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TIPM纪念InterPore十周年专刊：多孔介质研究概况及发展方向

转载自： AGER期刊

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多孔介质研究概况及发展方向

从生物组织到制造材料再到环境材料，多孔材料无所不在。多相组成的多孔介质使得流动、传热、化学反应和形变过程比单一相材料更为复杂。包括程序应用、建模方法、实验方法到数值模拟在内的多孔介质研究推动TiPM的发展。

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本期专刊共收录了13篇特邀论文，从多角度构建了多孔介质研究的全局观。建模方面涉及孔隙尺度、微米尺度的颗粒扩散、微米至纳米尺度胶体、带电多孔介质、裂缝和传热等方面；实验涉及宏观尺度和孔隙尺度下的流体驱替以及X-CT成像到多孔介质表征建模方法。同时专刊对于计算问题有所讨论，包括大尺度多孔介质问题的数值算法以及开源软件等。

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NO. 1 Theory and Applications of Macroscale Models in Porous Media （多孔介质宏观模型的理论与应用）

以多尺度非均质性为主导的系统，如多孔介质，对建模工作来说仍是一个挑战。多孔介质内的动态过程受不同长度和时间尺度的控制，这不仅阻碍了模型的预测能力，也减慢了其计算效率。在系统、现场或装置尺度上（即在一个比特征孔隙尺寸大很多的尺度上）多孔介质输运现象研究中，宏观模型（即孔隙尺度过程的平均表示）可作为微尺度模型一种有效的计算替代方法。从孔隙尺度（质量、动量和能量）的守恒定律出发，我们概述了推导宏观尺度方程的常用尺度升级方法。本文介绍了体积平均法、混合理论及热力学约束的平均化、均匀化和重整化群技术。我们将这些方法用于从食品加工到人体支气管系统，从扩散到多相流等的一系列具体问题，以论证这些方法在处理不同应用时的通用性和灵活性。本文主要目的不是对目前现有的尺度升级技术进行全面总结，也不是对所介绍技术进行完整的数学处理，而是介绍一些可用于尺度升级的工具、所依据的基本原理及其优缺点，进而指导读者根据不同适用条件选择最适合的方法及最相关的文献。

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NO. 2 Pore-Scale Simulations of Single- and Two-Phase Flow in Porous Media: Approaches and Applications（多孔介质中单相和两相流动的孔隙尺度模拟：方法及应用）

本文对两种不相容流体输运的孔隙尺度模拟方法进行了综述，重点关注两种最流行的方法：即用于在孔隙空间数字模型上格子Boltzmann建模的直接模拟和从孔隙空间中提取网络模型的直接模拟。本文重点介绍了相关的基本理论和实施方案，鼓励读者进行孔隙尺度模拟研究，并与实际多孔介质进行对比。本文对近期和相关的应用进行了回顾，并结合先进的孔隙尺度成像和模拟的数字工作流程，为科学和工业的不同领域，包括储层特征提供有效的支撑。考虑到该研究方向涉及的方法和应用都很广泛，本文并未涵盖所有的方法或应用。但是本文涵盖了流行的方法，并在一定程度上描述了它们对不同输运类型运输问题的适用性。

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No.3 Diffusion in Porous Media: Phenomena and Mechanisms（多孔介质中的扩散：现象及机理）

两种不同但相互关联的方法可用来模拟流体中的扩散，第一种方法侧重于单个粒子的动力学，第二种方法处理的是（无限多的）粒子的集体（有效）运动。我们回顾了该两种模拟方法的建模思路，首先用Langevin法描述点尺度惰性粒子在自由流体中的布朗运动，并建立了它与Fick扩散方程的关系。接下来，我们讨论了这两种模拟方法在解释有限数量的有限尺寸粒子，粒子电荷及扩散粒子间的相互化学作用。然后在有几何约束（例如Knudsen和Fick-Jacobs扩散）的情况下引入分子扩散模型；当这些约束由多孔介质的固体基质施加时，得到的方程可表征孔隙尺度上的扩散。然后，我们讨论了孔隙尺度扩散的达西尺度描述符，并举例说明了达西尺度模型其他过程。最后，本文讨论了非Fickian扩散的现场尺度模型。

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No.4 Colloid Transport in Porous Media: A Review of Classical Mechanisms and Emerging Topics（多孔介质中的胶体输运：经典机理和新兴主题综述）

为庆祝第十届多孔介质协会学术年会，我们对多孔介质内胶体输运进行了跨学科综述。本综述旨在探索经典的胶体输运和该范围外的研究主题，从而为控制输运行为的物理现象提供不同的见解。首先，讨论了相对于分子和较大粒子的特定胶体特性。其次，介绍了胶体输运的经典对流-分散-过滤模型（包括概念模型和数学模型）及异常的传输行为。接下来，讨论了胶体与多孔介质表面间的相互作用力。第四，考虑了胶体在多孔介质中输运最大化的应用。然后介绍了活动的、活跃的生物胶体的概念。最后，本文总结了可作为一种全新输运模式的胶体聚集行为。

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No.5 Mixing-Limited Reactions in Porous Media（多孔介质中的混合-限制反应）

多孔介质中的混合驱动反应普遍存在于自然和工程环境中。然而，由于多孔介质流动的复杂性和不均匀性，预测反应发生的位置和速度非常具有挑战性。特别是在很多情况下，反应物的混合可以覆盖很大的空间和时间范围。本文旨在总结影响多孔介质混合限制反应的因素，以及用于跨尺度预测这类过程的方法。我们主要关注孔隙尺度多孔介质中的混合驱动反应，从而提供一个简明全面的结论。我们在最先进的实验、理论和数值方法之间进行平衡讨论，向读者介绍影响混合反应的因素，并重点研究了纵横向混合这一类方向。我们阐述了混合限制反应的控制方程，然后总结了几种用于计算复杂孔隙尺度流体场的尺度升级方法。最后总结了该领域的发展前景及这篇综述的其他见解。

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No.6 Coupled Processes in Charged Porous Media: From Theory to Applications（带电多孔介质中的耦合过程：从理论到应用）

带电多孔介质是普遍存在的。由于带电固体表面、流体中离子的存在及流体中离子与固体表面间的化学反应所引起的高耦合水动力和电化学相互作用，带电多孔介质系统建模在数学和计算上都具有一定的挑战性。除了微观物理学之外，包括水力势能梯度、电势能梯度和化学能势梯度等外界施加的势能也控制着带电多孔介质系统的宏观动力学。本文旨在对孔隙尺度和达西尺度耦合过程的不同应用进行全新综述。在微观尺度上，本文介绍了带电多孔介质的基本微观概念已经相应的质量和动量平衡方程。考虑到带电多孔介质中高度耦合的非线性物理化学过程及其长度尺度与相关应用之间的巨大差异，在达西尺度上对这些过程进行数值模拟比多孔介质中多相流的直接孔隙尺度模拟更具挑战性。因此，由微观尺度升级到达西尺度是非常必要的，也是大规模应用所要求的。于是，我们提出并讨论了运用混合理论，均匀化假设及其他相关假设得到达西尺度的多孔介质理论。然后，讨论了这些理论的发展在黏土、电池、提高油采收率和生物系统中的应用。

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No.7 Flow in Fractured Porous Media: A Review of Conceptual Models and Discretization Approaches（裂缝性多孔介质中的流动：概念模型和离散化方法综述）

近十年来，对裂缝性多孔介质中流动的研究越来越多，这是因为由于连通的裂缝可以完全控制流动模式。这些研究主要与地下流动过程相关，但是可以应用在材料科学和生物科学中。由于裂缝是近似平面的不连续体，并且大小和开度比极高，这对基于平均化的标准宏观尺度数学和数值建模提出了挑战。因此，过去几十年中，已经开发出多种基于不同原理的建模方法。本文回顾了裂缝性多孔介质中流动的概念模型和离散化方法，重点讨论了裂缝对流动过程的主要影响。在此背景下，本文讨论了物理数学建模及模拟方法之间的紧密联系。最后，本文论述了与输运、多相流和流固耦合作用有关的拓展和研究挑战。

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No.8 A Brief Introduction to Convection in Porous Media（多孔介质中对流的简要介绍）

本文是Nield和Bejan（NB）书中提供的较长介绍的简要介绍，重点讨论了多孔介质及热传递相互作用的建模问题。除了简短的提及外，非饱和介质中的对流超出了这本书范围，因此也就不在本综述的讨论范围内。本文内容主要限于单相流。所考虑辐射效应的影响仅限于对辐射吸收所产生的体积热的贡献。本文主体包括孔隙尺度（微观尺度）及宏观尺度建模过程。理论和实验研究都被考虑。虽然本书有一节是变形介质的内容，但绝大部分为刚性多孔介质。本综述仅限于研究有关刚性多孔介质的问题。

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No.9 Characterization and Monitoring of Porous Media with Electrical Imaging: A Review（基于电成像的多孔介质表征和监测：综述）

电地球物理成像是一种广泛使用的无损伤技术，应用于大于单个孔隙大小尺度上的多孔介质的可视化。这项技术最初是为医疗应用而开发的，现已应用于研究地球科学、土木工程和环境工程、农业科学和生物学等广泛领域中的流动和输运性质/过程。传统的电成像测量流体所填充的互相连通孔隙及在固-液界面上双电层内发生的导电过程。复杂电成像是该方法的延伸，它还测量双电层内和金属存在下的电极化过程。电成像已被用来确定控制多孔介质中流动/输运的物理性质的空间分布、流体动态成像、观察溶质输运现象及捕捉基质转移。该方法已应用于研究土壤、岩石、混凝土、工程屏障、污水过滤和生材中的多孔介质过程。这项技术的进步在于：（1）提高对复杂电导率测量与多孔介质中发生的其他过程之间关系的理解；（2）开发支持长期自主电气监测的新型仪器。

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No.10 Microfluidics for Porous Systems: Fabrication, Microscopy and Applications（多孔系统的微流控技术：制备、显微镜和应用）

无论结构有多复杂，孔隙尺度有多大，多孔介质中的流体驱替都可以使用微流控技术来实现可视化、捕捉、模拟和优化。可视化输运过程是我们理解复杂水文地质系统、石油生产、医学应用和其他工程应用的基础。微流控技术是一种在时间域和空间域高分辨率下可视化观测流体的理想工具。由于使用小型化设备时的样品体积很小，所以实验过程很快。这篇综述首先讨论了制备微流控装置的技术、实验装置以及使用3D打印、土工材料和生物材料制备微流控技术的新进展。然后讨论了地下多孔介质中的多相输运问题，重点阐述了过去几十年其在水文和石油工程中的应用。我们还介绍了微流控技术在生物医学膜系统和粒子分类中的应用。最后，我们探讨了怎样利用不同学科之间的协同作用对该领域进行创新。突出显示了许多已经被解决的问题，正在研究的主题和正在出现的尖端应用。

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No.11 Porous Media Characterization Using Minkowski Functionals: Theories, Applications and Future Directions（用Minkowski泛函表征多孔介质：理论、应用及未来发展方向）

多孔介质研究中的一个基本问题是结构与函数的关系。在大多数领域中，多孔介质的孔隙度和渗透率是关键的属性。然而，孔隙度和渗透率间并没有通用的关系，因为渗透率不仅与孔隙空间占的比例相关，并且与孔隙空间的连通性也相关。随着现代X射线显微计算机层析成像技术（Micro-CT）和先进算法的发展，如今可以在前所未有的细节水平上对多孔介质进行可视化。在文献中，分析多孔结构的微CT数据的方法从现象学表征到网络分析再到几何测量和拓扑测量，已经发展出多种不同的方法。这就引发了一个问题，即如何以一种促进理论发展的方式一致地表征多孔介质。在这种努力下，基于统计物理学，Minkowski泛函（MF）被提出来。在统计物理学中，许多物理过程依赖于三维空间中物体或多个物体的几何形状和拓扑结构。本文回顾了MF的理论基础、多孔介质表征所需的数学定理和方法、利用微CT数据时常见的测量误差及将MF和宏观尺度多孔介质性质联系起来的最新发现。本文旨在为多孔介质的表征和理论发展提供必要的基础。借助多孔介质三维成像产生大量信息，有必要加深对这一令人振奋研究领域的局限性和机遇的了解。

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No.12 Development of Open-Source Porous Media Simulators: Principles and Experiences（开源多孔介质模拟器的开发：原理和经验）

就其本质而言，研究多孔介质和裂缝介质中的多个物理过程需要一种协作的方法。跨学科方法使得在该领域中常采用协作软件开发方式，该方式依托于科学计算软件作为研究基础结构。而开源软件的开发已经成为学术界计算方法的基石，甚至已经在商业领域中产生了成功的商业模式。本文所面向的读者是希望了解更多关于开源软件在多孔介质研究中的潜力优势，并希望熟悉典型工作流程，从而成为多孔介质模拟中开源解决方案的用户或积极贡献者。本文将一般原理、动机和概念纳入从开发开源软件项目OpenGeoSys和DuMux的作者吸取的经验和教训的具体内容中。

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No.13 Aspects of Solvers for Large-Scale Coupled Problems in Porous Media（多孔介质大尺度耦合问题的求解方法）

本文总结了发生在地下流体流动模拟过程中离散系统的解决方案，重点关注了大型耦合系统的可伸缩求解器。本文工作旨在使研究人员能够选择合适的算法和参数设置来有效地解决问题。本文总结了现有方法，并介绍它们的特性、潜力以及常见的缺陷，给出了单相流、密度驱动流和孔隙弹性的数值案例，同时对多相流动问题进行了简单的讨论，但有关反应运移的详细问题不在本文的讨论范围。最后本文讨论了该领域今后的发展趋势。