Pore-scale Simulation of Shear-Thinning Fluid Flow using Lattice Boltzmann Method
目前的工作试图确定流动和几何变量对比例因子的作用，比例因子是模拟多孔介质中非牛顿流体表观粘度的必要参数。将多孔介质微结构理想化为圆柱和方柱阵列，采用多弛豫时间格子玻尔兹曼方法对剪切变稀非牛顿流体流动进行孔隙尺度模拟。固体圆柱体的尺寸和内含物比率的变化产生了具有不同孔隙度和渗透率的宽范围的多孔介质。本研究还使用随机重建技术生成逼真的，随机的多孔微结构。对于每种情况，孔隙尺度流体流动模拟能够基于孔隙内计算的剪切速率计算等效粘度。研究表明，该比例因子与孔隙度、渗透率、弯曲度和渗流阈值有很强的相关性，在渗流阈值孔隙度处接近最大值。目前的调查量化，并提出有意义的相关性之间的比例因子和宏观性质的多孔介质。
2021-02-10 physics.flu-dyn
Pore-Scale Modeling of Navier-Stokes Flow in Distensible Networks and Porous Media
在本文中，孔隙尺度网络建模方法，结合牛顿-拉夫森非线性迭代求解技术的流动连续性残差的基础上，提出并用于获得压力和流场的互连扩张管道网络表示，例如，血管或可变形多孔介质。一个先前推导出的分析表达式相关的边界压力的体积流量在顺应管的压力-面积本构弹性关系已被用来表示底层的流动模型。与以前的等效方法，一维Navier-Stokes有限元，进行了比较，并对结果进行了分析。新方法的优点已经突出和实际的计算问题，主要涉及的速度和收敛速度，进行了讨论。
2013-09-29 physics.flu-dyn
A Unified Theory for Chaotic Mixing in Porous Media: from Pore Networks to Granular Systems
本研究针对多孔介质混沌混合缺乏统一理论、折叠机制不明的问题，提出统一理论，揭示拉伸折叠由介质拓扑复杂度驱动，厘清连续与离散介质的混合机制差异，为新型多孔结构设计提供指导。
2024-12-06 physics.flu-dyn
Turbulent flows over porous lattices: alteration of near-wall turbulence and pore-flow amplitude modulation
本研究通过直接数值模拟探究多孔晶格上方湍流，发现法向渗透率超过阈值时近壁湍流转为类K-H不稳定性状态，多孔基底微观结构对湍流影响显著，为多孔基底设计提供了依据。
2023-08-14 physics.flu-dyn
Quantifying Multiphase Flow of Aqueous Acid and Gas CO$_2$ in Deforming Porous Media Subject to Dissolution
多孔介质中的矿物溶解与单相或多相流耦合在自然和工程系统中普遍存在，包括储层工程中的碳捕获和封存（CCS）和酸刺激。矿物的溶解发生在固相中的化学物质转化为水相中的离子，有效地改变了固体基质的物理，水文和地球化学性质，从而导致局部溶解速率和孔隙尺度流动之间的强耦合。然而，我们对这种耦合效应在孔隙水平上的基本理解仍然有限。在这项工作中，矿物溶解研究使用新的方解石为基础的多孔微观模型在单相和多相条件下，重点是矿物溶解与孔隙流动的相互作用。在实验中使用的微流控装置制造的方解石使用光刻和湿法蚀刻。这些替代多孔介质提供了对结构和化学性质的精确控制，并有助于通过微PIV方法对孔隙流进行无障碍和无畸变的光学访问。初步结果提供了矿物溶解过程中的流动动力学的一个独特的观点。基于这些孔隙尺度测量，孔隙尺度流量和溶解速率之间的相关性可以开发几个代表性的条件。
2023-01-01 physics.flu-dyn
POREMAPS: A finite difference based Porous Media Anisotropic Permeability Solver for Stokes flow
本文提出基于有限差分的POREMAPS求解器，用于高效并行求解孔隙尺度Stokes流动，以获取多孔介质各向异性渗透率，并通过变形泡沫和微流控沉淀案例验证其性能与各向异性演化。
2024-07-29 physics.flu-dyn
Convective mixing in porous media: A review of Darcy, pore-scale and Hele-Shaw studies
本文综述了多孔介质中对流混合的Darcy、孔隙尺度和Hele-Shaw研究，重点分析重流体层溶解行为，揭示有限尺寸效应的关键作用，并展望未来研究方向。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Clogging a Porous Medium
本研究对比两种多孔介质孔喉阻塞模型，发现渗透率下降遵循依赖模型的幂律标度，而压力跳变的幂律分布具有与侵入渗流一致的普适指数，提示二者属同一普适类。
2021-07-09 physics.flu-dyn
Robust pore-resolved CFD through porous monoliths reconstructed by micro-computed tomography: From digitization to flow prediction
本研究通过微断层扫描重建多孔单体，利用改进的CFD方法实现鲁棒的孔隙解析模拟，揭示孔隙结构对压力分布的影响，为复杂多孔介质的数字化设计提供新方法。
2025-12-03 physics.flu-dyn
Wetting Front Dynamics in Isotropic Porous Media
本文在考虑孔隙尺度上流体的运动类型（模式）的基础上，提出了一种新的达西尺度上的多孔介质润湿锋模拟方法。这种方法是使用一个简单的模型的情况下，吸入的粘性不可压缩液体到一个各向同性的多孔基质的两种运动模式的湿，润湿模式和阈值模式。后者使得有必要引入一种基本上新的共轭问题技术，该技术允许将孔隙尺度上的阈值现象与达西尺度上的运动联系起来。所开发的方法（a）为结合孔隙尺度上的润湿的实际物理学提供了空间，（b）引入了与孔隙尺度阈值相关的物理学，该阈值决定了润湿前沿的部分何时停止（固定），并且，重要的是，（c）为构建日益复杂的模型提供了一个常规框架。
2012-03-06 physics.flu-dyn
Pore-Scale Transport and Two-Phase Fluid Structures in Fibrous Porous Layers: Application to Fuel Cells and Beyond
我们提出了孔隙尺度模拟的两相流在一个重建的纤维多孔层。通过X射线计算机断层成像获得材料的三维微观结构，即燃料电池气体扩散层，并将其用作晶格玻尔兹曼模拟的输入。我们进行了定量分析的多相孔隙尺度动力学，我们确定的主导流体结构管理质量传输。结果表明，存在三种不同的运输制度：- 在短时间内的快速惯性动力学，其特征在于紧凑的均匀前缘;在中间时间的粘性-毛细管状态，其中液体沿着数量逐渐增加的1 - 2孔尺寸的优先流动路径输送;以及在较长时间的第三状态，其中液体，在到达出口之后，仅仅沿着这样的流动路径流动，并且两相流体结构被稳定。我们观察到，纤维层呈现出显着的变化，在其微观形态，这有一个重要的影响孔隙侵入动力学，并抵消稳定的粘性力。液体传输确实受到微结构诱导的毛细管压力的存在的影响，对流动产生不利影响，导致毛细管指状传输机制和不稳定的前位移，即使在没有疏水处理的多孔材料。我们提出了一个宏观模型的基础上有效的接触角，模仿这样的动态毛细管压力的影响。最后，我们强调研究结果对优化口罩设计以缓解当前COVID-19疫情的重要性。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Chaotic Advection at the Pore Scale: Mechanisms, Upscaling and Implications for Macroscopic Transport
饱和多孔介质中溶质羽流的宏观扩散和混合最终由孔隙尺度的过程控制。虽然孔尺度的机械分散和分子扩散导致持久的流体动力学分散的传统图片是公认的，这种范式本质上是二维（2D）的，忽略了重要的三维（3D）现象。我们讨论了如何在孔隙尺度稳定的三维流动的运动学产生混沌平流，涉及指数拉伸和折叠的流体元素，它的产生机制和影响的微观混沌宏观分散和混合。由于拓扑约束，这些现象在稳定的2D流动中被禁止，由于所有3D多孔介质固有的拓扑复杂性，这些现象是普遍存在的。因此，三维多孔介质流动产生了与二维流动完全不同的流体变形和混合过程。混沌平流和广泛的过境时间分布的相互作用，可以纳入一个连续时间随机游走（CTRW）框架来预测宏观溶质混合和扩散。我们展示了如何通过流体变形的CTRW模型将这些结果推广到真实的多孔结构，从而产生宏观分散和混合的随机模型，这些模型既尊重孔隙尺度运动学，又直接取决于孔隙尺度层析成像。
2016-02-17 physics.flu-dyn
Linking Mixing Interface Deformation to Concentration Gradients in Porous Media
本研究通过数值模拟揭示多孔介质中孔隙尺度浓度梯度与混合界面的直接联系，提出理论模型量化混合界面伸长与反应动力学，并证明高佩克莱特数下不完全混合会无限持续。
2024-11-06 physics.flu-dyn
Permeability Description by Characteristic Length, Tortuosity, Constriction and Porosity
在这篇文章中，我们研究了达西定律中给出的多孔介质的渗透率。渗透率由多孔介质中的有效水力孔隙半径、局部水力孔隙半径的波动、流线的长度和传导流的体积分数来描述。有效水力孔隙半径与特征水力长度有关，局部水力半径的波动与收缩因子有关，流线的长度以曲折度为特征，从入口到出口的体积分数由有效孔隙度描述。因此，特征长度、收缩因子、弯曲度和有效孔隙度是相对于方向的孔结构的内在描述符。我们表明，我们的孔隙结构描述的综合效果充分描述了多孔介质的渗透性。该理论适用于理想化的多孔介质，在那里它再现达西定律的流体流动来自哈根-Poietille方程。我们还将这一理论应用到枫丹白露砂岩的全网络模型中，在那里我们展示了这种天然多孔介质的孔隙结构和渗透率与孔隙度的相关性。这项工作建立了如何渗透率可以与孔隙度，在Kozeny-Carman的意义上，通过基本的和明确的孔隙结构参数：特征长度，收缩，和曲折。
2015-05-10 physics.flu-dyn
Impact of Network Heterogenity on Nonlinear Electrokinetic Transport in Porous Media
我们提出了一个非线性电动力学在多孔介质中的传输的数值研究，专注于在多孔微结构的离子浓差极化和超限电流的非均匀性的作用。为了简单起见，多孔介质被建模为一个网络的长，薄的带电圆柱形孔，每个一维有效传输方程。对于弱的表面传导，当施加足够大的电位时，我们证明了多孔网络中的电动力学传输可以通过内部诱导流动回路由电对流主导，现有的均质化模型不能正确捕获。我们系统地改变的拓扑结构和“accessivity”的孔隙网络和传统的均匀化平行孔（毛细管束）模型的模拟进行比较，以揭示定期和分层连接的影响。我们的计算框架揭示了微观结构中的非线性电动现象的复杂物理学，并可用于设计多孔介质的应用，如水脱盐和净化冲击电渗析。
2019-01-08 physics.flu-dyn
2D microscopic and macroscopic simulation of water and porous material interaction
在科学、技术、环境保护、建筑等各个领域，研究多孔材料与不同聚集态物质相互作用的过程是非常重要的。从生态学和环境保护的角度来看，研究多孔材料与水在液相和气相中的相互作用过程具有特别的现实意义。由于一摩尔水含有$\mathtt{H_2O}$的$6,022140857\cdot 10^{23}$分子，因此在经典空气动力学框架中将水蒸气视为连续介质的宏观方法主要用于描述性质，例如孔隙中水蒸气的性质。本文建立了描述水蒸气在孤立孔隙内行为的宏观二维扩散模型，并用于模拟。与宏观模型一起，提出了孤立孔隙内水蒸气行为的微观模型。这种微观模型是建立在分子动力学的方法。在微观模型中，每个水分子运动的描述基于牛顿经典力学，考虑与其他分子和孔壁的相互作用。探讨了水汽-孔隙系统的时间演化规律.取决于外部的孔隙条件，系统发展到各种平衡状态，其特征在于不同的宏观特征值，如温度，密度，压力。将分子动力学模拟结果与基于宏观扩散模型和实验数据的计算结果进行比较，可以得出这样的结论：宏观和微观相结合的方法可以更充分、更准确地描述水蒸气与多孔材料的相互作用过程。
2017-09-18 physics.flu-dyn
Homogenization of two-phase flow in porous media from Pore to Darcy Scale: A phase-field approach
我们扩展的周期性均匀化的两尺度扩展方法，包括时间尺度，从而可以解决完全非定常的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型在孔隙尺度作为微尺度。时间尺度的分离使我们能够保持微观动态，负责，例如滞后，并达到一个数值上易于处理的微观宏观模型，包括耦合广义达西定律。
2020-01-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Flow-Area Relations in Immiscible Two-Phase Flow in Porous Media
我们提出了一个理论框架，不混溶的不可压缩两相流在均匀多孔介质中，连接的平均渗透速度的局部流体速度的分布。通过划分的孔隙面积沿横截面的平均流动方向到与局部流速相关的微分面积，我们构建了一个分布函数，使我们不仅可以重新建立现有的不混溶流体的渗透速度之间的关系，但也找到新的关系，他们的高时刻。我们支持和证明的形式主义，通过数值模拟使用动态孔隙网络模型不混溶两相流与二维和三维孔隙网络。我们的数值结果与理论分析相一致。
2019-11-26 physics.flu-dyn
Multimodal Functions as Flow Signatures in Complex Porous Media
该研究反驳了复杂多孔介质中流速分布可以用一个简单的函数如正态或指数变化来描述的前提。在许多复杂的多孔介质中，包括那些与地下储存和回收应用相关的多孔介质，在较大的颗粒间孔隙和颗粒内部的微孔之间存在尺度分离，导致需要通过具有不同流场特征的多峰函数来描述的不同的流动特征。我们证明了这一发现，通过设计一种新的方法来模拟碳酸盐岩中的流体流动的基础上表示的孔隙空间获得的差分X射线成像。在微孔空间的渗透率分配估计从压汞孔隙度法推断的孔径。考虑微孔隙度的模型预测与实验测得的孔隙度和渗透率吻合良好。微孔隙度对总渗透率的贡献很大，特别是在非均质介质中。
2018-08-20 physics.flu-dyn
Impact of spatially correlated pore-scale heterogeneity on drying porous media
研究了空间相关非均匀性对多孔介质等温干燥的影响。我们结合了一个最小的孔隙尺度模型与微流控实验具有相同的孔隙几何形状。我们的模拟干燥行为与实验相比毫不逊色，考虑到即使是很小的制造误差相关的不确定性的紧急行为的大的敏感性。我们发现，增加颗粒尺寸的相关长度，促进大孔的集群优先干燥，延长液体连通性和表面湿度，从而更高的干燥速率更长的时间。我们的研究结果提高了我们对孔隙尺度异质性如何影响干燥的定量理解，干燥在从燃料电池到油漆和水泥的固化到土壤中能量、水和溶质的全球预算的广泛过程中发挥着作用。
2017-05-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pore network model of evaporation in porous media with continuous and discontinuous corner films
在多孔介质蒸发过程中，角膜可分为两种类型。连续的角膜连接到本体液体，而不连续的角膜不连接。为了揭示角膜对多孔介质蒸发的影响，建立了一个同时考虑连续和不连续角膜的孔隙网络模型，该模型考虑了毛细力和粘性力以及角膜对孔隙临界压力的影响。模型中还考虑了大、小孔间突然几何膨胀引起的毛细阀效应。所建立的孔隙网络模型与准二维微观模型多孔介质的蒸发实验结果吻合较好，不仅反映了各孔隙中液体饱和度的变化，而且反映了总蒸发速率的变化。并将忽略角膜或液体粘度的孔网络模型与实验结果进行了比较，以揭示角膜的作用。连续的角膜，这有助于维持高蒸发速率，可以中断的不连续的，不仅通过气体侵入孔，而且由于局部凸拓扑结构的固体基质的毛细管剪刀效应。
2019-12-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Molecular-dynamic simulation of water vapor interaction with suffering pores of the cylindrical type
本文从宏观和微观两个方面对水蒸气与多孔材料的相互作用进行了理论和实验研究。在宏观层次上，研究了多孔介质中单个孔隙的排列结构对水蒸气与多孔介质相互作用过程的影响。在微观层次上，研究水蒸气与多孔介质相互作用的特征对单个孔隙的几何形状和尺寸的依赖性是非常有趣的。本文用数学模拟的方法研究了水蒸气与圆柱形受害孔相互作用的过程。使用混合型模型结合分子动力学和宏观扩散方法来描述水蒸气与单个孔隙的相互作用进行计算。探讨了系统的宏观特征（如温度、密度和压力）向热力学平衡状态演化的过程，这些宏观特征取决于孔隙的外部条件。的演化参数的分布上的孔隙中的扩散系数，作为分子动力学建模的结果，得到的依赖性，检查。这些研究的相关性是由于这样一个事实，即所有的方法和程序用于建模的水分和热传导率是基于使用的传输方程在多孔材料作为一个连续的介质与已知值的传输系数，这通常是实验获得。
2018-05-07 physics.flu-dyn
Impact of pore-scale chaotic mixing on Darcy-scale reaction rates
本文通过折射率匹配三维多孔介质的化学发光实验，揭示孔隙尺度混沌混合与 Darcy 尺度加速度共同影响反应速率，并提出含薄层折叠和浓度梯度的机制模型。
2023-06-08 physics.flu-dyn
Pore-scale Mixing and the Evolution of Hydrodynamic Dispersion in Porous Media
我们研究了通过非均匀多孔介质的孔隙尺度混合和网络尺度平流的相互作用，以及它对流体动力弥散的演化和渐近行为的作用。在拉格朗日框架中，我们确定了三个基本机制的孔隙尺度混合，确定大规模的颗粒运动，即，平滑的孔隙内速度对比，增加的曲折的颗粒路径，并设置一个最大的时间为颗粒过渡。基于这些机制，我们推导出一个理论，预测异常和正常的水动力色散的基础上的特征孔隙长度，欧拉速度分布和Péclet数。
2021-03-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Bridging scales in porous media: cDFT-informed pore network modelling for fluid transport with nanoconfined phase behavior
Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理技术学院）
本文提出一种多尺度过滤框架，结合孔隙网络建模和经典密度泛函理论，用于预测纳米受限相行为下的流体传输，研究孔隙结构和热力学条件对渗透率的影响。
2026-05-12 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Physical Similarity of Fluid Flow in Bimodal Porous Media: Part 1 -- Basic Model and Solution Characteristics
本文通过双连续体模型和孔隙尺度层析成像启发式方法，研究双峰孔隙介质中流体流动的物理相似性，揭示了边界不连续性和延迟瞬态响应等独特特征，为相关预测建模与优化奠定基础。
2024-09-05 physics.flu-dyn
Coupled two-phase flow and surfactant/PFAS transport in porous media with angular pores: From pore-scale physics to Darcy-scale modeling
Stanford University（斯坦福大学）；The University of Arizona（亚利桑那大学）；Ocean University of China（中国海洋大学）
本文提出一种模型框架，将孔隙角性和界面张力-润湿性耦合纳入达西尺度的表面活性剂负载流体和传输模型，以更准确地模拟多孔介质中的两相流和传输过程。
2026-01-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Pore network models to determine flow statistics and structural controls in variably saturated porous media
本文将多孔介质概念化为导体网络作为折中方案，评估了不同孔隙空间信息对网络模型分析单相与多相流动特征能力的影响。
2024-03-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Pore-shape and its spatial organization control intrinsic permeability of porous media
Institute of Earth Science, University of Lausanne（洛桑大学地球科学研究所）；Department of Civil and Environmental Engineering, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院土木与环境工程系）；Department of Water Resources and Drinking Water, Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology（瑞士联邦水科学与技术研究所（Eawag）水资源与饮用水系）；Department of Civil and Environmental Engineering, Politecnico di Milano（米兰理工大学土木与环境工程系）；Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, Viterbi School of Engineering, University of Southern California（南加州大学维特比工程学院索尼·阿斯塔尼土木与环境工程系）
通过孔隙尺度流动模拟，发现死端孔隙的密度沿渗流路径增加会提高渗透率，而深度和方向影响可忽略，并提出考虑死端孔隙空间组织的有效渗透率公式。
2026-06-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pore-scale investigation on natural convection melting in a square cavity with gradient porous media
School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
该研究通过孔隙尺度格子玻尔兹曼方法模拟梯度多孔介质中PCM熔化，发现梯度结构增强自然对流、缩短熔化时间，且瑞利数临界值决定正负梯度的优劣，小颗粒直径利于传热。
2021-05-01 physics.flu-dyn
From Darcy flow to convective flow: pore-scale study of density-driven currents in porous media
本文通过孔隙尺度数值模拟研究多孔介质中密度驱动对流，揭示随瑞利数增大流动从达西型状态向RB型状态转变的机制、临界条件及标度律变化，并阐明达西模型的有效范围。
2024-09-29 physics.flu-dyn
Pore-Scale Modeling of Non-Newtonian Flow in Porous Media
本文采用孔隙网络模型研究了非牛顿流体在多孔介质中的渗流问题。非牛顿流体表现出非常复杂的时间和应变依赖性行为，并且可能具有初始屈服应力。它们的共同特点是不服从简单的牛顿应力与变形速率成比例关系。它们通常分为三个主要类别：时间无关的，时间依赖的和粘弹性的。使用了两个代表填砂和Berea砂岩的三维网络。采用迭代数值技术求解压力场，得到流量和表观粘度。时间无关的类别进行了研究，使用两种流体模型：埃利斯和赫歇尔-Bulkley。分析证实了本研究中使用的非牛顿网络模型的可靠性。当将网络模型结果与文献中的实验数据集进行比较时，得到了良好的结果，特别是对于Ellis模型。研究了屈服应力现象，并提出了几种预测临界屈服压力的数值算法。进行了广泛的文献调查和研究，以了解粘弹性现象，特别注意多孔介质中的流动。拉伸流动和粘度和收敛-发散的几何形状被彻底检查作为在多孔介质中的特殊粘弹性行为的基础。修正后的Bautista-Manero模型被认为是一个很有前途的候选人建模的粘弹性材料，也显示触变性属性的流动。采用该模型的算法实现了非牛顿代码和初步结果进行了分析。时间依赖的类别进行了检查，并确定了建模和模拟这些流体的流动中的几个问题。
2010-11-02 physics.flu-dyn
Linking continuum-scale state of wetting to pore-scale contact angles in porous media
润湿现象在多孔介质流动中起着关键作用。相对渗透率和毛细压力-饱和度函数对润湿性表现出高度敏感性，其在连续体和孔隙尺度上有不同的定义。在连续尺度上，润湿状态被定义为Amott-Harvey或USBM（美国矿业局）通过毛细管压力排水和吸胀循环。在孔隙尺度上，使用接触角的概念，直到最近才通过实验在不透明多孔介质内确定。因此，通过X射线计算机显微断层扫描测量孔尺度接触角的最新进展引起了各种研究团体的极大关注。在这项工作中，高斯-博内定理被应用到提供一个直接的联系毛细管压力饱和$P_c(S_w)$数据和测量的孔隙尺度接触角分布。我们建议，多孔介质的润湿状态可以描述的几何参数，约束不混溶流体的形态状态。该约束描述了给定系统可能存在的可能的接触角和界面曲率的范围。我们目前在测试砂岩的USBM指数，$P_c(S_w)$，和孔隙尺度接触角测量。还使用两相格子玻尔兹曼模拟进行了其他研究，以测试更广泛的润湿条件。我们发现，平均孔隙尺度接触角测量可以预测岩石物理数据在几个差异。这提供了一个一般的框架，如何连续尺度的数据可以用来描述多孔介质内的流体的几何状态。
2019-10-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Intermittent two-phase flow in porous media: insights from pore-scale direct numerical simulation
Imperial College London（帝国理工学院）
研究通过孔尺度直接数值模拟揭示了多相流中间歇性现象，展示了压力重分布与非润湿相流动的强耦合，阐明了间歇性如何导致从线性到亚线性区域的转变。
2026-05-12 physics.flu-dyn
Surface-access limitation in catalytic porous monoliths: Performance diagnosis using pore-resolved CFD
Polytechnique Montreal（蒙特利尔理工学院）；Université de Sherbrooke（舍布鲁克大学）
研究通过孔隙解析CFD分析催化多孔体中表面访问限制问题，揭示结构依赖的表面可及性对反应性能的影响，验证了反应性CFD在真实操作条件下的应用价值。
2026-04-03 physics.flu-dyn
Evaluation of gas permeability in porous separators for polymer electrolyte fuel cells: CFD simulation based on micro X-ray computed tomography images
本文对聚合物电解质燃料电池多孔隔板的孔结构和气体传输特性进行了实验和模拟研究。在实验中，两个多孔样品，一个常规的样品和一个具有低电阻率的气体渗透率，通过毛细管流动孔隙率仪测量，并与压汞法的孔径分布进行了评估。用微X射线计算机断层成像（CT）直接观察局部孔隙结构。在模拟中，氧气的有效扩散系数和空气渗透率在多孔样品分别使用随机游走蒙特卡罗模拟和计算流体动力学（CFD）模拟，基于X射线CT图像计算。计算的多孔样品的孔隙率和空气渗透率与实验值吻合得很好。模拟结果还表明，在常规样品中，面内磁导率是通过面磁导率的两倍，而在低电阻率样品中，面内磁导率略高。研究结果表明，基于微X射线CT图像的CFD模拟可以评估各向异性多孔介质中的各向异性气体渗透率。
2021-06-22 physics.flu-dyn
Rheology of immiscible two-phase flow in mixed wet porous media: Dynamic pore network model and capillary fiber bundle model results
采用解析可解的毛细纤维束模型和动态孔隙网络模型研究了混合湿条件下多孔介质中的不混溶两相流。通过允许每个管或链接具有从给定分布中随机选择的不同润湿角，在模型中实现混合润湿性。这两个模型表明，混合润湿性可以有显着的流变学方面的依赖性的全球体积流量的全球压降的影响。在毛细管纤维束模型中，对于小的压降，当只有一小部分管打开时，发现体积流率取决于作为幂律的过量压降，其指数等于3/2或2，取决于流动所需的最小压降。当所有的管是开放的，由于高压降，体积流量线性依赖于压降，独立的润湿性。在大多数管打开的过渡区域中，体积流量更敏感地依赖于润湿角分布函数，并且通常不是简单的幂律。动态孔隙网络模型的结果也表明，当压降较大时，流量与压降呈线性关系。然而，在此限制的动态孔隙网络模型表现出更复杂的行为，取决于混合润湿性条件和饱和度。特别地，将体积流率与过量压降相关联的指数可以取1.0和1.8之间的任何值。的指数的值是最高的饱和度接近0.5，也，指数一般增加时，两种流体的润湿性的差异较大，当这种差异是存在的多孔网络的一个较大的分数。
2021-08-28 physics.flu-dyn
Signatures of fluid-fluid displacement in porous media: wettability, patterns, and pressures
研究提出“移动电容器”动态网络模型，通过将流体界面视为移动电容器，首次在多种毛细数和润湿性下重现了多孔介质中的驱替图案与注入压力信号，揭示了不同流动状态的转变特征。
2020-01-14 physics.flu-dyn
Electrical Conductivity of Nanoscale Hydrophobic Porous Media: Surface Charge Density and Heterogeneous Pore Structure
导电性是疏水多孔介质（HPM）的固有性质，并且具有关键应用。本研究旨在为预测具有非均匀孔结构的纳米HPM的电导率提供一种解决方案。比较了分子动力学（MD）模拟与改进的Poisson-Boltzmann（MPB）模型对纳米孔中离子电荷密度分布的理解。有效介质近似（EMA）参与计算纳米HPM的有效电导和电导率。结果表明，表面电荷密度影响疏水纳米孔中的离子密度分布。随着孔径的增加，电导增加。随着电解质水溶液（AES）的摩尔浓度降低，电导降低。当AES的摩尔浓度很低时，会出现电导饱和现象。HPM的有效电导随着配位数的增加而增加。最后，基于计算出的有效电导和非均匀孔结构参数，计算了纳米级HPM的电导率。
2021-05-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Laminar boundary layer separation over a fully porous bump
本研究通过孔隙解析直接数值模拟探究全多孔高斯凸起的层流边界层分离，发现多孔表面的跨凸起质量通量会改变流动特性，削弱回流、降低平均剪切、延迟再附并延长分离区，明确了多孔结构对边界层分离的调控作用。
2025-05-21 physics.flu-dyn
Bistability in the Unstable Flow of Polymer Solutions Through Porous Media
聚合物溶液通常被注入多孔介质中，用于诸如采油和地下水修复的应用。当流体通过曲折的孔隙空间时，弹性应力增加，导致流动在足够大的注入速率下变得不稳定。然而，人们对这种不稳定流动的空间和时间特征如何取决于孔隙空间几何形状知之甚少。我们阐明这种依赖性，通过系统地改变模型多孔介质中的孔隙收缩之间的间距。我们发现，当孔隙间距是大的，不稳定的漩涡形成上游的每个孔，类似于一个孤立的孔的观察。相比之下，当孔隙间距足够小时，流动表现出令人惊讶的双稳态，在两个不同的不稳定流动状态之间随机切换。我们推测，这种不寻常的行为产生的流动诱导的聚合物伸长和松弛的聚合物之间的相互作用，因为它们是平流通过多孔介质。与这个想法一致，我们发现，在一个给定的孔隙中的流动状态持续很长时间。此外，我们发现相邻孔隙之间的流动状态是相关的，但是，这些相关性不持久的长期。因此，我们的研究结果有助于阐明丰富的阵列的流动行为，可以出现在聚合物溶液流动通过多孔介质。
2020-02-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.flu-dyn
Numerical Modeling of Ion Transport and Adsorption in Porous Media: A Two-scale Study for Capacitive Deionization Desalination
提出了一个双尺度模型，模拟了电容去离子（CDI）多孔电极中离子的动态输运和吸附过程。在孔隙尺度上，使用格子玻尔兹曼方法求解控制多孔CDI电极中的水流的Stokes方程，并且使用有限体积方法求解描述离子传输的Nernst-Planck方程。离子吸附过程被认为是在碳电极的表面。在连续介质尺度下，利用OpenFOAM求解了控制水流和溶质运移的达西方程和对流扩散方程。经过验证后，对分析解决方案和以前发表的结果，该模型被用来研究耦合水流，离子传输和吸附在孔隙和连续尺度。在孔隙尺度模型中，定量研究了电极微观结构、电位和流速对吸附过程的影响，并确定了各参数的相对重要性。此外，平均吸附速率来自孔隙尺度模拟中使用的连续模型来模拟水脱盐在流通CDI电池。在脱盐过程中的盐浓度的演变已被量化。结果表明，电极的吸附能力直接影响到整个离子的吸附。结果还表明，两个电极之间的较窄间隔物允许更快的离子吸附。该模型为定量分析离子在多孔电极中的迁移和吸附提供了一种数值工具。这有助于提高对多孔电极电容去离子吸附过程的基本认识。
2022-01-12 physics.flu-dyn
A simplified pore-scale model for slow drainage including film-flow effects
本文提出一种改进的准静态孔隙网络模型，通过修改截留团簇识别算法以纳入薄膜流动效应，模拟慢排驱过程，并成功重现实验现象，为理解二次排驱机制提供新工具。
2023-03-06 physics.flu-dyn
Interplay of viscosity and wettability controls fluid displacement in porous media
该研究通过直接数值模拟和稳定性分析，揭示非均质多孔介质中黏度比 M 与润湿性共同控制不混溶流体驱替流态及孔隙充填机制。
2023-04-23 physics.flu-dyn
Effects of Pore-Scale Disorder on Fluid Displacement in Partially-Wettable Porous Media
我们提出了一个系统的，定量评估的影响，孔隙大小的混乱和它的相互作用与流速和润湿性不混溶驱的粘性流体。孔隙尺度模拟和微观模型实验表明，减少无序增加驱替效率和紧凑性，最大限度地减少流体-流体界面面积，通过（i）在低速率下的捕获和（ii）在高速率下的粘性指进。增加润湿角抑制捕获和指进，从而降低位移对潜在紊乱的敏感性。一个修改后的毛细管数$\mathrm{Ca^*}$，其中包括无序$λ$对粘性力的影响（通过孔隙连通性）是直接相关的$λ$，在与以前的作品。我们的研究结果对扫掠效率和流体混合和反应产生了重要影响，这在微流体技术用于碳地质封存、能源回收以及土壤通气和修复等应用中至关重要。
2016-10-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Chaotic Mixing in Three Dimensional Porous Media
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Spanish National Research Council (IDAEA-CSIC)（西班牙国家研究委员会（IDAEA-CSIC））
研究三维多孔介质中混沌对流与分子扩散的相互作用，揭示其对混合动力学的影响，并提出新的连续时间随机游走模型来量化微观混合过程。
2016-02-17 physics.flu-dyn
A Microfluidic Pore Network Approach to Investigate Water Transport in Fuel Cell Porous Transport Layers
孔隙网络模型传统上用于研究与地质流动有关的理想化多孔介质中的驱替过程，其应用范围从地下水水文学到提高石油采收率。最近，孔隙网络建模已被应用于聚合物电解质膜（PEM）燃料电池的气体扩散层（GDL）的建模。离散孔隙网络模型有可能阐明运输现象的GDL与高计算效率，连续或分子动力学建模，需要大量的计算资源。然而，在研究GDL与孔隙网络建模的挑战在于定义网络参数，准确地描述多孔介质以及流体入侵的条件，代表现实的运输过程。在这项工作中，我们讨论了第一阶段的开发和验证GDL代表孔隙网络模型。我们开始与一个二维的孔隙网络模型与一个单一的流动相入侵的疏水介质，其中缓慢的毛细管为主的流动过程如下入侵渗滤。孔网络的几何形状的设计，和透明的疏水微流体网络制造的硅弹性体PDMS使用软光刻技术。这些微流体网络被设计成具有典型GDL材料的通道尺寸分布和润湿性。数值和实验流动模式之间的比较显示出合理的协议。此外，分形维数和饱和度在入侵期间测量，揭示不同的操作制度，可以应用于GDL操作。还将讨论今后的模型开发工作。
2008-04-14 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Pore Scale Study of Gas Bubble Nucleation and Migration in Porous Media
气泡在多孔介质中的行为包括气泡的成核与生长、迁移、聚并和捕获。沉积物的孔隙尺度特征和非均匀性对这些过程有重要影响。在这项研究中，使用微流控芯片进行实验，观察不同的气泡行为机制。在微尺度实验的基础上，确定了八种主要的气泡行为机制。此外，设计并实施了一个中尺度实验，研究了土壤分层和异质性对反硝化生成生物气的形成和分布的影响。结果表明，土壤孔隙尺度特征显著影响着生物气泡的分布和运移方式。因此，水饱和度可局部地在完全饱和（在细砂中）与允许气体自由迁移的区域（粗砂）中的约80%之间变化，甚至在气体被截留在具有较高空气进入值的层下的区域中接近0%。
2020-06-11 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Homogenized Flux-Body Force Treatment of Compressible Viscous Porous Wall Boundary Conditions
本文提出了一种均匀化方法来处理可压缩粘性流动计算中多孔壁边界条件。与任何其他均匀化方法一样，它消除了对孔隙分辨流体网格的需要，因此能够在具有多孔壁边界的计算流体域中进行实际的流动模拟。然而，与替代方法不同的是，它不需要规定质量流率，并且在计算模型中不引入启发式排放系数。相反，它的模型的无粘通量通过一个多孔壁所包围的流动作为一个加权平均的无粘通量在一个不可渗透的表面，并通过孔隙。它还引入了一个体力项的控制方程，占沿孔隙边界的摩擦损失。源项取决于多孔壁的厚度和等效单个孔隙的概念。后一种概念的可行性证明了使用低速渗透性测试数据的织物的火星科学实验室降落伞篷。整体的均匀化方法说明了一系列的超音速流计算通过相同的织物，并使用超音速，孔隙解析的数值模拟验证。
2020-12-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Diffusiophoresis and medium structure control macroscopic particle transport in porous media
在这封信中，我们表明，沿局部盐梯度的胶体颗粒的孔隙尺度的扩散电泳表现在多孔介质中的颗粒的宏观分散。尽管是短暂的性质，这种微观现象控制大规模的颗粒传输之间的传输和死端孔改变他们的分区。它决定了介质中的停留时间和到达时间的分布。根据扩散电泳的流动性，颗粒可以从死端孔中移动或捕获在死端孔中，这为多孔介质中的颗粒的受控操纵提供了一种手段。
2023-03-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A stochastic approach to the filling dynamics of a porous medium: full/empty pores duality symmetry and the emergence of Darcy's law
提出了一种研究理想润湿流体渗透下开放拓扑多孔结构填充动力学的随机方法。从离散结构的无序空隙网络，只有最近的邻居链接，我们推导出“微观”（在孔隙尺度）的动力学方程的耦合孔隙的填充动力学和流体压力动力学。该模型产生了两个基本结果。第一个后果是达西定律的出现和预测的渗透率与空隙网络拓扑结构的依赖性。第二个是预测孔隙填充自由度的扩散动力学。这些方程表现出一种新型的对称性，表现为它们在满/空孔隙对偶变换下的不变性以及速度反转。非平凡的稳定的非平衡孔隙填充状态也得到，并发现遵循费米-狄拉克型定律。与费米子单独占据晶格位置的类比与相应的空穴-粒子对称性一起突出显示。
2020-01-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Bubble formation due to capillary instability during evaporation of a porous medium
我们表明，在蒸发的孔隙网络，液体可以重新填充气体占据的孔隙，折断的气泡，然后移动到一个稳定的配置。这种现象是由毛细不稳定性引起的，由于孔隙网络的润湿性不均匀性，并且与蒸发过程相比具有小得多的时间尺度。通过对可视化实验图像的分析，详细解释了毛细不稳定性引起的液体充注和气泡运动。毛细管阀效应是由大孔和小孔之间的突然几何膨胀引起的阻碍气液界面运动的效应，大孔中的残余液体可以抑制这种效应。为了更好地理解蒸发过程中毛细不稳定性引起的气液两相输运，提出了一种新的孔隙网络模型，该模型不仅考虑了毛细力和粘性力，而且考虑了以往模型中很少考虑的惯性力。孔隙网络模拟结果与实验数据吻合较好，证明了所建立的孔隙网络模型的有效性，为更好地理解惯性力在多孔介质两相运移中的作用开辟了一条新的途径。
2019-12-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pore-scale direct numerical simulation of Haines jumps in a porous media model
直接数值模拟的多孔介质模型组成的两个不混溶的流体，入侵和防御阶段，在一个二维的微观几何填充随机大小和随机分布的圆柱体。首先，界面不稳定性和渗透模式进行了研究时，改变多孔介质中的单个孔隙的润湿功能。结果发现，位移模式不仅与毛细管数的变化，如前所述，但也是一个函数的接触角，即使是一个统一的粘度比。这是一个重要的结论，表明单独的毛管数和粘度比不能完全描述孔隙尺度驱替。第二，快速孔隙规模的位移被认为是伴随着突然的界面跳跃从一个网站到另一个，称为海恩斯跳跃。海恩斯跳跃的特征时间和长度尺度的检查，以更好地了解瞬态动力学的跳跃。然后，我们专注于分析海恩斯跳跃在一个简单的孔隙配置中的圆柱体的大小相等的等边三角形的顶点放置。我们使用这种几何形状，以提供更多的洞察力的接触角的海恩斯跳跃预测的效果。
2020-05-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Towards improved understanding of spontaneous imbibition into dry porous media using pore-scale direct numerical simulations
本文通过二维孔隙尺度空气-水多相流直接数值模拟，研究几何收敛发散、惯性、孔径及收缩段对自发渗吸和非润湿相捕集的影响，以改进传统预测模型。
2024-08-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
