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
Mathematical Modeling, Laboratory Experiments, and Sensitivity Analysis of Bioplug Technology at Darcy Scale
本文研究了多孔介质中生物膜形成的达西尺度数学模型。岩心中的孔隙分为三相：水、油和生物膜。水和油的流动是由一个扩展版本的达西定律和基板的传输扩散和对流在水相模拟。最初在孔壁上有生物膜。生物膜消耗基质用于生产生物质并改变孔隙空间，从而改变岩石渗透性。该模型包括由于水通量和细菌死亡的生物量的分离，并在MRST中实现。我们讨论了数值模拟器捕捉实验室实验结果的能力。我们进行了一种新的灵敏度分析的基础上稀疏网格插值和多小波展开，以确定关键的模型参数。采用不同的注入策略进行了数值实验，研究了不同孔隙度-渗透率关系对含水和含油饱和岩心的影响。
2019-12-18 physics.app-ph physics.flu-dyn
Capillarity-Driven Oil Flow in Nanopores: Darcy Scale Analysis of Lucas-Washburn Imbibition Dynamics
我们目前的重力和光学成像实验的毛细管驱动的硅油在单片二氧化硅玻璃中的吸胀贯穿由3D网络的孔（介孔Vycor玻璃与6.5 nm或10 nm的孔径）。如鲁棒的时间平方根卢卡斯-沃什伯恩（L-W）填充动力学所证明的那样，在研究的整个实验时间（从几秒钟到10天）内，在没有惯性和重力效应的情况下，毛细管上升受毛细作用和粘性阻力的平衡支配。渗透过程中的视频证实了集体孔隙填充以及明显的吸胀前扩大所造成的毛细作用和渗透性障碍，典型的Vycor玻璃。运输过程中进行了分析，达西尺度描述，考虑广义前因子的L-W定律，称为卢卡斯-沃什伯恩-达西吸胀能力。它假设在孔隙中的哈根-Poietille速度分布，并取决于孔隙度，平均孔径，弯曲度和速度滑移长度，从而对有效的水力孔径。对于这两种基质的降低的吸胀速度，从而降低的吸胀能力，相比于一个假设的标称孔径，散装流动性和散装毛细作用，可以定量跟踪到一个不动的，孔壁吸附的边界层的1.4 nm厚。据推测，其由吸附在亲水性孔壁上的单层水分子组成，所述亲水性孔壁上覆盖有单层平坦硅油分子。我们的研究突出了不动的纳米级边界层在致密油藏中流动的重要性，以及达西尺度描述在介孔介质中传输的有效性。
2018-08-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Flow in bounded and unbounded pore networks with different connectivity
这项工作是关于流动或孔隙网络中节点或孔隙压力与连接或喉道传导率之间的复杂相互作用。裂缝网络给出了类似于孔隙网络的设置。最近，在无界或周期性孔隙网络的背景下，提出了多孔介质中流动和输运的达西定律的非局部推广。在这项工作中，我们首先概述了一个强大的方法提取的水力传导率分布，这是在非本地达西公式的核心。其次，有界网络中的平均压力和流量的理论概述。该理论的预测进行了验证，对数值网络的结果，它表明，该理论适用于网络具有高连通性，涉及孔与高配位数。对于其他网络，提出了改进概述的理论，并评估其准确性。
2019-07-27 nlin.AO 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
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
From Interface Dynamics to Darcy Scale Description of Multiphase Flow in Porous Media
本综述针对多孔介质多相流从孔隙尺度升尺度到达西尺度的长期难题，对比了受实验启发、依托近年孔隙尺度成像与建模进展提出的相关新概念。
2025-10-22 cond-mat.soft 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
Natural Groundwater Systems Can Display Chaotic Mixing at the Darcy Scale
虽然稳定的各向同性达西流本质上是层流和非混合的，但众所周知，通过工程泵送方案的瞬态强迫可以引起地下水中的快速混沌混合。在这项研究中，我们探讨了这种混合的倾向，出现在自然地下水系统的周期性强迫，如潮汐或季节性影响。使用传统的线性地下水流模型的潮汐强迫，我们表明，在一定条件下，这些流量产生拉格朗日运输和混合现象（混沌平流）的潮汐边界附近。我们发现，含水层的异质性，storativity，和强迫的大小造成逆转的流动方向的强迫循环，反过来，产生连贯的拉格朗日结构和混乱。这些功能显着增强流体的混合和运输，导致异常的停留时间分布，流动分离，并深刻改变反应动力学的潜力。我们定义的无量纲参数组，管理这种现象，并探讨这些群体与一组特征良好的沿海系统。在现场研究中，必须认识到拉格朗日混沌在放电边界附近存在的可能性并进行评估。
2018-08-10 nlin.CD physics.app-ph physics.flu-dyn
Thermally-Targeted Adsorption And Enrichment In Micro-scale Hydrothermal Pore Environments
微尺度约束下的混沌平流的独特能力，直接沿加速动力学途径的化学过程早已被认识到。但实际应用一直缓慢出现，因为最佳的结果往往是反直觉地实现的流动，似乎具有不希望的高度混乱。在这里，我们展示了如何在这些微环境中的热致混沌现象能够建立一个连续的输送机运输化合物从散装固体边界上的目标位置，在那里他们变得非常丰富。这些发现有趣地表明，微尺度混沌平流可能提供了一个新的机制来解释出现的生物分子复杂性从稀释的有机前体在生命起源的一个关键的未回答的问题，在益生菌环境。我们进一步展示了如何合理地设计和利用这些流来执行大量的生化过程，具有以前认为无法实现的鲁棒性水平。
2016-06-02 physics.flu-dyn
Flow Characterization in Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) based Porous Geometries: Part 1 -- Hydrodynamics
多孔介质系统中的流动和传热建模一直是一个挑战，扩展的达西传输模型的流动和平衡和非平衡能量模型的传热被用于宏观层面的分析，然而，这些模型的局限性受到多孔几何形状。本文研究了不可压缩粘性流体通过四种不同多孔几何形状的通道的强迫对流流动。四个TPMS晶格形状，即钻石，I-WP，原始的，和Gyroid创建具有相同的孔隙率，和三种不同类型的多孔介质进一步产生每个多孔几何形状的形状曲折，微孔，和孔径的渗透率和惯性阻力因子的关系进行调查。通过求解纳维-斯托克斯方程，对前两类多孔介质进行了孔隙尺度的直接数值模拟。第三类多孔介质中，在固体区域定量推导出比孔隙率，求解Darcy-Forchheimer-Brinkman模型，而在流体区域求解纳维-斯托克斯方程。结果表明，对于原始点阵（1型），达西流态的有效性范围很窄，最大可达Re ~ 4，而对于金刚石点阵（2型），达西流态的有效性范围可达Re ~ 20。当Re > 20时，达西制度对任何晶格类型都不成立。当孔隙率较低（类型1，ε = 0.32）时，惯性阻力在I-WP晶格中最小，在Gyroid晶格中最大;当孔隙率较高（类型2，ε ~ 1）时，惯性阻力在原始晶格中最小，在I-WP晶格中最大。
2022-05-07 physics.flu-dyn
Effects of Pore-scale on the Macroscopic Properties of Natural Convection in Porous Media
多孔介质中的自然对流是深部咸水层长期储存CO2的基本过程。通常情况下，多孔介质中的传质的细节推断从体积平均Darcy-Oberbeck-Boussinesq（DOB）方程的数值解，即使这些方程不考虑多孔介质的微观特性。根据DOB方程，多孔介质中的自然对流由瑞利数唯一决定。然而，与实验相反，DOB模拟产生了舍伍德数与瑞利数（Ra）的线性标度（Ra>> 1，300）。在这里，我们进行直接数值模拟（DNS），完全解决孔隙内的流场。我们表明，边界层厚度是由孔径，而不是瑞利数，如前所述。大羽流和原始羽流的尺寸随着孔隙尺寸的增大而增大.我们的DNS结果表现出非线性缩放的舍伍德数在高孔隙度，并为相同的瑞利数，较高的舍伍德数预测DNS在较低的孔隙度。结果表明，舍伍德数的尺度依赖于孔隙率和孔隙尺度参数，这与实验研究结果一致。
2021-04-27 physics.flu-dyn
Dispersivity calculation in digital twins of multiscale porous materials using the micro-continuum approach
本文推导微连续介质方法的闭合问题，提出结合高分辨率DNS、Péclet数关系与DBS多尺度耦合的有效弥散张量计算流程，并在二维微观模型验证后用于陶瓷泡沫和碳酸盐岩数字孪生。
2024-05-10 physics.flu-dyn
Effective permeability of an immiscible fluid in porous media determined from its geometric state
本文提出一种基于几何状态的人工神经网络，用于预测多孔介质中不混相两相流的有效渗透率，在4500个未见样本上达到R²=0.98，解决了从孔隙尺度到达西尺度的升尺度问题。
2023-06-22 physics.data-an physics.flu-dyn
A Comprehensive Review of Pre-Darcy Flows in Low-Permeability Porous Media
本文综述了低渗透多孔介质中前达西流的理论、实验和建模方法，揭示了其非线性特征与影响因素，为页岩油气开采和核废料处置等应用提供指导。
2024-01-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
Scaling of Rayleigh-Taylor mixing in porous media
将两种不同密度的流体相互推挤，会导致界面处瑞利-泰勒不稳定性的发展，并进一步演化为复杂的混合层。在多孔介质中，该过程受到在流动通过孔隙时经历的粘性阻力的影响，该粘性阻力由达西定律描述。本文通过三维和二维的直接数值模拟研究了Darcy-Rayleigh-Taylor系统在大Péclet数极限下的混合性质。在混合区中，重力和粘性力之间的平衡导致细长羽流的非自相似增长，其长度随时间线性增加，而其宽度遵循扩散增长。传质努塞尔数被发现与达西-瑞利数线性增加，支持在多孔对流在高Ra数的普遍缩放。最后，我们发现，混合过程中显示重要的定量差异之间的二维和三维。
2020-06-12 nlin.CD 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
Scalar signatures of chaotic mixing in porous media
稳态层流通过多孔介质自发产生拉格朗日混沌在孔隙尺度上，与一系列的运输，反应和生物过程的定性影响。在这些不透明的环境中的混合动力学的表征和理解是一个突出的挑战。我们解决这个问题，通过开发一种新的技术的基础上产生的推拉流通过多孔介质样品的标量签名的高分辨率成像。由于混沌流中颗粒轨迹的快速去相关，在多孔材料外部测量的标量图像代表了原位混合动力学。我们提出了一个理论框架，估计的李雅普诺夫指数的基础上扩展的拉格朗日拉伸理论的相关聚集。这种方法提供了一个完整的表征混沌混合动力学在一个大类的多孔材料。
2020-11-23 physics.flu-dyn
Multiphase Flow Modelling in Multiscale Porous Media: An Open-Sourced Micro-Continuum Approach
提出了一种开源的多相Darcy-Brinkman方法来模拟包含无固体区域和多孔基质的混合系统中的两相流动。这种微观连续模型植根于基本物理学和体积平均原理，其中一组独特的偏微分方程用于表示区域和尺度中的流动。所提出的模型的关键是，它倾向于渐近的Navier-Stokes流体体积的方法在无固体区域和多相达西方程在多孔区域。与现有的多尺度多相求解器不同，它可以在孔隙和达西尺度上匹配毛细管，相对渗透率和重力效应的分析预测。通过其开源实现hybridPorousInterFoam，所提出的方法标志着计算流体动力学（CFD）模拟包扩展到多孔多尺度、多相系统中。求解器的多功能性示出使用应用程序的两相流在一个破碎的多孔基质和波的相互作用与多孔海岸屏障。
2020-03-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
From mixing to displacement of miscible phases in porous media: The role of heterogeneity and inlet pressure
本文研究非均质性与入口压力对多孔介质中低黏度可混溶相驱替高黏度驻留相的影响，利用修正 Sherwood 数和 BTC 分析量化均匀前缘向指进的转变。
2023-12-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Modeling of relative permeabilities including dynamic wettability transition zones
微扰是一种孔隙尺度的性质，它影响流体在多孔介质中的相对运动和分布。存在促使孔隙内的表面经历润湿性变化的储层流体。这种润湿性的变化，反过来，改变了动态的相对渗透率在达西尺度。因此，模拟润湿性变化对相对渗透率的影响对于理解多孔介质中的流体相互作用是至关重要的。在这项研究中，我们包括随时间变化的润湿性的相对渗透率-饱和度关系，通过修改现有的相对渗透率函数。为此，我们假设润湿性变化由基于吸附的模型表示，该模型依赖于暴露时间和化学。然后将此孔隙尺度模型与三角形管模型耦合，以模拟暴露时间相关的相对渗透率数据。模拟数据被用来表征和量化相对渗透率-饱和曲线中的润湿性动态。这项研究进一步表明了在动态变化的多孔介质中准确预测相对渗透率的重要性。
2020-08-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A hybrid-dimensional Stokes--Brinkman--Darcy model for arbitrary flows to the fluid--porous interface
本文提出混合维度 Stokes--Brinkman--Darcy 模型，通过在复杂界面中引入平均化的 Brinkman 方程作为缓冲区，实现自由流动与多孔介质流动的耦合，适用于任意流动方向，并在多示例中验证了其优越性。
2025-02-03 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Pore-scale lattice Boltzmann simulation of laminar and turbulent flow through a sphere pack
格子Boltzmann方法可以用全几何分辨率来模拟多孔介质中的流动。通过这种直接的数值模拟，可以研究通过开发宏观数学模型或实验难以评估的基本效果。我们首先评估的格子玻尔兹曼方法与各种边界处理的固体壁和各种碰撞算子，以评估其适用性的大规模直接数值模拟多孔介质流动。采用周期性压降边界条件模拟了压力驱动下的周期性区域内的简单球包流动。该方法的评估是在达西制度和结果相比，半解析解。考虑到计算成本和精度，我们选择了最有效的固体边界条件和碰撞算子的组合。我们应用这种方法进行模拟的雷诺数从斯托克斯流超过七个数量级的湍流。流场的等值线和流线显示在不同的流动状态的流动行为。此外，未知参数的Forchheimer，Barree-康威和摩擦系数模型进行了数值评估所考虑的流态。
2015-08-12 cs.CE physics.flu-dyn
Upscaling and Effective Behavior for Two-Phase Porous-Medium Flow using a Diffuse Interface Model
研究多孔介质两相流，提出耦合 Allen-Cahn Navier-Stokes 的双尺度模型，将孔隙尺度相分布与表面张力纳入 Darcy 尺度有效行为，发现相对渗透率与饱和度呈非单调关系，凸显孔隙尺度信息的重要性。
2023-06-30 math.AP physics.flu-dyn
Upscaled Lattice Boltzmann Method for Simulations of Flows in Heterogeneous Porous Media
本文提出了一种适用于非均质多孔介质渗流数值模拟的尺度放大格子玻尔兹曼方法（LBM）。在微观尺度模拟中，我们使用LBM与修改后的郭等人的算法，我们取代了一个简单的山-陈力模型的力模型的流动模型。所提出的放大LBM使用粗网格来表示细网格（孔隙尺度）模拟的效果。对于升级的LBM，有效的属性和降阶模型，我们提出了粗网格。使用局部问题（例如，通过执行局部LBM模拟）服从某些边界条件。实现了一种升级的LBM，它可以降低现有LBM的计算复杂度，并在不同尺度之间传递信息。粗网格，降阶，模拟的结果与平均结果使用细网格。
2013-12-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Solute mixing in porous media with dispersion and buoyancy
本文通过数值模拟分析二维多孔介质中瑞利-泰勒对流混合，研究弥散对混合动力学的影响，发现无弥散时自相似，有弥散时分子与弥散耗散相互作用，并提出理论框架以改进弥散模型。
2025-09-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Volume-averaged macroscopic equation for fluid flow in moving porous media
达西定律和Brinkman方程是两个主要的模型，用于蠕动流体在运动的可渗透颗粒内的流动。在这两种模型中，动量方程中忽略了流体速度的时间导数和非线性对流项。本文采用体积平均法，从孔隙尺度微观方程出发，严格推导出包含这两项的新的动量方程，该方程在蠕动流条件下可简化为达西定律和Brinkman方程。采用格子Boltzmann方程方法，求解了多孔圆柱沿通道中心线运动的宏观方程组。研究了方程组在内禀相平均速度和相平均速度下的伽利略不变性。结果表明，常用的相平均速度不能作为表观速度，而应选择本征相平均速度作为多孔颗粒体系的表观速度。
2014-04-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An experimental study on the heat transport in porous media convection
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
通过3D打印晶格结构实验，研究多孔介质对流在宽Rayleigh-Darcy数和Darcy数范围内的热输运，揭示从Rayleigh-Darcy行为到Rayleigh-Bénard行为的五个过渡阶段，并绘制Ra-Da相图。
2026-06-04 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A Primer on the Dynamical Systems Approach to Transport in Porous Media
历史上，多孔介质流动、溶质混合和输运的主导概念范式是基于非均质多孔介质中的稳定二维流动。虽然它现在是公认的，新的传输现象，可以出现在不稳定和/或三维流在孔隙或达西尺度，适当的方法来分析和理解这些更复杂的流动还没有被广泛采用。在本书中，我们提倡从动力系统（混沌）理论中借用方法，旨在揭示这些流动的\emph{Lagrangian kinematics}：即流体粒子轨迹（形成动力系统）如何组织和相互作用以及对溶质运输和混合的相关影响。这种动力学系统的方法来运输本质上是拉格朗日，和拉格朗日运动学形式拉格朗日相干结构（LCS），特殊的轨迹集，分为混沌混合区域的拉格朗日框架，不良混合滞留区域（在某些情况下，非混合“岛”）和运输障碍，组织这些地区。因此，动力系统的方法提供了洞察流，可能会表现出混乱，定期（非混沌）或混合拉格朗日运动学，也到LCS如何组织溶质运输和混合。新的实验方法是最近才允许可视化的LCS是在多孔介质流。在这本入门书中，我们回顾了多孔介质流动和传输的动力系统方法，并将相关工具和技术与从孔隙到达西尺度的最新研究成果联系起来。本书介绍了动力系统理论的方法和工具。一旦熟悉这些方法，多孔介质研究人员将更好地了解何时期望复杂的拉格朗日运动学，如何发现和理解LCS及其影响。
2022-05-31 nlin.CD physics.flu-dyn
The role of porosity in the transition to inertial regime in porous media flows
本文通过孔隙尺度数值模拟研究多孔介质流动从达西区向惯性区转变的机制，明确孔隙度对涡旋生长动力学的调控作用，揭示不同迂曲度定义的差异来源与应用价值。
2025-11-17 physics.flu-dyn
Network modelling of yield-stress fluid flow in randomly disordered porous media
The University of Manchester（曼彻斯特大学）；Hokkaido University（北海道大学）
本文提出一种二维无序多孔介质中Herschel-Bulkley流体的孔隙网络模型，考虑壁滑动效应，通过物理压力-流量关系模拟屈服和屈服后运输，验证模型能准确捕捉压力降和流动拓扑演变，揭示近屈服压力损失由孔隙统计决定。
2026-05-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pore-scale statistics of temperature and thermal energy dissipation rate in turbulent porous convection
本文通过高分辨率直接数值模拟研究二维多孔瑞利-贝纳德对流中温度与热能耗散率的孔隙尺度统计特性，揭示不可渗透固体多孔基质对羽流动力学、温度涨落及耗散间歇性的影响，并指出其在地球物理和能源环境工程中的潜在应用。
2023-09-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Enhanced and reduced solute transport and flow strength in salt finger convection in porous media
本研究基于格子玻尔兹曼方法数值模拟多孔介质非达西流态下的盐指对流，发现孔隙率减小会先增强后减弱溶质输运，并对流动强度产生复杂影响，为工程中被动控制溶质输运提供了重要参考。
2023-04-08 physics.flu-dyn
Modeling flow in porous media with double porosity/permeability: Mathematical model, properties, and analytical solutions
University of Houston（休斯顿大学）
本文提出基于最大耗散率假设的数学模型，分析了双重孔隙率/渗透率的性质，并通过解析解探讨了多孔介质中流体流动的特性及与达西方程的区别。
2018-03-06 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Upscaling the Navier-Stokes-Cahn-Hilliard model for incompressible multiphase flow in inhomogeneous porous media
North University of China（中北大学）；Taiyuan University of Technology（太原理工大学）；Shandong University（山东大学）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
本文提出一种宏观数学模型，用于描述不均匀多孔介质中不可压缩双相流的宏观行为，通过引入润湿行为并结合体积平均方法，实现了对两相流动的精确模拟。
2026-02-27 math-ph math.MP physics.comp-ph
Deterministic transport of particles in a micro-pump
我们研究了悬浮微粒在粘性液体中通过周期性的孔格（漂移棘轮）来回泵送的漂移。为了解释在这样的实验中观察到的粒子漂移，我们提出了一个一维的斯托克斯阻力的确定性模型。我们证明了粒子振荡的稳定性与其振幅有关。在适当的条件下，颗粒可能漂移，并指出两种机制的传输。第一个是由于流体和粒子运动之间的时空同步。结果，速度被空间周期性与时间周期性的比率锁定。传输的方向可以通过调整参数来切换。值得注意的是，它的出现与2-周期轨道的晶格有关，但不一定是混沌动力学。第二种机制是由于间歇性分叉，导致由长时间振荡组成的缓慢运输，随后是相对较短的运输到下一个孔。这两个步骤以准周期性的方式重复。这最后的运输的方向是强烈依赖于孔隙的几何形状。
2012-05-19 nlin.CD physics.flu-dyn
Population balance models for particulate flows in porous media:breakage and shear-induced events
传输和颗粒过程在环境、工业和生物应用中无处不在，通常涉及复杂的几何形状和多孔介质。在这项工作中，我们提出了一个通用的人口平衡模型的颗粒在孔隙尺度上的传输，包括聚集，破碎和表面沉积。方程中的各项进行了分析与量纲分析，包括一个新的碰撞引起的破碎机制，并分裂成一个和两个粒子的过程。虽然第一种是线性过程，但它们都可能取决于局部流动特性（例如剪切）。这意味着放大（通过体积平均和均匀化）到宏观（达西尺度）的描述需要封闭的假设。我们讨论了这个问题，并推导出一个有效的宏观项的剪切引起的事件，如破碎所造成的剪切力的输送颗粒。我们专注于断裂事件为原型的线性剪切诱导的事件，并获得放大的周期性几何形状的断裂频率，从非线性幂律依赖于当地的流体剪切速率。结果提出了一个二维通道流和一个三维的规则安排的领域，为任意快速（混合限制）的事件。线性剪切诱导碰撞的影响进行了讨论。这项工作奠定了基础的一个新的一般框架多尺度模拟颗粒流。
2021-07-01 physics.flu-dyn
Glassy phase transition in immiscible steady-state two-phase flow in porous media
Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）；Universidade Federal do Ceará（塞阿拉联邦大学）
通过将两相流中的液滴分布映射到自旋玻璃模型，揭示了两相流中玻璃相变与压力梯度依赖性的关系。
2026-03-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modeling Multiphase Flow Through and Around Multiscale Deformable Porous Materials
深入了解多孔介质中流体流动与固体变形之间的耦合关系，对于开发与广泛的地质和生物过程相关的生物医学设备和新能源技术至关重要。基于孔隙弹性理论的成熟模型存在用于描述耦合的流体-固体力学。然而，这些模型不适合描述多个流体相或“混合规模”的系统包含无固体区域和多孔基质的系统。为了解决这个问题，我们提出了一种新的计算流体动力学方法的基础上，一套独特的体积平均偏微分方程，渐近方法的Navier-Stokes流体体积方程在无固体区域和Biot的多孔弹性理论在多孔区域。与现有的多尺度多相求解器不同，它可以在孔隙和达西尺度上匹配毛细管，相对渗透率和重力效应的分析预测。通过仔细考虑界面动力学和广泛的基准测试，我们表明，我们的模型准确地捕捉到了强烈的双向耦合，经常表现出多种流体和可变形多孔介质之间的过程中，如膨胀，压缩和压裂。该方法的多功能性通过以下研究来说明：1）量化了微孔隙度对沉积岩渗透率的影响，2）确定了预测多孔介质中毛细管和粘性压裂的无量纲参数，3）表征了水力压裂裂缝形成的影响，以及4）描述了多孔弹性海岸屏障中的波吸收和传播。该方法的开源数值实现“hybridBiotInterFoam”，标志着计算流体动力学模拟包扩展到可变形，多相，多尺度多孔系统。
2021-09-20 physics.flu-dyn
Tailoring porous media for controllable capillary flow
多孔介质中毛管流的控制假说具有广泛的实际意义。然而，通过调整孔径或通过修改界面润湿性来实现对这些过程的准确和可靠的控制仍然具有挑战性。在这里，我们提出，通过毛细渗透的液体流动可以通过调整多孔介质的几何形状来精确地调节，并开发数值方法来实现这一点。方法达西定律的基础上，提出了一个通用的框架，以方便控制毛细流动在多孔系统中通过剪裁的多孔结构的几何形状。基于有限元法的数值模拟方法也被用来验证理论预测。结果-一个基本的毛细管组件与可调的速度梯度的设计，根据所提出的框架。通过使用基本组件，两个功能的毛细管元件，即（i）流量放大器和（ii）流阻器，被证明。然后，通过集成所设计的毛细管元件，实现了具有可控毛细管流动的多功能流体装置。所有的理论设计都通过数值模拟进行了验证。最后，本文提出的模型可以推广到多孔介质的三维设计
2021-06-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
From Rayleigh-Bénard convection to porous-media convection: how porosity affects heat transfer and flow structure
我们进行了数值研究的Rayleigh-Bénard（RB）对流的传热和流动结构（在大多数情况下，规则）多孔介质，这是由圆形，固体障碍物位于一个正方形格子。研究了多孔介质中孔隙度$ϕ$对对流特性的影响，从含$ϕ=1$的传统RB对流（不含障碍物）到含$ϕ$的Darcy型多孔介质对流（0.模拟是在一个单元中进行的单位纵横比，瑞利数$Ra$从$10^5$到$10^{10}$和不同的孔隙率$ϕ$，在一个固定的普朗特数$Pr=4.3$，我们限制自己的二维情况。对于固定的$Ra$，努塞尔数$Nu$被发现作为$ϕ$的函数非单调地变化;即，随着$ϕ$的减小，它首先增大，然后在$ϕ$接近0时减小。$Nu(ϕ)$的非单调行为源于多孔结构对传热的两种竞争效应。一方面，多孔介质中流动的相干性增强，有利于传热;另一方面，由于多孔结构，对流被增强的阻力减慢，导致传热减少。对于固定的$ϕ$，取决于$Ra$，两种不同的传热制度被确定，与不同的有效幂律行为的$Nu$与$Ra$，即，一个陡峭的低$Ra$时，粘度占主导地位，和标准的经典的大$Ra$。当热边界层厚度和孔隙尺度相当时，发生尺度交叉。的多孔结构上的温度和速度波动，对流热通量，和能量耗散率的影响进行了分析，进一步证明了多孔结构的竞争效应，以提高或降低传热。
2020-05-19 physics.flu-dyn
Harnessing elastic instabilities for enhanced mixing and reaction kinetics in porous media
Princeton University（普林斯顿大学）
通过添加柔性聚合物引发弹性不稳定性，有效增强多孔介质中溶质混合与反应动力学，实现混合效率提升和反应速率增强。
2023-11-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft nlin.CD
Influence of the imposed flow rate boundary condition on the flow of Bingham fluid in porous media
本文研究施加流速边界条件下宾汉流体在多孔介质中的流动，发现流动路径边界层尺度随流速呈幂律变化，并通过有向聚合物映射揭示了其粗糙度指数及非流动表面的雪崩统计特性。
2024-01-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flow dynamics of wormlike micellar solutions through a model porous media
粘弹性蠕虫状胶束溶液在多孔介质中的流动在许多实际应用中都会遇到，如提高石油采收率或地下水修复。为了理解这些复杂流体在多孔介质中的流动动力学，经常使用由具有喉部的直微通道组成的模型多孔介质。在这项研究中，我们进行了广泛的数值研究，了解蠕虫状胶束溶液的流动动力学的基础上的两个物种的Vasquez-Cook-McKinley（VCM）模型胶束通过这样的模型多孔介质。我们发现存在的弹性不稳定性，一旦Weissenberg数超过一个临界值，同样，它被认为是在许多以前的实验和数值研究处理聚合物溶液。然而，对于目前的情况下的WLM解决方案，我们观察到，这种弹性不稳定性的蠕虫状胶束的断裂和重组机制的影响很大。特别是，我们注意到，这种不稳定性的强度（其特征在于由波动的流场）随着Weissenberg数的增加而增加;然而，超过它的临界值，这种弹性不稳定性和/或流场波动被抑制，因为长胶束的破裂。这与聚合物溶液形成对比，对于聚合物溶液，随着Weissenberg数逐渐增加，流场逐渐过渡到更混乱和类似顺从的状态（或所谓的弹性湍流状态）。此外，我们观察到，这些WLM解决方案的流动动力学是强烈依赖于类型的孔喉，孔喉的数量，和两个连续孔喉之间的间距。对压降和表观粘度也进行了广泛的讨论。
2021-07-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A robust upscaling of the effective particle deposition rate in porous media
在从孔隙尺度到连续尺度（Darcy）尺度的放大中，多孔介质固液界面处的反应和沉积现象必须用宏观反应源项来表示。在周期性介质的情况下，可以从周期性细胞的三维微观模拟计算有效速率。在胶体过滤领域，已经研究了几种计算和半解析模型来描述这个问题。它们通常依赖于由简单的线性反应常微分方程定义的有效沉积速率，忽略对流-扩散相互作用，并假设反应缓慢。因此，当这些速率被插入到一般的宏观输运方程中时，它们可能导致概念上的不一致，因此，经常导致定性上错误的结果。在这项工作中，我们研究了放大布朗沉积面为中心的球形安排使用的线性有效反应速率，定义的体积平均，和宏观对流扩散反应方程。部分沉积的情况下，定义的附件概率，进行了研究和理想沉积的极限检索作为一个特殊的情况。我们利用一个特别方便的计算设置，允许直接计算的渐近稳定值的有效利率。这允许将计算域大幅减少到单个重复周期单元的规模：在更高Peclet数的情况下，当需要更大的物理时间来达到渐近状态时，节省更加明显，因此，等效地，在传统设置中需要更大的计算域和模拟时间。我们展示了这种新的沉积速率的定义是如何更强大和可扩展到整个范围内的Péclet数，它也是与经典的传热和传质文献。
2017-02-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
CO$_2$ convective dissolution in a 3-D granular porous medium: an experimental study
将CO $_2$地质封存在深层盐水层中是通过降低大气中这种温室气体的浓度来减缓全球变暖的一种有希望的措施。当将CO $_2$注入地质构造中时，其部分溶解在间隙盐水中，从而使其密度大于下面的不含CO $_2$的盐水，这产生对流不稳定性。由此产生的对流加速了CO $_2$通过溶解在盐水中而常年捕获的速率。不稳定性和由此产生的对流已被深入讨论的数值和理论方法在达西尺度，但很少有实验研究，其特征在于它们定量。通过使用折射率匹配和平面激光诱导荧光，我们测量的对流溶解不稳定性的起始特性，在一个3-D多孔介质位于下面的气体隔室。我们的研究结果强调，尺寸增长率的不稳定性保持不变时，CO $_2$分压在车厢是不同的，在明显的差异与理论预测。此外，在研究的CO $_2$分压范围内，测量的增长率比预测值大1至3个数量级。波前的傅立叶谱非常宽，突出了流动的多尺度性质。根据测量方法和CO $_2$分压，平均波长比预测值小1至3倍。利用Tilton（J.~流体机械：2018），我们证明了我们的实验结果与孔隙度波动对对流的强迫是一致的。最后，我们讨论了这种强迫的多孔介质的孔隙结构上的CO $_2$通量通过接口，在我们的实验中测量约一个数量级高于预期的可能影响。
2021-10-08 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Diffusiophoretic transport of colloids and emulsions in complex environments
Yale University（耶鲁大学）
本文综述了多孔介质中化学梯度驱动胶体和乳液扩散泳的机制，重点分析了溶质前沿对死端孔中泳动去除的增强作用以及跨流线迁移对宏观穿透和分散的显著影响。
2026-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
