应用非局部理论研究多孔介质中的多尺度传递问题

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众所周知多孔介质在工业材料、生物体内和自然界中普遍分布。研究多孔介质中的多尺度传递问题有利于工业、生命科学以及基础设施建设等多个领域的发展。按多孔介质中传递的尺度划分,多孔介质传递一般是孔隙尺度、表征单元体积尺度以及宏观尺度的多尺度传递问题。研究直接和工程技术问题相关的宏观尺度的多孔介质传递问题是基于对表征单元体积尺度的传递的理解,而孔隙尺度的传递规律是研究表征单元体积尺度传递的基础,因此多孔介质的质量、能量和动量的输运是一个典型的多尺度传递问题。本文应用非局部弹性理论深入探索了多孔介质中的多尺度传递问题。非局部理论最早起源于固体力学领域,非局部理论研究了物体在某一质点的状态受物体其他质点状态影响的物理问题,一般情况下与该质点距离越长的质点的状态对该质点的影响越弱。非局部理论在最近几十年飞速发展,已经在众多学科中得以推广。近年来非局部理论也推广到多孔介质传递领域中,形成了较为完善的理论来描述能量、动量和质量在多孔介质内的传输机理。受到非局部弹性理论的启发,我们建立了非局部效应影响下的多尺度多孔介质传递模型。关于表征单元体积尺度下的多孔介质传递问题,我们提出了考虑非局部效应的非稳态可压缩多孔介质传递模型和稳态不可压缩多孔介质传递模型。考虑非局部效应的非稳态可压缩多孔介质传递模型反映了空间非局部性和时间非局部性。考虑非局部效应的稳态不可压缩多孔介质传递模型反映了空间非局部性。由于反映非局部效应的本构关系的控制方程是四阶偏微分方程,为了形成可解的偏微分方程的定解问题,我们提出了附加边界条件。为了验证所提出的模型,我们对比了在不同非局部特征长度下多孔介质传递的等效渗透率。此外,我们认为新提出的非局部传递模型是解释弹性波在流体饱和多孔介质中的传播现象的一种方法。对于孔隙尺度的多孔介质中的传递问题,我们应用非局部理论考虑了流动的分子通过微/纳孔隙时的弹道输运,并考虑了分子在壁面处的滑移边界条件。建立了反映非局部效应的介观传递模型。我们从孔隙尺度的非局部传递方程发现,分子在微/纳孔隙尺度上非局部传递方程与宏观粘性的泊肃叶流动方程相似。经过分析,我们认为弹道输运和滑移边界条件的作用对于微/纳孔隙尺度的分子流问题起着重要的作用。我们最后给出了非局部特征长度与等效渗透率的联系。
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