基本介紹
- 中文名：非均勻流體
- 外文名：Inhomogeneous fluid
- 實際生活：生活中的非均勻流體是分散體系
- 特點：在流場的不同區域性質不斷改變
- 巨觀屬性：隨位置變化分段連續
- 測量性質條件：標準壓強和溫度下處於靜止狀態
概念,特點,對顆粒運動的影響,研究與運用,
概念
流體是近程有序的，圍繞每一個分子，在約3～5個分子的距離內，有一個密度周期起伏並逐漸衰減的有序結構，這一有序結構決定了整個流體的性質。因此從分子到流體的跨越，實質上是從分子到其周圍的有序結構的跨越。兩相間的界面也同樣，密度變化在越過界面時並不是一個階梯函式，而是在界面層中有一個密度分布，形成有結構的非均勻流體。
特點
關於非均勻流體的性質特點，通常是指非均勻流體本身的性質特點，而不是指流動方式。因此，非均勻流體的性質特點是流體在標準壓強和溫度下處於靜止狀態測得的。當多於一個明顯的流體狀態存在時，一個非均勻流體具有隨位置變化分段連續的巨觀屬性。在段塞流情形下，雙相流體混合物就是非均勻流體的例子。在段塞流情形下，巨觀流體屬性在每一相內是連續的，而在相邊界是不連續的。
空氣中的顆粒混合物，嚴格地說，是一種非均勻流體，這是因為空氣和顆粒是不同的兩相，而且顆粒區與空氣區有不同的性質。但實際上，被顆粒污染的空氣流常當成均勻混合物，特別是顆粒很小，因為顆粒的行為在很大程度上與大分子相同。然而分析分離裝置的內部流型時含顆粒的空氣流絕不可當成均勻流體，因為達到某種程度的分離，顆粒勢必與氣體的行為不同，這是必然的結果。
實際生產中的許多物料是非均勻流體。從物理化學的觀點來看，實際生產中常遇到的流體是一種分散體系，如果從分子或微團結構出發來分析其微觀結構對流變性的影響，就可將生產中常遇到的流體看成是非均勻流體。例如原油，特別是含蠟量高的原油，當油溫較低，有蠟晶析出，也會呈現出與非均勻流體相似的特性。
對顆粒運動的影響
①速度梯度
在流體中，由於粘性或其它因素的影響而形成速度梯度，例如在管道中的流體，沿管壁的流速低，而軸心的流速高。這種速度梯度的存在，將使顆粒產生旋轉。在低雷諾數情況下，旋轉將引起流體的挾帶作用，使流體在顆粒一邊增速，而在另一邊減速。其結果勢必使顆粒朝向速度較高一邊運動。這種現象叫馬格努斯效應。實驗表明，氣體挾帶固體顆粒在管道中流動時，顆粒有移向管道軸心的傾向，並集中在大約離管道軸0。6管半徑的區域內。
賽夫曼研究表明，當顆粒處在有速度梯度的非均勻流體中，即使它沒有旋轉，也可能產生一個橫向升力。他推導了在無界，均勻的簡單剪下流中，作用在移動並同時旋轉的小圓球上的淨力。移動是沿著流線的。研究表明，除斯托克斯阻力以外，應附加上一個作用在顆粒上的橫向力。由於滑動剪下力的存在，使顆粒與非均勻流體之間的相對速度減小，因而顆粒向低速度區域運動。
②溫度梯度
非均勻流體中的溫度梯度將明顯地使流體粘度發生變化，這種變化也可以由熱傳導及其相應的溫度分布而引起的。而當粘度發生變化時，都會引起速度分布和阻力係數的變化。不過在這種情況下，影響一般都比較小。只有在顆粒尺寸極小的情況下，溫度梯度效應才變得很明顯。由溫度梯度而引起顆粒的位移叫“熱泳”現象，由非均勻輻射而引起顆粒的位移叫“光泳”現象。它們所產生的作用在顆粒上的力稱為輻射力。
在顆粒作加速運動情況下，即使非均勻流體沒有粘性，在非均勻流體和顆粒之間仍然也會產生作用力。這種力的效應可以類似於顆粒的質量增添了它所帶動的流體的質量一樣，我們把這被帶動的流體質量叫做“附加質量”，相應所產生的力叫附加質量力。對於球體，其附加質量等於它所排開的非均勻流體質量的一半。對於軸長比為1:2的橢球，這個量可達到20%。對於軸長比為1:6的橢球，其附加質量只有4。5%。當非均勻流體最初是從靜止狀態開始運動，這種運動近乎是無旋的，所以這個結果對於實際流體也是有意義的。
在研究非均勻密度流動如分層流體流動、熱對流時常採用的近似。可敘述為：當密度的不均勻性產生的密度變化量與密度值本身相比為微小量時，可認為密度的變化對流體運動的慣性和粘性無影響，其重要的影響體現於所產生的浮力上，因而在非均勻流體動力學方程中，對於密度變化量，只當其和重力加速度以乘積聯結在一起而表現出浮力時才被保留。在地球流體力學、對流、擴散等許多研究領域中經常採用布辛涅斯克近似。在大多數情況下近似是合理的，可給出合理的結果。
研究與運用
①由於流體在空間分布的不均勻性，可以導致流體在固液、汽液或液液界面形成與均勻流體非常不同的性質。當前對非均勻流體結構和熱力學性質的研究主要有積分方程（IET）理論、密度泛函理論（DFT）和計算機分子模擬等。其中DFT方法在上個世紀70年代被引入到非均勻流體結構和熱力學性質的研究，得到了較快的發展，經歷了從簡單流體到複雜流體和聚合物流體的發展與套用。不同DFT方法本質的區別在於對體系剩餘自由能巨勢泛函所採用的近似方法不同。在簡單流體的DFT方法中，對剩餘自由能的近似包括:1。局域密度近似，2。加權密度近似，3。泛函展開近似，4。基本度量理論（FMT）方法，5。橋函式方法等等。考慮分子鏈的連線性，上述所有簡單流體的DFT方法都被擴展到了分子流體和聚合物系統。通過引入平均場近似或者加權密度近似對鏈分子鏈節之間的Van der Waals相互作用加以考慮，使DFT方法可以套用到更加實際的分子系統。
②彈性波逆散射是非均勻介質參數反演的有效途徑。本文從彈性波逆散射理論出發，利用微擾理論和穩相法，將非均勻介質參數視為背景介質與擾動介質參數的疊加，建立了縱波散射係數和非均勻介質中背景介質與擾動介質孔隙流體參數，剪下模量與密度間的直接關係。進而發展了一種非均勻介質孔隙流體參數疊前地震貝葉斯反演方法。該方法假設模型參數（擾動介質與背景介質孔隙流體參數，剪下模量與密度的比值）服從柯西分布，反演目標似然函式服從高斯分布，並採用平滑初始模型約束提高反演穩定性。模型和實際資料處理表明，該反演方法能夠穩定合理的直接從疊前地震資料中獲取孔隙流體參數，提供了一種高可靠性的非均勻介質流體描述方法。
