다공질 매체
Porous medium
다공질 매체 또는 다공질 재료는 모공(공극)[1]을 포함한 재료이다.재료의 골격 부분은 종종 "매트릭스" 또는 "프레임"이라고 불립니다.모공은 일반적으로 액체(액체 또는 가스)로 채워져 있습니다.골격 재료는 보통 고체이지만 발포체 같은 구조도 다공질 매체의 개념을 사용하여 유용하게 분석됩니다.
다공질 매체는 다공성으로 특징지어진다.매체의 다른 특성(예: 투과성, 인장 강도, 전기 전도도, 고문도)은 때때로 그 구성 요소(고체 매트릭스 및 유체)와 매체의 다공성 및 기공 구조에서 도출될 수 있지만, 그러한 도출은 일반적으로 복잡하다.다공성의 개념조차 다공성 매질에게만 간단하다.
종종 고체 매트릭스와 공극 네트워크(공극 공간이라고도 함)는 모두 연속적이므로 스펀지와 같은 두 개의 관통하는 연속체를 형성합니다.그러나 폐쇄 다공성 및 효과적인 다공성, 즉 흐름에 접근할 수 있는 모공 공간의 개념도 있습니다.
암석과 토양(예: 대수층, 석유 저장고), 제올라이트, 생물학적 조직(예: 뼈, 목재, 코르크), 시멘트와 세라믹과 같은 인공 물질과 같은 많은 자연 물질은 다공질 매체로 간주될 수 있다.그들의 중요한 특성 중 대부분은 다공질 미디어로 간주해야만 합리화될 수 있다.
다공질 미디어의 개념은 응용 과학 및 엔지니어링의 많은 분야에서 사용됩니다: 여과, 역학, 지구역학, 토양역학, 암석역학, 공학, 석유공학, 건설공학, 지구과학, 생물물리학, 재료과학.다공질 재료에 대한 두 가지 중요한 현재 적용 분야는 에너지 변환과 에너지 저장입니다. 다공질 재료는 슈퍼패시터, 연료전지 [2]및 배터리에 필수적입니다.
현미경 및 거시적
현미경적 및 거시적 수준에서 다공질 매체를 분류할 수 있다.현미경적 규모에서 구조는 기공 크기 분포, 기공 상호접속도 및 배향도, 데드 기공 비율 등으로 [3]통계적으로 표현된다.거시적 기술은 모공 [3][4]크기보다 훨씬 큰 척도로 평균화된 부피 특성을 사용합니다.
이 두 가지 기술은 목적에 따라 보완적인 것이므로 자주 사용됩니다.고분자 용액으로부터의 고분자 흡착이나 기공 차단과 같은 표면 현상을 이해하기 위해서는 현미경 기술이 필요한 것은 분명하지만, 유체 흐름, 열 및 질량 전달이 가장 중요한 공정 설계에는 거시적 접근법이 종종 꽤 충분하다.엔시온은 다공질 [3]시스템의 모공 크기보다 상당히 작습니다.
다공질 미디어를 통한 유체 흐름
다공질 미디어를 통한 유체 흐름은 공통 관심의 대상이며 별도의 연구 분야가 되었습니다.고체 프레임의 변형을 수반하는 다공질 매체의 보다 일반적인 거동을 연구하는 것을 기압학이라고 한다.
다공질 흐름 이론은 잉크젯[5] 인쇄 및 핵폐기물[6] 처리 기술 등에 응용된다.
다공질 매체의 유체 흐름에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으며, 그 기본적인 기능은 에너지를 소비하고 웰보어를 통해 유체를 생성하는 것입니다.다공질 매체를 통한 흐름 역학에서는 에너지와 유량 간의 연결이 가장 중요한 문제가 됩니다.이 연관성을 특징짓는 가장 기본적인 법칙은 다아시의 [7]법칙이다.
모공 구조 모델
기공 세트 또는 네트워크를 사용하여 다공질 재료 내부에 존재하는 보이드 단계를 나타냅니다.이것은 수송 매개변수의 예측을 위한 구조적 기초 역할을 하며, 모공 구조 [8]특성화의 맥락에서 사용된다.
기공 구조에는 많은 이상화된 모델들이 있다.크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
다공질 재료는 종종 프랙탈과 같은 구조를 가지고 있으며,[9] 점차적으로 분해능이 증가하여 볼 때 모공 표면적이 무한히 커지는 것처럼 보입니다.수학적으로, 이것은 모공 표면에 [10]2보다 큰 하우스도르프 치수를 할당함으로써 설명된다.모공 구조 조사를 위한 실험 방법에는 공초점 현미경[11] 검사와 X선 단층 [12]촬영이 포함됩니다.
다공질 재료의 법칙
다공질 재료의 법칙 중 하나는 일반화된 머레이의 법칙이다.일반화된 머레이의 법칙은 주어진 부피로 모공의 수송 저항을 최소화함으로써 질량 전달을 최적화하는 데 기초하고 있으며, 흐름 과정, 분자 또는 이온 [13]확산과 관련된 화학 반응과 질량 변화를 포함한 질량 전달을 최적화하는 데 적용할 수 있다.
r0의 반경이 많은 아이들 파이프에 리의 반경이 부모 파이프를 연결하는 일반화된 머레이의 법칙의 공식:r불쌍히 여겼고,=11− X∑은 나는 정도 1Nr나는{\displaystyle r_{는 o}^{를}={1\over 1-X}\sum _{i=1}^{N}r_{나는}^{를}}이 X비율의 질량 변화 동안 물질 전달의 부모 지다.exponent α는 전달 유형에 따라 달라집니다.층류α =3의 경우, 난류α =7/3의 경우, 분자 또는 이온 확산α =2 등의 경우.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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추가 정보
- J. Bear;(1972) 다공질 매체 내 유체 역학(뉴욕 엘세비어)
