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多孔地质材料中的反应扩散与孔隙结构演化:Ⅰ.理论分析与数值模拟

姜元勇  徐曾和  李艳松  李勤美  
【摘要】:考虑到多孔地质材料中的反应、扩散和孔隙结构演化同时发生在微观和细观2个不同的层次上,并且3个过程之间存在明显的相互作用,是耦合在一起的,研究反应固体和惰性固体共存情况下,多孔地质材料中的反应扩散与孔隙结构演化过程。同时,考虑到能够在实验室内进行实时测量的浮重力可以间接地反映多孔介质中的反应扩散和孔隙结构演化进程,研究多孔地质材料中的反应扩散和孔隙结构演化与浮重的关系。首先,在颗粒尺度上,给出同时考虑界面化学反应和边界层外扩散联合控制的颗粒动力学模型,描述固体反应颗粒的反应转化过程;接着,将颗粒动力学推广到包含足够多颗粒的多孔介质微元体上,得到描述多孔介质中反应扩散和孔隙结构演化的数学模型;最后,运用有限体积法对数学模型进行数值求解。研究结果表明:化学反应、溶质扩散和孔隙结构演化相互影响,密不可分;缓慢的反应和扩散过程,可以引起孔隙结构的显著改变,不容忽视;化学作用导致的孔隙结构改变远比力学作用的大;反应扩散与孔隙结构演化过程与浮重之间存在一一对应关系。本文所建立的数学模型可以反映非惰性多孔介质中的反应扩散和孔隙结构演化进程,对于进一步研究多孔介质中的物理化学流体动力学过程具有一定借鉴意义。

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