Корреляционные эффекты в системе несмачивающая жидкость - нанопористая среда

• Автор: Быркин, Виктор Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Модель хаотически расположенных сфер различных размеров для неупорядоченной пористой среды
1.1 Введение
1.2 Формальный подход к описанию двухфазных систем
1.3 Корреляционная функция взаимного расположения пор одинакового размера
1.4 Корреляционная функция взаимного расположения пор различных размеров
1.5 Число ближайших соседей
1.6 Площадь мениска в устье горла
2 Условие спонтанного заполнения и вытекания жидкости из неупорядоченной пористой среды с учетом «многочастичного» взаимодействия кластеров жидкости
2.1 Спонтанное заполнение жидкостью неупорядоченной пористой среды
2.2 Спонтанное вытекание жидкости из неупорядоченной пористой среды
2.3 Описание цикла заполнения-вытекания жидкости из неупорядоченной пористой среды
2.4 Скейлинг многочастичного взаимодействия кластеров жидкости и самоподобие бесконечного кластера при частичном заполнении пористой среды .
2.5 Гистерезис угла смачивания
3 Диссипация механической энергии и тепловые эффекты
3.1 Аномальные температурные зависимости давления заполнения и вытекания
3.2 Тепловой эффект' в цикле заполнение-вытекание
3.3 Замкнутый цикл заполнение-вытекание
3.4 Сравнение с экспериментом

4 Переход диспергирование
4.1 Наблюдение перехода диспергирования
4.2 Обсуждение результатов
4.2.1 Энергетическое невытсканис жидкости из пористой среды
4.2.2 Геометрическое невытсканис жидкости из пористой среды
Заключение
Литература
Благодарность

Введение
Актуальность темы
Исследования процессов заполнения (вытекания) жидкости из пористой среды ведутся уже не один десяток лет. В последние годы активно исследуются неупорядоченные нанопористые среды — силохромы, гидрофобизированные силикагели - вода, водные растворы органических веществ и солей; пористые среды с упорядоченным строением цилиндрических пор цеолиты, металлоорганические каркасные структуры - жидкие металлы, вода, водные растворы органических веществ и солей.
При приложении избыточного давления в таких системах происходит заполнение пор среды тела с манометровыми размерами пор несмачивающей жидкостью, которая переходит из объёмной фазы в состояние, которое характеризуется большой удельной поверхностью раздела жидкость - пористое тело (диспергированное состояние). При уменьшении избыточного давления в цикле заполнения-вытекания жидкости наблюдаются гистерезис, так что пороговое давление заполнения больше чем давление вытекания. В зависимости от различных параметров системы, как энергетических так и геометрических возможно различные сценарии поведения жидкости при уменьшении давления: она может как полностью или частично вытекать так и полностью не вытекать, даже при отсутствии избыточного давления. Кроме того при заполнение-вытекание жидкости сопровождается тепловыми эффектами, диссипацией механической энергии и нетривиальными зависимостями пороговых давлений от температуры.
Актуальность работы определяется как решением ряда фундаментальных вопросов ианофлюидики, так и перспективами использования систем нанопористая среда-несмачивающая жидкость. С фундаментальной точки зрения интерес связан с тем, что в настоящий момент используются упрощенные модели пористой среды и существующие подходы не в состоянии объяснить такие явления как гистерезис, ггевытекание жидкости из пористой среды и тепловые эффекты. Предлагаемая обобщенная модель хаотически

соответствует числу ближайших соседей в приближении пор одинакового радиуса (см. рис. 1.7). Кроме того, как и ожидалось, видно, что для маленькой поры с ростом радиуса окружающих пор число ближайших соседей падает. Для случая, когда соседние поры существенно превосходят в размерах рассматриваемую число соседей стремится в нулю. Если рассматриваемая пора является большой, то с уменьшением радиуса окружающих пор — число соседей растет.
При этом стоит отметить, что несмотря на использование узкого распределения пор по размерам, оно вносит существенную зависимость числа ближайших соседей как от радиуса рассматриваемой поры, так и радиуса окружающих пор. Так для среднего радиуса число ближайших соседей при пористости р = 0.4 может меняться от 1 до 8 на полуширине распределения.
Выражение (1.22), а соответственно (1.24) и (1.25), с учетом (1.21), зависят от пористости. На рисунке 1.7 изображена зависимость числа ближайших соседей, вычисленных по формулам (1.24) и (1.25) при различных значениях пористости. Видно, что с ее ростом так же растет число ближайших соседей. Так для случая одинаковых пор при пористости вблизи перколяционного порога р ~ 0.2 число ближайших соседей равно 2 ~ 2. При р = 0.4 2 = 3.6, при р = 0.6 2 = 5.1 и при р = 0.8 2 = 6.6. При пористости стремящейся к единице число соседей для одинаковых пор стремится к 8, что является на первый взгляд довольно странным результатом, с учетом того, что при плотной упаковке шаров число соседей 12. Это отличие связано с условием открытого контакта пор, которое обеспечивается условием пересечения, а не точечным контактом сфер.
1.6 Площадь мениска в устье горла
Площадь мениска в модели пересечения двух сфер, когда заполнена пора радиусом Я будем определять как площадь поверхности сферического сегмента, образованная пересечением двух нор. Из простейших геометрических соображений площадь сегмента записывается как б'т1 (Л, Ль к) = 2?гВ:у (см. рис. 1.5). В таком случае, после усреднения по расстоянию между порами к площадь мениска можно записать как
5'т(Л, Я1) — — (

•/ |л— льц
(1.26)
где V = — ((Л + Яг)3 — |Л — Л?.г|3).