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土壤或者其他巖土材料等多孔介質(zhì)中的氣液界面的幾何特征和物理性質(zhì)反映了多孔介質(zhì)中水的賦存狀態(tài)，并影響著多孔介質(zhì)的水力和力學(xué)特性。對(duì)于亞微米級(jí)或者納米級(jí)孔隙，多孔介質(zhì)的固體基質(zhì)對(duì)液體有著強(qiáng)烈的吸附作用并對(duì)氣液界面的幾何特征和物理特性產(chǎn)生不可忽略的影響。

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所董毅研究員，長期致力于包括多孔介質(zhì)多相流涉及的熱質(zhì)運(yùn)移、相變等相關(guān)理論在內(nèi)的多相巖土介質(zhì)力學(xué)與工程方面的研究。針對(duì)吸附作用如何影響孔隙中的氣液界面性質(zhì)這一問題，基于熱力學(xué)原理，通過變分法推導(dǎo)了描述兩個(gè)理想化孔隙中氣液界面的具體廣義楊-拉普拉斯方程；通過引入分離壓力中的范德華力、靜電力以及結(jié)構(gòu)力來描述吸附作用，詳細(xì)分析了吸附作用對(duì)氣液界面形態(tài)和曲率等幾何特征以及界面氣水壓力差這一物理特性的影響，并從含水量和孔隙尺寸這兩個(gè)角度探討了尺度效應(yīng)如何增強(qiáng)吸附作用對(duì)氣液界面的影響以及固體表面濕潤性隨尺度的變化；通過氣液界面的界面輪廓參數(shù)表征了基質(zhì)勢(shì)和粒間作用力與孔隙含水量的關(guān)系曲線，描述分析了吸附作用對(duì)孔隙水力和力學(xué)特性的影響。這些研究成果對(duì)于研究與氣液界面性質(zhì)相關(guān)的液體相變、結(jié)晶生長以及液體空化過程中的氣泡成核等物理化學(xué)過程提供了理論基礎(chǔ)，也為研究吸附作用如何影響自然多孔介質(zhì)和其他土工材料的持水特性和力學(xué)特性提供了基本框架。

上述研究獲得了國家自然科學(xué)基金NSFC- 41702338和 NSFC- 51779254的資助，成果以論文“How solid–liquid adsorption affects the liquid–vapor interface in pores”發(fā)表于SSSAJ期刊Vadose zone journal。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/vzj2.20214

圖1 考慮吸附作用時(shí)兩球顆粒間氣液界面物理模型示意圖

圖2 球顆粒間不同半填充角的氣液界面輪廓以及界面曲率和界面壓力差分布