Пористый среда

редактировать

Керамика с открытыми ячейками

A пористая среда или пористый материал - это материал, содержащий поры (пустоты). Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или «каркасом». Поры обычно заполнены жидкостью (жидкостью или Газ ). Скелетный материал обычно представляет собой твердое тело, но такие структуры, как пена, также часто с пользой анализируются с использованием концепции пористой среды.

Пористая среда чаще всего характеризуется его пористостью. Другие свойства среды (например, пермеаби lity, предел прочности, электрическая проводимость, извилистость ) иногда можно получить из соответствующих свойств его составляющих (твердой матрицы и жидкости) и пористость носителя и структура 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, таких как в губке. Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективной пористости, то есть порового пространства, доступного для потока.

Многие природные вещества, такие как горные породы и почва (например, водоносные горизонты, нефтяные резервуары ), цеолиты, биологические ткани (например, кости, дерево, пробка ) и искусственные материалы, такие как цемент и керамика, могут быть рассматривается как пористая среда. Многие из их важных свойств можно рационализировать, только рассматривая их как пористую среду.

Понятие пористой среды используется во многих областях прикладной науки и техники: фильтрация, механика (акустика, геомеханика, механика грунтов, механика горных пород ), инженерия (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 накопление энергии, где пористые материалы необходимы для суперконденсаторов, топливные элементы и батареи.

протекание жидкости через пористая среда

Течение жидкости через пористую среду представляет общий интерес и представляет собой отдельную область исследований. Изучение более общего поведения пористой среды, связанного с деформацией твердого каркаса, называется поромеханикой.

Теория пористых потоков имеет приложения, в частности, в струйной печати и технологиях утилизации ядерных отходов.

Модели структуры пор

Существует множество идеализированных моделей структуры пор. Их можно в общих чертах разделить на три категории:

сети капилляров
массивы твердых частиц (например, случайная плотная упаковка сфер)
тримодальные

Пористые материалы часто имеют фрактальную -подобную структуру, имеющую площадь поверхности пор, которая кажется неограниченно увеличивающейся при просмотре с прогрессивно увеличивающимся разрешением. Математически это описывается путем присвоения поверхности поры размерности Хаусдорфа больше 2. Экспериментальные методы исследования структуры пор включают конфокальную микроскопию и рентгеновскую томографию <169.>Законы для пористых материалов

Одним из законов для 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, включая изменения массы и химические реакции, включающие проточные процессы, диффузию молекул или ионов.

Для соединения родительской трубы с радиусом r0со многими дочерними трубами с радиусом riформула обобщенного закона Мюррея: $roa = 1 1 - X ∑ i = 1 N ria {\ displaystyle r_ { o} ^ {a} = {1 \ over 1-X} \ sum _ {i = 1} ^ {N} r_ {i} ^ {a}}$ ${\ displaystyle r_ {o} ^ {a} = {1 \ over 1-X} \ sum _ {i = 1} ^ {N} r_ {i} ^ {a}}$ , где X - отношение изменения массы во время массопереноса в родительской поре, показатель α зависит от типа переноса. Для ламинарного течения α = 3; для турбулентного потока α = 7/3; для молекулярной или ионной диффузии α = 2;

См. также

Ссылки

^Иерархически структурированные пористые материалы: из нанонауки катализу, разделению, оптике, энергии и наукам о жизни - онлайн-библиотека Wiley. 2011. doi : 10.1002 / 9783527639588. ISBN 9783527639588.
^Чжан, Тао; Асефа, Теодрос (2020). Гитис, Виталий; Ротенберг, Гади (ред.). Справочник по пористым материалам. Сингапур: МИРОВОЙ НАУЧНЫЙ. doi : 10.1142 / 11909. ISBN 978-981-12-2322-8.
^Стивен Д. Хоат, «Основы струйной печати - наука о струйной печати и каплях», Wiley VCH 2016
^Мартинес MJ, McTigue DF (1996) Моделирование изоляции ядерных отходов: приблизительные решения для потока в ненасыщенных пористых средах. В: Уиллер М.Ф. (ред.) Экологические исследования. Объемы IMA по математике и ее приложениям, том 79. Springer, New York, NY
^Датта, Тапати (2003). «Фрактальная пористая структура осадочных пород: моделирование методом баллистического осаждения». Журнал геофизических исследований: Твердая Земля. 108 (B2): 2062. Bibcode : 2003JGRB..108.2062D. doi : 10.1029 / 2001JB000523.
^Кроуфорд, Дж. У. (1994). «Взаимосвязь между структурой и гидравлической проводимостью почвы». Европейский журнал почвоведения. 45 (4): 493–502. doi : 10.1111 / j.1365-2389.1994.tb00535.x.
^М. К. Хед, Х. С. Вонг, Н. Р. Буэнфельд, "Характеристика зерен Хэдли с помощью конфокальной микроскопии", Cement Concrete Research (2006), 36 (8) 1483-1489
^Peng, Sheng; 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. doi : 10.1016 / j.jhydrol.2012.09.034.
^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 : 2017NatCo... 814921Z. doi : 10.1038 / ncomms14921. ISSN 2041-1723. PMC 5384213. PMID 28382972.