分形多孔介质气体扩散研究：稳态扩散系数与孔结构关系

"分形多孔介质中气体稳态扩散 (2013年)，作者：马壳，何榕，发布于清华大学学报(自然科学版)，2013年第53卷第10期，ISSN1000-0054，CN11-2223/N，文章编号:1000-0054(2013)10-1459-05，文献标志码:A" 本文主要探讨了在分形多孔介质中气体的稳态扩散现象，因为传统的Fick扩散定律和Knudsen扩散定律在此类特殊介质中的适用性受到挑战。作者通过随机漫步法创建了分形孔模型，这是一种模拟复杂孔隙结构的方法，有助于理解和分析非均匀孔隙介质中的气体扩散行为。 在分子运动论的基础上，研究人员构建了适用于分形孔的气体扩散控制方程。这一步是理论建模的关键，它考虑了气体分子在不规则孔隙内的随机碰撞和运动，从而更准确地描述扩散过程。基于这个模型，他们深入研究了分形多孔介质中气体稳态扩散的规律，并推导出了稳态扩散系数的表达式。 研究结果显示，扩散系数与气体分子的平均速度成正比。在Knudsen扩散区域，即当孔径尺度接近或小于气体分子的平均自由程时，扩散系数与平均孔径和孔隙率成正比，并且与分形维数呈现指数关系。而在过渡扩散区，扩散系数不仅取决于孔结构参数（如平均孔径和孔隙率），还与扩散气体分子的平均自由程密切相关。 这些发现对于理解在地质、环境、能源等领域的多孔材料中的气体传输机制具有重要意义，例如在燃料电池、碳捕获与储存、土壤污染修复以及能源储存等方面。通过对分形多孔介质中气体扩散的深入理解，可以改进材料设计，优化性能，进而提高相关技术的效率和可持续性。