[科普中国]-非均匀流体

概念

非均匀流体是指在流场的不同区域性质改变的流体。2

流体是近程有序的，围绕每一个分子，在约3～5个分子的距离内，有一个密度周期起伏并逐渐衰减的有序结构，这一有序结构决定了整个流体的性质。因此从分子到流体的跨越，实质上是从分子到其周围的有序结构的跨越。两相间的界面也同样，密度变化在越过界面时并不是一个阶梯函数，而是在界面层中有一个密度分布，形成有结构的非均匀流体。3

特点关于非均匀流体的性质特点，通常是指非均匀流体本身的性质特点，而不是指流动方式。因此，非均匀流体的性质特点是流体在标准压强和温度下处于静止状态测得的。当多于一个明显的流体状态存在时，一个非均匀流体具有随位置变化分段连续的宏观属性。在段塞流情形下，双相流体混合物就是非均匀流体的例子。在段塞流情形下，宏观流体属性在每一相内是连续的，而在相边界是不连续的。

空气中的颗粒混合物，严格地说，是一种非均匀流体，这是因为空气和颗粒是不同的两相，而且颗粒区与空气区有不同的性质。但实际上，被颗粒污染的空气流常当成均匀混合物，特别是颗粒很小，因为颗粒的行为在很大程度上与大分子相同。然而分析分离装置的内部流型时含颗粒的空气流绝不可当成均匀流体，因为达到某种程度的分离，颗粒势必与气体的行为不同，这是必然的结果。2

实际生产中的许多物料是非均匀流体。从物理化学的观点来看，实际生产中常遇到的流体是一种分散体系，如果从分子或微团结构出发来分析其微观结构对流变性的影响，就可将生产中常遇到的流体看成是非均匀流体。例如原油，特别是含蜡量高的原油，当油温较低，有蜡晶析出，也会呈现出与非均匀流体相似的特性。4

对颗粒运动的影响在非均匀流体中，由于存在速度梯度，压力梯度，温度梯度，非均匀辐射和浓度梯度，这些因素也必然要影响固体颗粒的运动和阻力系数，下面简要介绍速度梯度、温度梯度和附加质量和附加质量力对颗粒运动的影响：

①速度梯度

在流体中，由于粘性或其它因素的影响而形成速度梯度，例如在管道中的流体，沿管壁的流速低，而轴心的流速高。这种速度梯度的存在，将使颗粒产生旋转。在低雷诺数情况下，旋转将引起流体的挟带作用，使流体在颗粒一边增速，而在另一边减速。其结果势必使颗粒朝向速度较高一边运动。这种现象叫马格努斯效应。实验表明，气体挟带固体颗粒在管道中流动时，颗粒有移向管道轴心的倾向，并集中在大约离管道轴0。6管半径的区域内。

赛夫曼研究表明，当颗粒处在有速度梯度的非均匀流体中，即使它没有旋转，也可能产生一个横向升力。他推导了在无界，均匀的简单剪切流中，作用在移动并同时旋转的小圆球上的净力。移动是沿着流线的。研究表明，除斯托克斯阻力以外，应附加上一个作用在颗粒上的横向力。由于滑动剪切力的存在，使颗粒与非均匀流体之间的相对速度减小，因而颗粒向低速度区域运动。

②温度梯度

非均匀流体中的温度梯度将明显地使流体粘度发生变化，这种变化也可以由热传导及其相应的温度分布而引起的。而当粘度发生变化时，都会引起速度分布和阻力系数的变化。不过在这种情况下，影响一般都比较小。只有在颗粒尺寸极小的情况下，温度梯度效应才变得很明显。由温度梯度而引起颗粒的位移叫“热泳”现象，由非均匀辐射而引起颗粒的位移叫“光泳”现象。它们所产生的作用在颗粒上的力称为辐射力。

③附加质量和附加质量力

在颗粒作加速运动情况下，即使非均匀流体没有粘性，在非均匀流体和颗粒之间仍然也会产生作用力。这种力的效应可以类似于颗粒的质量增添了它所带动的流体的质量一样，我们把这被带动的流体质量叫做“附加质量”，相应所产生的力叫附加质量力。对于球体，其附加质量等于它所排开的非均匀流体质量的一半。对于轴长比为1:2的椭球，这个量可达到20%。对于轴长比为1:6的椭球，其附加质量只有4。5%。当非均匀流体最初是从静止状态开始运动，这种运动近乎是无旋的，所以这个结果对于实际流体也是有意义的。5

在研究非均匀密度流动如分层流体流动、热对流时常采用的近似。可叙述为：当密度的不均匀性产生的密度变化量与密度值本身相比为微小量时，可认为密度的变化对流体运动的惯性和粘性无影响，其重要的影响体现于所产生的浮力上，因而在非均匀流体动力学方程中，对于密度变化量，只当其和重力加速度以乘积联结在一起而表现出浮力时才被保留。在地球流体力学、对流、扩散等许多研究领域中经常采用布辛涅斯克近似。在大多数情况下近似是合理的，可给出合理的结果。6

研究与运用①由于流体在空间分布的不均匀性，可以导致流体在固液、汽液或液液界面形成与均匀流体非常不同的性质。当前对非均匀流体结构和热力学性质的研究主要有积分方程（IET）理论、密度泛函理论（DFT）和计算机分子模拟等。其中DFT方法在上个世纪70年代被引入到非均匀流体结构和热力学性质的研究，得到了较快的发展，经历了从简单流体到复杂流体和聚合物流体的发展与应用。不同DFT方法本质的区别在于对体系剩余自由能巨势泛函所采用的近似方法不同。在简单流体的DFT方法中，对剩余自由能的近似包括:1。局域密度近似，2。加权密度近似，3。泛函展开近似，4。基本度量理论（FMT）方法，5。桥函数方法等等。考虑分子链的连接性，上述所有简单流体的DFT方法都被扩展到了分子流体和聚合物系统。通过引入平均场近似或者加权密度近似对链分子链节之间的Van der Waals相互作用加以考虑，使DFT方法可以应用到更加实际的分子系统。7

②弹性波逆散射是非均匀介质参数反演的有效途径。本文从弹性波逆散射理论出发，利用微扰理论和稳相法，将非均匀介质参数视为背景介质与扰动介质参数的叠加，建立了纵波散射系数和非均匀介质中背景介质与扰动介质孔隙流体参数，剪切模量与密度间的直接关系。进而发展了一种非均匀介质孔隙流体参数叠前地震贝叶斯反演方法。该方法假设模型参数（扰动介质与背景介质孔隙流体参数，剪切模量与密度的比值）服从柯西分布，反演目标似然函数服从高斯分布，并采用平滑初始模型约束提高反演稳定性。模型和实际资料处理表明，该反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取孔隙流体参数，提供了一种高可靠性的非均匀介质流体描述方法。8