Пористая среда - Porous medium - Wikipedia

Керамика с открытыми ячейками

А пористая среда или пористый материал это материал, содержащий поры (пустоты).[1] Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или «каркасом». Поры обычно заполнены жидкость (жидкость или же газ ). Скелетный материал обычно представляет собой твердый, но структуры вроде пены также часто с пользой анализируются с использованием концепции пористой среды.

Пористая среда чаще всего характеризуется пористость. Другие свойства среды (например, проницаемость, предел прочности, электрическая проводимость, извилистость ) иногда может быть получено из соответствующих свойств его составляющих (твердой матрицы и жидкости), а также пористости среды и структуры пор, но такой вывод обычно сложен. Даже концепция пористости очевидна только для пороупругой среды.

Часто и твердая матрица, и сеть пор (также известная как поровое пространство) являются непрерывными, так что образуют два взаимопроникающих континуума, например, в губка. Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективная пористость, то есть поровое пространство, доступное для потока.

Многие натуральные вещества, такие как горные породы и почва (например. водоносные горизонты, нефтяные резервуары ), цеолиты, биологические ткани (например, кости, дерево, пробка ) и искусственных материалов, таких как цементы 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: фильтрация, механика (акустика, геомеханика, механика грунта, механика горных пород ), инженерное дело (нефтяная инженерия, биоремедиация, строительная техника ), науки о Земле (гидрогеология, нефтяная геология, геофизика ), биология и биофизика, материаловедение. Двумя важными текущими областями применения пористых материалов являются преобразование энергии и хранилище энергии, где пористые материалы необходимы для суперконденсаторов, топливные элементы,[2] и батареи.

Течение жидкости через пористую среду

Основная статья: Течение жидкости через пористую среду

Течение жидкости через пористую среду представляет общий интерес и стало отдельной областью исследований. Изучение более общего поведения пористых сред, связанных с деформацией твердого каркаса, называется поромеханика.

Теория пористых потоков находит применение в струйной печати.[3] и утилизация ядерных отходов[4] технологии, среди прочего.

Модели структуры пор

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

Пористые материалы часто имеют фрактал -подобная структура, имеющая площадь поверхности пор, которая кажется неограниченно увеличивающейся при просмотре с прогрессивно увеличивающимся разрешением.[5] Математически это описывается путем присвоения поверхности поры Хаусдорфово измерение больше 2.[6] Экспериментальные методы исследования поровых структур включают: конфокальная микроскопия[7] и рентгеновская томография.[8]

Законы для пористых материалов

Один из законов для пористых материалов: обобщенный закон Мюррея. Обобщенный закон Мюррея основан на оптимизации массопереноса за счет минимизации транспортного сопротивления в порах с заданным объемом и может применяться для оптимизации массопереноса, включая изменения массы и химические реакции, включающие проточные процессы, диффузию молекул или ионов.[9]

Для присоединения основной трубы радиусом р0 многодетным трубам радиусом ря , формула обобщенного закона Мюррея: , где Икс - отношение изменения массы во время массопереноса в родительской поре, показатель степени α зависит от типа перевода. Для ламинарного потока α = 3; для турбулентного потока α = 7/3; для молекулярной или ионной диффузии α = 2; и Т. Д.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Иерархически структурированные пористые материалы: от нанонауки до катализа, разделения, оптики, энергетики и наук о жизни - онлайн-библиотека Wiley. 2011. Дои:10.1002/9783527639588. ISBN  9783527639588.
  2. ^ Чжан, Дао; Асефа, Теодрос (2020). Гитис, Виталий; Ротенберг, Гади (ред.). Справочник по пористым материалам. Сингапур: МИРОВОЙ НАУЧНЫЙ. Дои:10.1142/11909. ISBN  978-981-12-2322-8.
  3. ^ Стивен Д. Хоат, «Основы струйной печати - наука о струйной печати и каплях», Wiley VCH 2016
  4. ^ Мартинес М.Дж., Мактиг Д.Ф. (1996) Моделирование изоляции ядерных отходов: приблизительные решения для потока в ненасыщенных пористых средах. В: Уилер М.Ф. (ред.) Экологические исследования. Тома IMA по математике и ее приложениям, том 79. Springer, New York, NY
  5. ^ Дутта, Тапати (2003). «Фрактальная пористая структура осадочных пород: моделирование методом баллистического осаждения». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 108 (B2): 2062. Bibcode:2003JGRB..108.2062D. Дои:10.1029 / 2001JB000523.
  6. ^ Кроуфорд, Дж. (1994). «Взаимосвязь между структурой и гидравлической проводимостью почвы». Европейский журнал почвоведения. 45 (4): 493–502. Дои:10.1111 / j.1365-2389.1994.tb00535.x.
  7. ^ М. К. Хед, Х. С. Вонг, Н. Р. Буэнфельд, "Характеристика зерен Хэдли с помощью конфокальной микроскопии", Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483-1489
  8. ^ Пэн, Шэн; Ху Циньхун; Дульц, Стефан; Чжан, Мин (2012). «Использование рентгеновской компьютерной томографии для определения характеристик поровой структуры песчаника Верия: эффект разрешения». Журнал гидрологии. 472-473: 254–261. Bibcode:2012JHyd..472..254P. Дои:10.1016 / j.jhydrol.2012.09.034.
  9. ^ Чжэн, Сяньфэн; Шен, Гофан; Ван, Чао; Ли, Ю; Данфи, Даррен; Хасан, Тауфик; Бринкер, К. Джеффри; Су, Бао-Лянь (2017-04-06). «Биологические материалы Мюррея для массопереноса и активности». Nature Communications. 8: 14921. Bibcode:2017НатКо ... 814921Z. Дои:10.1038 / ncomms14921. ISSN  2041-1723. ЧВК  5384213. PMID  28382972.