流体动力学

固液分离流体动力学多孔介质性质1、多孔介质介绍•多孔介质2、多孔介质的统计描述•研究多孔介质意义3、多孔介质的骨架特性4、多孔介质的基本参数5、自发渗吸目录多孔介质多孔介质是宇宙万物的基本构架：a)宇宙多孔介质b)宏观多孔介质c)微纳米多孔介质d)微观多孔介质多孔介质定义：将把含有以规则的或任意的形态分散在其内部的连通的或不连通的孔洞或洞穴的固体分类称为多孔介质。Bear、Zaslavsky、Irmay.1968：在多相物质中至少有一项不是面体。在多孔介质占据的范围内，固体相应遍及整个多孔介质。至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通。多孔介质多孔介质的结构特征可概括如下：•1.多孔介质是带有许多微小孔洞的固体；•2.孔洞之间互相连通或是部分连通；•3.孔洞的形状多种多样，非常复杂；•4.孔洞中的流体在一定条件下可以流动。多孔介质多孔介质的概念被广泛用于许多应用科学和工程领域，包括力学（声学、地质力学、土壤力学和岩石力学）、地球科学（水文学、石油地质学、地球物理）、生物学及生物物理、材料科学、过滤、石油工程、生物修复、建筑工程、冶金和化工等领域。多孔介质流体通过多孔介质的流动是多种工程及学科的分支，例如，地下水水文学、采油工程学、土坡学、土力学及化学工程学等等经常遇到的一个课题，所以多孔介质的研究对于认识宇宙和物质的构形及构造具有深刻的意义，多孔介质本身的科学规律可以应用到天体流体力学及微观量子力学等领域，或者反过来丰富多孔介质本身的理论内涵。多孔介质的统计描述粒径分布：粒径的测量及其分布，测量方法有筛分法、重率法。前者适用粒径大于0.06mm，后者适用于小颗粒。颗粒直径（μm）=16×103/筛目数多孔介质的统计描述孔径分布：固结的多孔介质无法给出粒径分布，只能用孔径分布来描述。孔隙直径δ定义为孔隙中能放置的最大圆球直径。孔径分布可以用因子α来定义，其中α是孔径在δ和δ+dδ之间的孔隙所占总孔隙体积VP的百分比，则有：一般说来，至少对于非固结物质，确定一给定试样的粒径分布要比确定其孔径分布容易。因此已经提出了几种根据粒径分布求孔径分布的方法。这些方法大都是基于颗粒的排列方式或对固结多孔介质的切片进行统计分析多孔介质的骨架特性物质组成：组成多孔介质骨架的物质种类可以是单一的，也可以由多种物质混合而成，即骨架本身就是多相物体。但只要组成骨架的各种物质成分充分混合，介质性质宏观上表现不出物质组成上的差异，就可以把固体骨架统一看作一种具有某种平均性质的物质种类。有些多孔介质的物质组成比较单一，如石英砂岩，而有些多孔介质的物质组成则十分复杂，如杂砂岩。多孔介质的性质与组成介质的物质种类密切相关。尺度组成：多孔介质的固体骨架是由单元体相互连接而成的，单元体的形状、尺度和单元体的连接方式基本上都是随机的。有些单元体呈一维线状，如玻璃纤维；有些呈二位片状，如云母；有些呈三维颗粒状，如石英和长石晶体等。描述单元体的尺度通常用等效尺度：线状单元体用单元体的长度来作为等效尺度；二维片状单元体用面积等效圆直径作为等效尺度；三维颗粒状单元体用体积等效球直径作为等效尺度。多孔介质的骨架特性连接方式：多孔介质单元体之间的连接方式极其复杂，但最基本的连接方式只有三种：点接触、线接触和面接触。实际介质中的连接方式是它们的复杂组合。单元体之间的连接方式取决于单元体的类型、外表形状以及单元体的受力情况。球状颗粒材料多呈点接触连接方式。多孔介质的致密程度可以用一个单元体与周围相连接单元体的数目，即单元体的配位数来表示。配位数的大小与多孔介质的致密程度有关。一般来说，配位数越大，多孔介质就越致密。多孔介质的骨架特性排列方式：排列方式即单元体在多孔介质中的空间关系。实际的多孔介质其单元体排列方式也是极其复杂的。对于等尺度球形颗粒材料，有两种十分经典的排列方式：立方体排列和菱面体排列。立方体排列的配位数较小，因而又常称做松散排列。菱面体排列的配位数较大，因而又常被称作紧凑排列或致密排列。实际的非等尺度球形单元体组成的多孔介质其排列方式则是它们的各种复杂组合。多孔介质的骨架特性多孔介质的基本参数孔隙率（porosity）：在多孔介质内部的空隙可按其尺寸进一步分类。根据流体在空隙空间内部的动态，可以分成三类。在最小的空隙空间中，固体分子和流体分子之间的分子力很显著，这些最小的空隙空间称为分子间隙。在最大的空隙空间中，流体的运动只部分地决定于孔壁，这些最大的空间被称为洞穴。其大小界于分子间隙和洞穴之间的那些空间称为孔隙。多孔介质的另一种分类把它们分成有序的和随机的两类。其意义是明显的。等径的球体的规则装填是有序的，而一块面包，其孔隙结构是随机的。多孔介质的基本参数式中，（△A）i（△AV）i分别为多孔介质中第i个截面单元面积和面积单元中的孔隙面积。多孔介质的基本参数3.线孔隙率Ԑl：其定义为：式中，（△L）i（△LV）i分别为多孔介质中第i段线段中总线长和孔隙所占线长。多孔介质的基本参数渗透系数（permeability）：渗透系数是由Darcy定律所定义的，它是多孔介质的一个重要特性参数。表述了多孔介质对流体的传输性能。在相同的压差下容许渗透的流体流量将受多孔体特性的制约，由达西经验定律所限定，即：式中，V为牛顿流体以很低流速渗流通过多孔体试样的容积流率；F和L分别是多孔体试样或床层沿流体流动的横向正截面积与程长；μ为流体粘性系数；△P为流动压力降；K是引进的比例系数，即流体的渗透能力，成为“渗透系数”。多孔介质的基本参数渗透系数是有量纲的系数。渗透系数K以[达西]计，1达西是指粘性系数为1厘泊的流体在1物理大气压的压降下、渗流1立方厘米多孔体的体积流量为1厘米3/秒时的渗流系数，1达西相当于0.987μm2。对固结成型的多孔材料，孔隙率和渗透系数都已有相对成熟的实用测试方法与手段。无量纲的孔隙率Ԑ和具有[L2]量纲的渗透率K是多孔介质的两个特征量。（注：K常被称为“渗透率”，但其科学含义是渗透能力的描述，叫“渗透系数”比较确切。）含湿多孔介质的渗透系数K是气相与液相各自Kg和Kl之和。多孔介质的基本参数饱和度（saturation）：多孔介质的孔隙可以部分为液体占有，另一部分则为空气或其他蒸汽占有；或者有两种或两种以上互不相容液体共同占有，这样的话，每种流体所占据孔隙容积的多少成为多孔介质的一个重要特性参数。在多孔介质中某特定流体所占据孔隙容积的百分比，称之为饱和度S，即：式中，VW为w流体所占据的多孔材料孔隙容积。流体饱和度可以用各种实验方法测得，如体积平衡法。直接称量法、电阻法和X射线吸收法。多孔介质的基本参数毛细压力（capillarypressure）:当两种互不相溶的流体相互接触时，它们各自的内部压力在接触面上存在着不连续性，两压力之差称作毛细压力Pc。Pc的大小取决于分界面的曲率，即：式中，σ12为互不相溶流体间的表面张力，它是形成交界面所需的比自由能；和分别为界面的两个主曲率半径。自发渗吸所谓自发渗吸（简称自吸）是多孔介质在毛细管力驱动下自发地吸入某种湿润液体的过程。在19世纪初，Lucas和Washburn分析了单根毛细管和多孔介质中水自吸的动力学因素，建立了湿润液体LW自吸模型。湿润液体在毛细管力作用下被吸入到毛细管或者裂纹渠道是一种普遍存在的自然现象。土壤中地下水的上升、植物水分的运输、桌布上咖啡污渍点的散布等都属于自吸现象。根据液体吸入和排出方向不同可分为顺向和逆向自吸。固液分离流体动力学多孔介质孔隙率、比面测量和模型介绍（一）孔隙率测量的方法（二）比面的测量方法（三）多孔介质模型目录（一）孔隙率的测量方法孔隙率是多孔样品中孔隙占它总体积的份额，所以需要测量以下三种体积重的两种体积：即样品的总体积（Ub），样品中孔隙的体积（U0）和样品的固体骨架的体积（Us）。有以下几种方法：1、直接法；样品测量总体积Ub压碎、去除所有孔隙固体粉末比重瓶骨架体积Us排水此方法常用于砖和陶瓷的测量。2、利用压缩室确定Us图1基于Boyle-Mariotte定律的孔隙计将试样置于体积为U1的压缩室内，该室的压力为P1。另一个压缩室的体积为U2，其内气体是被抽空的。拧开两压缩室的阀门使他们连通，确定最终压力为P2；在压缩室中，气体发生等温膨胀，根据波义耳气体定律（定量定温下，理想气体的体积与气体的压力成反比），根据混成前后气体状态可得：11122)()ssUUPUUUP（21221sPUUUPP或P1、P2可以通过压力表测得，U1、U2已知，总体积Ub也可以测量出来，这样得到Us就可以求道孔隙率。3、测量空隙的Washborn-Bunting孔隙计法如图2所示，利用水银存贮器造成部分真空，通过测量从样品空隙空间分离出来的空气体积（在大气压力下）确定孔隙的体积。图2Woshburn-Bunting孔隙计示意图4、气体膨胀法试验通常在常温下进行。将样品置于体积为U1的气室中。该阶段的压力为P1；然后是气体向另一个体积为U2的气室膨胀。U2中的初始压力。即与第一个气室接通以前的压力为P0。两气室中的最终压力为P2。图3气体膨胀孔隙计在工程上,压力低于1MPa和温度在10～20℃时,可以称为理想气体。当压力很高、温度很低时,用理想气体状态方程进行计算所引起的误差会很大。实际工程设计中,在理想气体状态方程中引入压缩因子Z,得到实际气体状态方程为：PVm=ZRT,则可以推导：11s02212s102()()()()()PUUPUPUUUZPZPZP式中Z(P)为压缩因子；（二）比面的测量方法比表面积是指多孔材料内表面积与外表体积的比值；下面介绍测量比面的两种方法。由Chalkey等提出，用于测量面结多孔介质的比面。在一张放大的多孔介质断面的显微镜照片上，多次随机地投掷一根长度为l的钢针，记录针尖落入孔隙空间的次数（α）及针与孔隙周界相交的次数（β），由公式4/Mnml式中n为孔隙率，由第一部分的测量方法可以测出；这种方法被认为是一种最适用的方法。骨架的其他许多性质也可以确定固体的表面积。1、统计法；2、吸附法；假设固体所吸附的气体在固体整个表面上形成一个分子厚的均匀薄膜，则根据吸附的气体量可以确定固体的表面积；图4为甲醇蒸汽吸附法测定比面装置；图4自动吸附量测定装置示意图样品加热、脱气管式炉干样品取100mg恒温室通入氦气加热，温度维持50±0.1℃50℃恒温室放入甲醇瓶水浴加热至49.7℃甲醇蒸汽通入He吸附饱和样品样品吸附蒸汽研究发现：50℃时,甲醇在一些多孔介质中吸附时发现,甲醇吸附层厚度在相当宽的相对力压范围内,只有一个单分子层的厚度;相对压力超过以后0.9,吸附层厚度才有所增加。以下为测量流程；（三）多孔介质的模型由于多孔介质孔隙结构的复杂性，孔隙率、比面、孔径分布等参数很难直接用来计算实际的传热传质过程，必须需要借助适当的结构模型；人们提出了多种结构模型，包括颗粒状模型、毛管模型、统计模型、网络模型以及分形模型等；1、颗粒状模型；颗粒状多孔介质常见于实际生活中，比如说土壤、煤、谷物或粉状材料等；图5谷物和土壤2、毛细管模型；毛细管模型是一种简单的多孔模型，包括直毛管模型、平行状模型、串状模型、岔状模型；①直毛管模型；直毛管模型是由一束笔直平行于同一直径的毛管构成，由此可以求出有效导热率和渗透率，如图6所示；图6直毛管模型②平行状模型；由图5我们可以看出，直毛管模型只能给出一个方向上的流动，不能充分的描述内部的传递现象；所以人们在此基础上提出来平行状模型；平行状模型把三分之一的毛管分别放在每一度空间上，而且毛管的管径可以各不相同，孔隙大小分布可以构造的和实际多孔介质相同；③串状模型；前两种严重缺点在于假设所有孔隙都是从多孔介质某一侧面到对应另一侧面，与实际多孔介质中的情况出入很大；串状模型的毛管是可以扭曲的，毛管的直径沿着长度方向可以有改变，如图7所示；图7串状模型④岔状模型；上述讨论的各种模型，在一般情况下满足达西定律的解释。但是忽略了流动途径是可以岔开而后又会合并起来的事实，为了将这种分支现象考虑在内，一根毛管可以一分