VI哼-.一,L/sL=2reptk,式中rh分别为孔隙流体的动力粘度和图l密度,为渗透率;典型的频散和衰减曲线如图1所示.流体饱和多孔介质中声速,衰减分别与频率的关系曲线(3)三种体波的波速,衰减均与多孔介质的性质有关;慢纵波的波速小于孔隙内流体中的波速,但其衰减比快纵波和横波的衰减大得多;在低频(频率远小于)时慢纵波表现为弥散波(热扩散波).Blot理论的假设模型比较接近实际舶岩石,理论推导严密,但在推导过程中引入了许多唯像参数,使之不便于实际应用.另外该理论所预期的慢纵波的存在需要实验测量验证.1980年Plona首先完成了Blot慢纵波存在的实验验证工作],其实验原理如图2所示多孔介质样品为熔结玻璃徽珠样品,它被水饱和并浸入水中.发射换能器发出的声脉冲到达多孔介质界面时发生模式转换,转换为P1,S,P2波,在多孔介质的第二界面上这三种渡转换为水中纵波并被换能器接收.调节入射角,可明显地接收到与各种波所对应物理学进展16卷Porosity图2验证慢纵波存在的实验原理图图3多孔介质中波速与孔隙度之间的关系曲线的声脉冲.实验结果表明,在水饱和多孔样品中确实存在三种体声渡,渡速大小关系为:Vpl>Vs>Vp2.孔隙度增大时Vp1,Vs减小但Vp2变大.同年,Berryman将Biot 理论,SCT相结合,输入Plona实验的样品参数,计算了三种体声渡的波速与孔隙度之间的关系,结果与Plona测量结果有很好的一致性[63.图3表示了Biot理论,SCT的计算结果分别与Plona实验结果,Wyllie公式计算结果(只能计算快纵渡波速)的比较曲线.Plona实验的成功,对流体饱和多孔介质声学的理论研究和实验研究产生了巨大的推动作用随后,Plona,Dutta,Jonhson,乔文孝,Alvari~z—Arenas,Leclaire等人从理论上分析了PIona实验结果并进行了其它人工多孔材料中Blot慢纵波波速的测量,均取得满意结果. 但在天然岩石中观测Biot慢波比较困难,K]imentos等认为实际的岩石骨架不是由一种纯净的固体构成的,而是由比较松软的泥质和石英等混合构成,这大大增加了慢波的衰减,导致在超声频段观测不到慢纵"1990年Nagy等设计了在空气中测量孔隙中充满空气的多孔介质样品的实验,在10—500kHz频段内不仅测得了人工多孔材料中的慢波,而且也在天然岩石(Cavallobuffmassillonsddstone,susetblushmassillosandstone, coppervariegatedsandsttone,l~ereasandstone)中测得了慢波的速度与衰减,发现在低频(100kHz以下)时,色散很严重,在高频时色散很小,其值约为空气中声速的40—50,其衰减则近似随频率作线性增加1995年Chotiros使声波由舰载声波发射探头以不同的入射角入射于海水/海底沉积岩界面,在海底沉积岩内沿垂向埋设若干个声渡接收探头,测量声波的折射角和声速.测量结果表明,在水饱和海底沉积岩内存在慢波,其渡速约为1200m/sJ.这是人们第一次在现场观测到实际岩石中的慢纵波.自从Blot理论出现以后,特别是Not慢纵波被观测到以后.很多人对Blot理论感兴趣并投入该方面的研究工作,从而丰富和完善了Blot理论,形成一个较为完整的理论体系.Stoll将Blot理论中颇为抽象的弹性参数用人们习惯的,物理概念非常清楚的弹性参数表示出来,Berryman提供了计算空隙内无流体的多孔介质样品体变,切变模量的计算方法0,Ogushwitz分析了Biot理论中所有参数的确定方法0,Y amamoto的工作使Blot理论可应用于孔隙大小有一定分布的多孔介质,这些工作为Blot理论的实际应用邑卫oI|A乔丈孝等:多孔介质声学研究进展奠定了基础乔文孝等人对Biot理论进行了数值研究,得到了多孔介质中三种体声波的波速,衰减分别与孔隙度,渗透率,流体粘度,孔径大小等量之间的关系曲线.计算结果表明:随着孔隙度,泥质含量的增加,p1波,S波的波速减小,衰减变大,频散加剧;随着孔隙度的增加,P2的波速增加,衰减变大;I2波的波速,衰减随频率的增加而增加;P1波,S 渡的波速随渗透率的增加而略有增大,随流体粘度的增加而略有减小一杜光升等人推导了流体饱和多孔介质中声强的表达式.根据能量守恒和质量守恒定律,Deresiewicy推出了流体饱和多孔介质界面上的边界条件.在两种多孔介质界面上的边界条件为:法向,切向总应力连续;骨架的法向,切向位移连续;孔隙流体内的压强连续(开口边界)和流体质量守恒.将流体(-E隙度看做1)和固体(孔隙度看做o)看作多孔介质的特例也可得到多孔介质/固体,多孔介质/流体界面上的边界条件.ShechaoFeng根据多孔介质/流体界面上的边界条件和Blot理论研究了流体饱和多孔介质/流体的界面波,预期在多孔介质与流体界面上存在三种界面渡:伪瑞利波,伪斯通利波和斯通利波,波速大小依次为伪瑞利波,伪斯通利波和斯通利波,这一结论被Mayes的实验证实.三,层状多孔介质中的声反射和透射声波在层状多孔介质中的反射和透射是多孔介质声学的基本阿容,也是地震勘探中的重要课题之一,人们在这方面做了大量工作.Stoll研究了声波在海水/海底沉积岩界面上的反射并给出了数值计算结果];Santos,王耀俊,吴昆裕等人研究了高频亩波在流体和多孔介质界面上的反射和透射.;Dutta等人研究了低频声波在两种多孔介质界面上的反射和透射;乔文孝等人研究了任意频率声波在两种多孔介质界面上的反射和透射.研究结果表明,声渡在多孔介质界面上的反射,透射特性不同于在固体界面上的反射,透射特性,其差别是非常明显的.图4中细线表示快纵波从孔隙度为0.1的多孔介质入射于孔隙度为0.4的多孔介质时P1,s波的反射,透射系数分别与入射角之间的关系曲线,粗线表示与两种多孔介质具有相同渡速和衰减的两种弹性固体界面上声渡的反入射角图4声波在两种多孔介质界面(细线)和两种固体界面(粗线)上的反射,透射射,透射系数分别与入射角之间的关系曲线,细线与粗线有明显的差别.研究声波在多层多孔介质中的反射和透射的示意图如图5所示"_"先将第一层介质中的应力(7,7),骨架位移(","),孔隙内流体压强()以及流体与骨架的相对法向位移()甩标势和矢势函数表示出来,再利甩一0和x=d处的边界条件得到,物理学进展16卷其中.e为一无穷小量,()是仅与第层介质性质有关的系数矩阵.上式即为相邻界面上,"……,P的递推公式.依次应用上式可得,(X)zT户ZVn+ld{nX{一n.1l3d02图5声波在多层多孔介质中的反射和透射其中,(x)一(")("一)…()(ez),h一∑d,.再利用一和一一h处的边界条件可得|一2关于反射,透射系数的线性方程组.文献E333给出了声波在三层,四层多孔介质中反射,透射的数值计算结果.数值计算表明:声波的反射,透射系数与频率,入射角和介质的性质有关{存在各层的厚度共振现象;与相应参数的多层均匀固体中声渡的反射,透射特征有明显差别;声波入射于多孔介质界面上时总存在模式转换出的慢纵波,它分享了一部分声波能量.四,多孔介质声学理论的发展4.1Biot理论的局限性随着对Biot理论研究工作的深入,人们发现该理论有很大的局限性,概括如下t(1)Biot理论要求多孔介质的骨架由一种固体构成,孔隙内饱含一种流体.而实际的岩石骨架固体可能是由两种或两种以上固体成分构成,孔隙内往往充有气体和液体或两种液体.(2)Biot理论只考虑了流体与骨架的惯性,粘滞耦合作用对纵波而言,Biot理论认为波的传播方向与流体,骨架的相对运动在一条直线上.(3)Blot理论未考虑到孔隙内流体的声传播的驰豫性质.4.2Biot理论的困窘Biot理论的这些欠缺导致在以下几个方面预期结果的不准确性:(1)Winckler的实验表明,随着孔隙内油的粘度的增加,Berea砂岩的驰豫峰值频率川户户乔文孝等:多孔介质声学研究进展减小0,这与Biot理论的预期趋势是相反的.(2)Nur,Best等人的实验表明,随着孔隙流体牯度的增加,纵波波速增加,这与Blot理论的预期趋势是相反的.(3)人们发现,在实验室内超声频段内测量的岩石的声频散程度和衰减值总是大于Biot理论的预期值.4.3Biot理论的发展人们对Blot理论中尚未考虑到的一些影响声学特性的因素进行了研究,对Biot理论中的一些输入参数进行修正,这方面的主要工作叙述如下:(1)等效骨架.考虑到多孔介质的骨架可由多种固体构成,乔文孝等人利用SCT计算构成骨架的多种固体的等效弹性模量,将其作为Biot理论中骨架固体的弹性模量,推出多种固体构成骨架时抽空多孔介质的弹性模量,从而可计算泥质含量及其它骨架成分对岩石声速的影响0.计算结果表明,影响岩石声速的主要因素为孔隙度和泥质含量,声速随孔隙度和泥质含量的增加几乎按线性减小,这与韩德华等人的实验测量结果及回归公式的趋势一致0.(2)等效流体模型.考虑到孔隙内可能同时含有多种流体,可将这多种流体等效为一种流体.假设孔隙内充有一种液体和一种气体,通过对长渡长的第一类纵波在多孔介质中的一级散射近似,Berryman得到了孔隙内流体的等效密度,等效体变模量K,等效粘度和等效渗透率k与孔隙内气体和液体的密度P和,体变模量K和K"粘度和,渗透率k和k,以及饱和度和之间的关系,P=S~ps-bSgP,1/K一/K+/K.=SFh('1/k一3S』/(^f+2k)~3S/(^+2k)将Blot理论与等效流体理论结合即可以研究饱和度对孔隙介质声学性质的影响,该模型仅在低频条件下成立.(3)气包(gaspocket)模型.气包模型首先由White提出.该模型认为,在许多部分饱和情况下,气体和液体分别存在于多孔介质的不同区域的孔隙内,饱含气体区域的线度比孔隙的线度大但比声波的波长小并被饱含液体的区域所包围.当有声波作用于这种介质时,孔隙液体中很快建立起声压,这个声压需要孔隙气体中的声压来平衡.设在孔隙气体中建立起平衡声压需要的时间为r,声波的周期为丁,当r,比r大得多时(低频声波),有足够的时间在气包内建立平衡声压,此时孔隙内气,液的性质等同于等效流体模型;但当丁小于r时,在每一个声振动周期里气包内尚来不及建立平衡声压,即声波没有波及到气包内的全部区域,部分区域表现为硬区域",此时孔隙内气,液的等效弹性不同于等效流体模型.人们在实验室内利用核磁共振成像,x射线成像等手段已观察到饱和流体岩石在抽空或干燥过程中确实存在线度比孔隙线度大的气包.引入r和气包半径n 后可以得到部分饱和多孔介质中声速的表达式",图6表示了等效流体模型,气包模型的计物理学进展16卷0血¨¨¨1S.分别用等效流体模型和气包模型计算的快纵波波速与液体饱和度之间的关系与实验结果的比较形体元,如图7所示.当沿体元轴向传播的纵波作用于此体元时,该体元内的流体由于受声压作用而流进和流出体元.Biot流动沿波的传播方向(即沿轴向),而就地流动(喷流)发生在与渡的传播方向垂直的方向上0.研究工作表明,相对于Blot流动来说,喷流机制是导致岩石声频散和声衰减变大的更重要原因,.I~'orkin等人引入喷流长度尺,根据渗流方程和流体质量守衡方程进行推导得到了修正了的Blot方程.Murphy等人通过修正干岩石弹性模量的方法也得到了修正了的Blot理论.这些理论的计算结果较好地解释了实验室内涮得的岩石声频散和岩石声速与饱和度之间的关系.(5)Cruz从孔隙线度出发建立波动方程,采用体积平均的方法得到描述岩石性质的宏观量之间的波动方程,除流体耦台项外该方程在形式上与Biot方程有很大的相似介质体元时,流体相对于骨架的两种流动方式性,两者的参数可折算,预期的结果有可比性.Cruz理论预期,在流体饱和多孔介质中可以存在两种纵波和两种横渡,慢纵波类似于Biot慢纵波,慢横波的衰减很大可能无实用价值.慢横波是否存在尚待实验验证.(6)作为对Biot理论的扩展,Leclaire推导了固体,冰和水三相介质中的波动方程,预期在固体,冰和水三相介质中存在三种纵波,两种横渡0.后来,Leclaire用对穿法测量以玻璃粉与水,冰构成混合介质的纵,横波波速,的确测量到波速较高的两种纵波和两种横波,且测量结果与理论预期结果有很好的一致性,但尚未测量到波速最小的第三种纵波.乔文孝等:多孔介质声学研究进展五,多孔介质声学理论的应用发展了的Blot理论已经被公认为最成功的多孔介质声学理论,在能源的声波勘探及其它领域得到越来越广泛的应用Rosenbaum于l974年首先将Biot理论应用于充液井孔中的声场计算,合成了声波垒波测井波形;王克协,Schmitt,张碧星等计算了单极子,偶极子声源在轴对称以及横向各向同性渗透地层裸眼井中产生的声场一,为声波测井工程提供了理论分析依据.Burns_5,唐晓明"等人利用简化的Biot理论和边界条件,建立了由声垒渡测井资料,密度等资料反演地层渗透率的关系Murphy",阎树汶,乔文孝[5C等人利用低频的Biot理论得到了由声全波测井资料密度等资料反演孔隙流体弹性模量的方法.郭建,武先运,刘银斌,张钋和Dai等人用Blot理论和有限差分技术研究了包括多孔介质的地震模型的水平地震勘探,垂直地震勘探和井间地震勘探的声波波场【".多孔介质声学在研究吸声材料的衰减,纤维材料的等效声阻抗等方面也得到广泛应用…s参考文献M.R.J.wyllie,etalGeophysics21{1956)41.朱正亚声学技术1982.1,2～7.j,G.~rryman,,Acoust.SocAm69(1980)l8O3.M.A.Biot,J.Acoust.Soc.A卅.28(1956)167.T._f_Plona,App1.Phys.Lett.36(1980)259.J,G.Berryman,ApplPhys.Lett.37(1980)382.T.J.Plona,andD.L.Johnson,1EEEUltrason,Syrup.(1980)868:N.C.Dutta—ApptPhys.Lett.(1980)898.D.L.Johnson,andT.J,P1ona,.,.Acoust.SocAm.72(1982)556.T.J.Plona,J.Acoust,Soc,A卅.81(1987)1227.T.E.G.Alvarez—Arenas,eta1.Ultra.~onics32(1994)131乔文孝,王耀俊,吴文虬声学技术8(1989)10.P.Leclaireeta1.,.Acoust,Soc,A卅,97(1995)2052.T.Klimentoseta1.GeophysicsS3(1988)1606.N.P,Chotiros.J,Acoust.S.A,97(1995)199.R.D.Stoll,AcousticWaveinSaturatedSediments,PhysicsofSoundinMaritieSediments, PlenumNY ork1974.P.R.Ogushwitz?J.Acoust.Soc.Am.77(1985)429.T.Y&rnamoto.eta1.J.Acoust.Soc.A.83(1988)1744.乔文孝多孔介质中声恃播特性的研究.南京大学硕士论文1988.乔文孝等石油大学14(1990)126.杜光升,乔文孝石油大学1s(1991)132.H.Deresiewicy,eta1.B".Seis.SocAm.S3(1963)783.ShechaoFeng,J.Acoust.Soc.A74(1983)906.]]]lll一一一一一一一lllr_Ji—ll一一一_二口_兰_三mm_兰mmm3g4物理学进展l6卷[24][2][26][27][28][29[30:[31][32]M.J.Mayes.eta【.J.Acoust.Sac.A垅.79(1986)247RDStoll,eta】..,.A~oust.Sac.Am.70(1981)l49.J.E.Sapros.eta1.J.Acoust.Soc.Am.91(1992)l911王耀俊等声学技术8【l989)5.王耀俊等南京大学27(1991)97.WuKunyuetaI_J.Acoust.Sac.A.87(1990)2349C.D.Dutta.eta1.Got,~,sics48(1983)l48.QiaoWenxiaoeta1.ChineseJournalofGeot,hy~cs35(1992)427QiaoWenxiao.DuGuangsheng.NieShizhongl4一thInternationalCongressoDAcoustics.(Beijing.China,Sept.1992)C14—4.QiaoWenxiaotWangY aojunandWuWenqiuChineseJournalofAcoustics12(1993)25 K.W.Winkier,d.Geop^v.Res.90(1985)6793.A.Nur.eta1.EarthPlan.Sci.上t.7(1969)99.A.I.Best,eta1.Geophysics60(199.5)1386.J.Dvorkin.eta1.Ge0hysics58(1993)524.乔文孝,杜光升测井技术19(1995)194.HanDehuaeta1.Geophysics56(1986)1930.J.G.Berryman,etalJ.App1.Lett.46(1985)722.J.EWhite?Geophysics41(1975)724.G.G[st,Gehysics59(1994)1100.N.C.Duttaatal-GeDhysics44(1979)1777.J.Dvorkineta1.Geophysics59(1994)428.J.Dvorkineta1.Geophysics60(1995)97.W.F.Murphyeta1.Ge曲hysics$1(1986)757.G.Mavkoeta1.Geophysics56(1991)1940.T.Y amamotoetaI-GDhysics60(1995)1634.V.Cruz.delaGeophysicsSO(1985)]556.PLeclaireeta1.J.A~oust.Soc.Am.96(1994)3753.J.H.Rosenbaum,Geoph3-sics39(1974)14.王克协,董度德石油7(1986)59.D.P.Schmitteta1.Geophysics$3(1988)807.ZhangBixingeta1.J.Acoust.Soc.Am.97(1995)3462.D.R.BurnsTheLogAnalyst(May—June,1991)246.X.M.Tangeta1.J.Acoust.Sac.Am.90(1991)1632.W.Murphy—Geophysics$8(1993)227.Y anShuWen.QiaoWenxiaoeta1.SPE(1995)29984.郭建石油地球物理勘探27(1992)182.武先运,李幼铭,王克协石油地球物理勘探28(1993)694.刘银斌,李幼铭,吴如山地球物理37(1994)499.张钋,李幼铭,刘银斌地球物理38(1995)507.NDai,eta1.Ceophysics60(1995)327.YJ.Kang.etalJ.Acou~t.Soc.Am.98(1995)635.]]rJ一一1;j;一1一lIl_ijlll_!i;m啪..呈m呻_三3,4期乔文孝等:多孔舟质声学研究进展395[mberttJAcoust.Soc.Am.97(1995)818.[66:P.B.Nagy.J.AcoustSoc.Am.93(1993)3224. MAJoRPRoGRESSINPoRoUSMEDlUMACoUSTlCSQiaoWenxiao(DeptofPetroleumExploration,UniversityofPetroleum) WuWenqiuandWangY aojun(InstituteofAcoustics,StateKeylab.ofModernAcoustics,NanjingUniversity) ABSTRACT Porousmediumacousticsdevelopedinrecentyearsisaveryapplicableacoustic branchBlot(1956)establishedafundamentaltheoryofacousticwavpropagation throughafluidsaturatedporouselasticmedium.Theexperimentalverificationofthe existenceofthreekindsofbulkwavesinfluidsaturatedporousmediumbyPlona(1980) wasofimportanceforconfirmationandapplicationoftheBiottheoryMuchofworkhas beendoneformodificationanddevelopmentofthetheory.Thedevelopedtheorybecame themostsuccessfultheoryofacoustic~*avepropagationinfluid—saturatedmediumand wasemployedinacousticexplorationforenergyresourcesandotherfields.。
多孔介质流体力学
多孔介质流体力学多孔介质是指由许多小孔随机分布而成的固体。
它在许多领域中都有广泛的应用，如地下水资源管理、土壤力学、油气工程等。
而多孔介质流体力学则是研究多孔介质中流体运动的科学。
本文将从多孔介质概念、多孔介质流动方程、渗流理论、计算方法和应用等方面，对多孔介质流体力学进行探讨。
1. 多孔介质概念多孔介质是由固体骨架和嵌入其中的孔隙组成的。
孔隙可以是连通的也可以是非连通的，其大小和形状也各有不同。
多孔介质可以是天然的，如土壤、矿石等；也可以是人工制备的，如海绵、多孔陶瓷等。
多孔介质的特性主要取决于骨架的性质和孔隙的分布。
2. 多孔介质流动方程多孔介质中的流动可以用宏观平均速度描述，其运动满足连续性方程和达西定律。
连续性方程表明流体的质量守恒，即单位时间内通过单位横截面积的流体质量保持不变。
达西定律则描述了流体的速度分布，即流体在多孔介质中的平均速度与渗透率和压力梯度有关。
3. 渗流理论渗流理论是研究多孔介质中流动特性的基础理论。
该理论通过引入渗透率、孔隙度、流体粘度等参数，描述了多孔介质中的流体运动规律。
其中，渗透率是表征多孔介质对流体渗透的能力，孔隙度则反映了多孔介质中孔隙占据的比例。
通过渗流理论的研究，可以预测多孔介质中流体的输运行为。
4. 计算方法为了解决多孔介质流体力学问题，研究者们发展了各种计算方法。
其中最常用的方法有有限差分法、有限元法和边界元法等。
这些方法基于多孔介质的离散化模型，通过数值求解的方式，得到多孔介质中的流场分布和压力分布。
5. 应用多孔介质流体力学在许多领域中都有广泛的应用。
在油气工程中，多孔介质流体力学的研究可以用于预测油气藏中的流体流动和输运行为，指导油气勘探和开发。
在土壤力学领域，多孔介质流体力学理论能够用于研究土壤中的水分运动和深层渗透等问题，为农业生产和水资源管理提供支持。
总结：多孔介质流体力学是研究多孔介质中流体运动规律的科学。
通过对多孔介质概念、多孔介质流动方程、渗流理论、计算方法和应用等内容的探讨，我们可以更好地理解多孔介质中流体的行为。
一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置
专利名称：一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置专利类型：实用新型专利
发明人：潘梓褀,梁维云,张芹,于海浩,颜荣涛,韦昌富
申请号：CN202122160977.8
申请日：20210908
公开号：CN215728143U
公开日：
20220201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请公开一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置，包括：NMR单元、膨胀土夹持单元、控温单元、供水单元和数据处理单元；膨胀土夹持单元分别连接数据处理单元、控温单元、供水单元和NMR单元；膨胀土夹持单元为中空结构，内部放置有测试用的膨胀土样。
本申请能够无损测量土样含水率及其分布，能够获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化，适用于各种膨胀性土样的膨胀力与含水率的动态变化规律检测；可根据实际情况，设计不同溶液浓度和测试温度环境下的膨胀力‑含水率的时间历程变化。
申请人：桂林理工大学
地址：541004 广西壮族自治区桂林市七星区建干路12号
国籍：CN
代理机构：北京东方盛凡知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：李瑞雨
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多孔介质弹性力学
1.3 多孔弹性力学迄今为止，我们一直把岩石当作均质性固体物质处理。
然而，岩石通常是复杂的物质，因此，在微观规模上，它是非均质性的。
在很大程度上，岩石表现的弹性反应、破裂应力等都依赖于其非固体部分。
在本章中，我们将考虑岩石的孔隙体积，其不仅在储层的石油开采中是必须的，而且在岩石的机械特性方面也起到重要的作用。
首先，我们对多孔和渗透性介质进行宏观描述，其允许我们去研究静态和动态的机械特性。
这个处理方法基于Maurice A.Biot 的理论。
1.3.1 液体中固体颗粒的悬浮首先，让我们看一个非常简单的多孔介质；即在这个多孔介质中，固体和流体部分相互之间分别产生形变。
实际上，我们可以把这个介质看成是流体中固体颗粒的悬浮，或例如一个饱水的、完全未固结的砂岩。
如果我们把这个混合物放进一个容器中，由于外挤压力的作用而产生的体积应变是：eff pv K σε= （1.79）v ε是混合物的体积应变。
总变形必须等于每一部分变形的总和，其值来自于每一分量的体积部分。
totf v f tot s v s v V V V V ⋅⋅+=εεε （1.80） 下标s 和f 分别指固体和流体，V tot 指总体积。
现在，我们定义孔隙度为流体所占体积与总体积的比值，即：tot fV V =φ （1.81）因为f s tot V V V +=V tot ＝V f ＋V s ，故而固体所占体积为：φ-=1tots V V =1－Ф （1.82） 应变εv,s 和εv,f 分别由固体的体积模量K s 和流体的体积模量K f 得到，根据公式（1.49），公式（1.81）可写成：（1.83）结合公式（1.79）和（1.83），此时我们发现悬浮的有效模量是： eff K 1=s K φ-1+f K φ （1.84）这是一个特别简单的多孔物质的实例。
现在，我们要通过考虑岩石由固体框架和孔隙流体组成的事实进行总结，固体框架和孔隙流体不能被分别处理。
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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)