相变多孔介质中流动与多相化学反应的相互作用

多孔介质中的流体-固体反应和流体通过相变多孔介质的运动是溶浸法采矿等工程问题的主要过程，流体-固体反应在矿床(多孔介质)的多种尺度上发生。考虑到流体-固体反应诱发的流体、固体相变、孔隙结构变化和伴随多相物质相间质量交换的动量、能量交换，研究多孔介质中反应、流动与传递交叉相互作用的机理和孔隙结构变化规律。应用混合物的连续介质理论，建立可描述有化学反应的多相物质多种过程的相互作用的场方程，还研究既能反映各相物质宏观相互作用，又能反映细观孔隙结构变化的具体过程的输运项（supply terms），以便将宏观尺度上多相物质的相互作用和细观结构变化作为相互补充的两个方面。研究局部热不平衡条件下含孔隙流体的多孔介质相间热量交换机理、传热机理和传热特性测试的理论与实验方法。搞清流体通过多孔运动与流体-多孔固体反应体系相互作用的特性与规律。提出与经验归纳方法不同的研究方法。

多孔介质中的传递、流动、化学反应和反应诱发的孔隙结构改变，是许多工程问题的基本过程，其中共同的课题这些过程之间相互作用的机理。考虑到气体与固体之间的质量交换，和反应引起的气体混合物压缩性的改变，提出了描述多孔介质中可压缩性流动与等温复分解反应的相互作用的新模型。分析表明，气体组分的摩尔质量不影响混合气体流动，但化学计量系数对混合气体运动有很大的影响，并显著改变反应进程。一个考虑了气体与固体之间的质量交换，但忽略了反应引起的气体混合物压缩性改变的耦合模型，相当于增加了一个气体质量生成的源（或消失的汇），这个新增的源（或汇），对流动的影响很大。当参与反应的气体组分的化学计量系数相同时，该模型退化为非耦合模型，而仅考虑气体和固体之间的质量交换，但是忽略了反应诱发的气体混合物压缩性改变的耦合模型不会退化为非耦合模型，并可能导致物理上不真实的速度场，这表明在对耦合机制作出深入研究之前，不能想当然地认为耦合模型一定优于非耦合模型。提出了非等温气固反应和可压缩流体相互作用的模型。分析表明，反应热对气体压缩性和流动的影响十分明显，对于放热反应的稳定性，反应气体消耗和混合气体的热膨胀是相互抵触的因素，对反应稳定性的研究需要综合考虑这两个因素的消长。以碳酸盐热分解为例研究多孔介质中的流动、反应与局部热非平衡，提出了宏观尺度上反应、流动、传热和传质相互作用的模型，建立了细观层次上有界面化学反应，传热和传质相互作用的非线性扩散模型，描述单颗粒的总包反应。关联了细观和宏观两个层次。分析表明，只要热分解反应还在进行，相间温差持续存在，无论这种温差有多小。反应热引起的混合流体热膨胀，小马赫数流动不是忽略气体压缩性的理由。对具有随机和无序孔隙结构的多孔介质，考虑到反应诱发的孔隙结构改变，提出非线性反应扩散方程描述微元体综合反应动理学，跳过细观层次（比如一个颗粒），直接研究微元体反应，进行了微元体反应的实验研究，理论预测的结果与相互独立的实验结果的对比表明，所提出的反应诱发孔隙结构改变的机理基本符合实际。提出描述反应、流动和孔隙结构改变的相互作用的数学模型，进行了反应流体渗流的实验研究。理论预测的试件下游的渗流速度与实际测量十分接近，表明所提出的模型基本符合实际。对于反应流体在相变多孔介质中的渗流，只要反应还在进行，流动就不会稳定，试件中的压力梯度和渗流速度就不再是均匀的。