Пористость - Porosity

Пористость или же пустая фракция является мерой пустота (т.е. «пустые») пробелы в материал, и является доля объема пустот по общему объему, от 0 до 1, или как процент от 0% до 100%. Строго говоря, некоторые тесты измеряют «доступную пустоту», общий объем пустого пространства, доступного из поверхность (ср. пена с закрытыми порами ).

Есть много способов проверить пористость вещества или детали, например: промышленное компьютерное сканирование.

Термин пористость используется во многих областях, включая фармацевтика, керамика, металлургия, материалы, производство, гидрология, науки о Земле, механика грунта и инженерное дело.

Доля пустот в двухфазном потоке

В газожидкостном двухфазный поток, пустотная доля определяется как доля объема проточного канала, которая занята газовой фазой, или, альтернативно, как доля площади поперечного сечения канала, которая занята газовой фазой.^[1]

Доля пустот обычно меняется от места к месту в канале потока (в зависимости от схемы двухфазного потока). Он колеблется со временем, и его значение обычно усредняется по времени. В отдельных (т. Е. Неоднородный ) потока, он связан с объемный расход газовой и жидкой фаз, а также отношению скоростей двух фаз (называемых коэффициент скольжения ).

Пористость в науках о Земле и строительстве

Используется в геология, гидрогеология, почвоведение, и строительная наука, пористость пористая среда (Такие как камень или же осадок ) описывает долю пустого пространства в материале, где пустота может содержать, например, воздух или воду. Он определяется соотношение:

{ Displaystyle phi = { гидроразрыва {V _ { mathrm {V}}} {V _ { mathrm {T}}}}}

куда V_V объем пустого пространства (например, жидкости) и V_Т - общий или объемный объем материала, включая твердые и пустые компоненты. Оба математические символы ${ displaystyle phi}$ и ${ displaystyle n}$ используются для обозначения пористости.

Пористость - это доля от 0 до 1, обычно от менее 0,005 для твердого тела. гранит до более 0,5 для торф и глина.

Пористость породы или осадочного слоя является важным фактором при попытке оценить потенциальный объем воды или же углеводороды он может содержать. Осадочная пористость - сложная функция многих факторов, включая, но не ограничиваясь: скорость захоронения, глубину захоронения, характер грунта. рождаемые жидкости, характер вышележащих отложений (которые могут препятствовать вытеснению жидкости). Одно обычно используемое соотношение между пористостью и глубиной дается уравнением Athy (1930):^[2]

{ Displaystyle фи (г) = фи _ {0} е ^ {- kz} ,}

куда ${ displaystyle phi _ {0}}$ - пористость поверхности, ${ displaystyle k}$ коэффициент уплотнения (м⁻¹) и ${ displaystyle z}$ глубина (м).

В качестве альтернативы значение пористости можно рассчитать из объемная плотность ${ displaystyle rho _ { text {bulk}}}$ , насыщающий плотность жидкости ${ displaystyle rho _ { text {жидкость}}}$ и плотность частиц ${ displaystyle rho _ { text {частица}}}$ :

{ displaystyle phi = { frac { rho _ { text {Particle}} - rho _ { text {bulk}}} { rho _ { text {Particle}} - rho _ { text {жидкость}}}}}

Если пустое пространство заполнено воздухом, можно использовать следующую более простую форму:

{ displaystyle phi = 1 - { frac { rho _ { text {bulk}}} { rho _ { text {частица}}}}}

Предполагается, что нормальная плотность частиц составляет приблизительно 2,65 г / см.³ (кремнезем ), хотя лучшую оценку можно получить, исследуя литология частиц.

Пористость и гидравлическая проводимость

Пористость может быть пропорциональна гидравлическая проводимость; для двух одинаковых Сэнди водоносные горизонты, тот, у кого более высокая пористость, обычно будет иметь более высокую гидравлическая проводимость (больше открытого пространства для потока воды), но в этих отношениях есть много сложностей. Основная сложность состоит в том, что существует не прямая пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью, а скорее предполагаемая пропорциональность. Существует четкая пропорциональность между радиусом порового канала и гидравлической проводимостью. Кроме того, существует тенденция пропорциональности между радиусами канала поры и объемом поры. Если существует пропорциональность между радиусами порового канала и пористостью, тогда может существовать пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Однако по мере того, как размер зерен или их сортировка уменьшаются, пропорциональность между радиусом канала поры и пористостью начинает нарушаться, и, следовательно, пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Например: глины обычно имеют очень низкую гидравлическую проводимость (из-за их малого радиуса порового канала), но также имеют очень высокую пористость (из-за структурированной природы глинистые минералы ), что означает, что глины могут удерживать большой объем воды на объем сыпучего материала, но они не выделяют воду быстро и поэтому имеют низкую гидравлическую проводимость.

Сортировка и пористость

Влияние сортировки на аллювиальный пористость. Черный представляет твердые тела, синий - поровое пространство.

Хорошо отсортировано Материалы (зерна примерно одного размера) имеют более высокую пористость, чем плохо отсортированные материалы аналогичного размера (где более мелкие частицы заполняют промежутки между более крупными частицами). На графике показано, как некоторые более мелкие зерна могут эффективно заполнять поры (где происходит весь поток воды), резко уменьшая пористость и гидравлическую проводимость, при этом составляя лишь небольшую часть общего объема материала. Для таблиц общих значений пористости для земляные материалы см. раздел "Дополнительная литература" в Гидрогеология статья.

Пористость горных пород

Консолидированные породы (например, песчаник, сланец, гранит или же известняк ) потенциально имеют более сложную "двойную" пористость по сравнению с аллювиальные отложения. Ее можно разделить на связанную и несвязанную пористость. Связанную пористость легче измерить по объему газа или жидкости, который может течь в породу, тогда как жидкости не могут получить доступ к несвязанным порам.

Пористость - это отношение объема поры к ее общему объему. Пористость контролируется: типом породы, распределением пор, цементацией, диагенетический анамнез и состав. Пористость не зависит от размера зерна, так как объем межзеренного пространства связан только с методом упаковки зерна.

Пористость пород обычно уменьшается с возрастом и глубиной захоронения. Третичный возраст Побережье Мексиканского залива песчаники в целом более пористые, чем Кембрийский возраст песчаников. Из этого правила есть исключения, обычно из-за глубины захоронения и термической истории.

Пористость почвы

Пористость поверхности почвы обычно уменьшается с увеличением размера частиц. Это связано с почвой совокупность образование в почвах с более мелкой текстурой при воздействии почвенный биологический процессы. Агрегация предполагает прилипание частиц и более высокую устойчивость к уплотнению. Типичная насыпная плотность песчаного грунта составляет от 1,5 до 1,7 г / см.³. Расчетная пористость составляет от 0,43 до 0,36. Типичная насыпная плотность глинистого грунта составляет от 1,1 до 1,3 г / см.³. Расчетная пористость составляет от 0,58 до 0,51. Это кажется нелогичным, потому что глинистые почвы называют тяжелый, подразумевая ниже пористость. Тяжелый, очевидно, относится к гравитационному содержание влаги эффект в сочетании с терминологией, которая восходит к относительной силе, необходимой для вытягивания обработка почвы выполнять через глинистую почву при влажности поля по сравнению с песком.

Пористость подповерхностного грунта ниже, чем поверхностного из-за уплотнения под действием силы тяжести. Пористость 0,20 считается нормальной для несортированного гравийного материала на глубинах ниже биомантия. Пористость в более мелком материале ниже агрегирующего влияния почвообразование можно ожидать, чтобы приблизить это значение.

Пористость почвы сложна. Традиционные модели рассматривают пористость как непрерывную. Это не учитывает аномальные особенности и дает только приблизительные результаты. Более того, это не может помочь моделировать влияние факторы окружающей среды которые влияют на геометрию пор. Был предложен ряд более сложных моделей, в том числе фракталы, пузырь теория треск теория Булево зерновой процесс, упакованная сфера и многие другие модели. В характеристика порового пространства в почве это связанное понятие.

Типы геологической пористости

Первичная пористость: Основная или исходная система пористости в камень или неограниченный аллювиальные отложения.
Вторичная пористость: Последующая или отдельная система пористости в породе, часто увеличивающая общую пористость породы. Это может быть результатом химического выщелачивания минералов или образования системы трещин. Это может заменить первичную пористость или сосуществовать с ней (см. Двойную пористость ниже).
Пористость трещин: Это пористость, связанная с системой трещин или разломом. Это может создать вторичную пористость в породах, которые в противном случае не были бы резервуарами для углеводородов из-за того, что их первичная пористость была разрушена (например, из-за глубины залегания), или из-за типа породы, обычно не считающегося резервуаром (например, изверженные интрузии или метаосадки).
Волнистая пористость: Это вторичная пористость, возникающая в результате растворения крупных объектов (таких как окаменелости ) в карбонатные породы оставляя большие дыры, каверны, или даже пещеры.
Эффективная пористость (также называемый открытая пористость): Относится к доле общего объема, в которой поток жидкости эффективно имеет место и включает цепная связь и тупиковый (поскольку эти поры нельзя промыть, но они могут вызвать движение жидкости за счет сброса давления, например расширения газа^[3]) поры и исключает закрытые поры (или несвязанные полости). Это очень важно для подземных вод и нефтяных потоков, а также для переноса растворенных веществ.
Неэффективная пористость (также называемая закрытая пористость): Относится к доле общего объема, в которой присутствуют жидкости или газы, но в которых поток жидкости не может эффективно проходить и включает закрытые поры. Таким образом, понимание морфологии пористости очень важно для подземных вод и нефтяных потоков.
Двойная пористость: Относится к концептуальной идее о том, что есть два перекрывающихся резервуара, которые взаимодействуют. В водоносных горизонтах трещиноватых горных пород массив горных пород и трещины часто моделируются как два перекрывающихся, но разных тела. Решения с задержкой дебита и протекающим водоносным горизонтом являются математически подобными решениями, полученными для двойной пористости; во всех трех случаях вода поступает из двух математически разных резервуаров (независимо от того, различны они физически или нет).
Макропористость: В твердых телах (т.е. исключая агрегированные материалы, такие как почвы), термин «макропористость» относится к порам более 50нм в диаметре. Течение через макропоры описывается объемной диффузией.
Мезопористость: В твердых телах (т.е. исключая агрегированные материалы, такие как почвы) термин «мезопористость» относится к порам более 2 нм и менее 50 нм в диаметре. Течение через мезопоры описывается диффузией Кнудсена.
Микропористость: В твердых телах (т.е. исключая агрегированные материалы, такие как почвы), термин «микропористость» относится к порам диаметром менее 2 нм. Движение в микропорах активируется диффузией.

Пористость ткани или аэродинамическая пористость

Отношение отверстий к твердому телу, которое «видит» ветер. Аэродинамический пористость меньше визуальной на величину, которая зависит от сужения отверстий.

Пористость литья под давлением

Пористость отливки является следствием одного или нескольких из следующих факторов: газификация загрязняющих веществ при температурах расплавленного металла; усадка, происходящая при затвердевании расплавленного металла; и неожиданные или неконтролируемые изменения температуры или влажности.

Хотя пористость присуща производству литья под давлением, ее наличие может привести к отказу компонентов, где целостность давления является критической характеристикой. Пористость может принимать различные формы: от взаимосвязанной микропористости, складок и включений до макропористости, видимой на поверхности детали. Конечным результатом пористости является создание пути утечки через стенки отливки, который не позволяет детали выдерживать давление. Пористость также может привести к выделению газов в процессе окраски, выщелачиванию кислот для покрытия и вибрации инструмента при обработке штампованных металлических деталей.^[4]

Измерение пористости

Оптический метод измерения пористости: тонкий срез под гипсовой плитой проявляет пористость фиолетового цвета на контрасте с зернами карбоната других цветов. Плейстоцен эолианит из Остров Сан-Сальвадор, Багамы. Шкала 500мкм.

Для измерения пористости можно использовать несколько методов:

Прямые методы (определение общего объема пористого образца, а затем определение объема скелетного материала без пор (объем пор = общий объем - объем материала).
Оптические методы (например, определение площади материала по сравнению с площадью пор, видимых под микроскопом). Для пористых сред со случайной структурой «площадная» и «объемная» пористости равны.^[5]
Метод компьютерной томографии (с использованием промышленное компьютерное сканирование для создания 3D-рендеринга внешней и внутренней геометрии, включая пустоты. Затем выполнение анализа дефектов с использованием компьютерного программного обеспечения)
Впитывание методы,^[5] т.е. погружение пористого образца под вакуумом в жидкость, которая предпочтительно смачивает поры.
- Метод водонасыщения (объем пор = общий объем воды - объем воды, оставшейся после замачивания).
Метод испарения воды (объем пор = (вес насыщенного образца - вес высушенного образца) / плотность воды)
Вторжение Меркурия порозиметрия (несколько безртутных методов проникновения было разработано из-за токсикологических проблем и того факта, что ртуть имеет тенденцию образовывать амальгамы с некоторыми металлами и сплавами).
Метод расширения газа.^[5] Образец известного насыпного объема помещается в контейнер известного объема. Он соединен с другим контейнером с известным объемом, который откачивается (т. Е. Давление, близкое к вакуумному). Когда клапан, соединяющий два контейнера, открывается, газ проходит из первого контейнера во второй, пока не будет достигнуто равномерное распределение давления. С помощью идеальный газ по закону объем пор рассчитывается как

{ displaystyle V_ {V} = V_ {T} -V_ {a} -V_ {b} {P_ {2} over {P_ {2} -P_ {1}}}}

,

куда

V_V - эффективный объем пор,

V_Т - объемный объем образца,

V_а - объем емкости, содержащей образец,

V_б объем откачиваемой емкости,

п₁ - начальное давление при начальном давлении в объеме V_а и V_V, и

п₂ конечное давление во всей системе.

Пористость прямо следует из ее правильного определения.

{ displaystyle phi = { гидроразрыва {V_ {V}} {V_ {T}}}}

.

Обратите внимание, что этот метод предполагает, что газ сообщается между порами и окружающим объемом. На практике это означает, что поры не должны быть закрытыми полостями.

Термопорозиметрия и криопорометрия. Небольшой кристалл жидкости плавится при более низкой температуре, чем объем жидкости, как указано в Уравнение Гиббса-Томсона. Таким образом, если жидкость впитать в пористый материал и заморозить, температура плавления предоставит информацию о распределении пор по размерам. Обнаружение плавления может быть выполнено путем измерения переходных тепловых потоков во время фазовых переходов с использованием дифференциальная сканирующая калориметрия - (термопорометрия ДСК),^[6] измерение количества подвижной жидкости с помощью ядерный магнитный резонанс - (Криопорометрия ЯМР)^[7] или измерения амплитуды рассеяние нейтронов из впитавшейся кристаллической или жидкой фаз - (криопорометрия ND).^[8]

Смотрите также

Сноски

^ Г.Ф. Хьюитт, Г.Л. Шайрес, Ю.В. Полежаев (редакторы), «Международная энциклопедия тепломассообмена», CRC Press, 1997.
^ ATHY L.F., 1930. Плотность, пористость и уплотнение осадочных пород. Бык. Амер. Доц. Бензин. Геол. т. 14, с. 1-24.
^ Эффективная и неэффективная пористость или же Объяснение общей и эффективной пористости в E&P Geology.com
^ "Как исправить пористость литья под давлением?". Годфри и Винг.
^ ^а ^б ^c F.A.L. Дуллиен, "Пористые среды. Перенос жидкости и структура пор", Академическая пресса, 1992.
^ Brun, M .; Lallemand, A .; Quinson, J-F .; Эйро, К. (1977). «Новый метод одновременного определения размера и формы пор: Термопорометрия». Термохимика Акта. Научное издательство Эльзевир, Амстердам. 21: 59–88. Дои:10.1016/0040-6031(77)85122-8.
^ Mitchell, J .; Webber, J. Beau W .; Стрэндж, Дж. (2008). «Ядерно-магнитно-резонансная криопорометрия» (PDF). Phys. Представитель. 461 (1): 1–36. Bibcode:2008ФР ... 461 .... 1М. Дои:10.1016 / j.physrep.2008.02.001.
^ Webber, J. Beau W .; Доре, Джон С. (2008). «Нейтронографическая криопорометрия - метод измерения для изучения мезопористых материалов и фаз содержащихся жидкостей и их кристаллических форм» (PDF). Nucl. Instrum. Методы А. 586 (2): 356–66. Bibcode:2008NIMPA.586..356W. Дои:10.1016 / j.nima.2007.12.004.

внешняя ссылка

Расчет пористости, абсолютной пористости и эффективной пористости

[1] Г.Ф. Хьюитт, Г.Л. Шайрес, Ю.В. Полежаев (редакторы), «Международная энциклопедия тепломассообмена», CRC Press, 1997.

[2] ATHY L.F., 1930. Плотность, пористость и уплотнение осадочных пород. Бык. Амер. Доц. Бензин. Геол. т. 14, с. 1-24.

[3] Эффективная и неэффективная пористость или же Объяснение общей и эффективной пористости в E&P Geology.com

[4] "Как исправить пористость литья под давлением?". Годфри и Винг.

[Dul-5] а ^б ^c F.A.L. Дуллиен, "Пористые среды. Перенос жидкости и структура пор", Академическая пресса, 1992.

[6] Brun, M .; Lallemand, A .; Quinson, J-F .; Эйро, К. (1977). «Новый метод одновременного определения размера и формы пор: Термопорометрия». Термохимика Акта. Научное издательство Эльзевир, Амстердам. 21: 59–88. Дои:10.1016/0040-6031(77)85122-8.

[7] Mitchell, J .; Webber, J. Beau W .; Стрэндж, Дж. (2008). «Ядерно-магнитно-резонансная криопорометрия» (PDF). Phys. Представитель. 461 (1): 1–36. Bibcode:2008ФР ... 461 .... 1М. Дои:10.1016 / j.physrep.2008.02.001.

[8] Webber, J. Beau W .; Доре, Джон С. (2008). «Нейтронографическая криопорометрия - метод измерения для изучения мезопористых материалов и фаз содержащихся жидкостей и их кристаллических форм» (PDF). Nucl. Instrum. Методы А. 586 (2): 356–66. Bibcode:2008NIMPA.586..356W. Дои:10.1016 / j.nima.2007.12.004.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]