多孔介質(zhì)多場耦合作用及其工程響應(yīng)

前言

我高興地拜讀了太原理工大學(xué)趙陽升教授撰寫的學(xué)術(shù)專著《多孔介質(zhì)多場耦合作用及其工程響應(yīng)》，深感這是一本經(jīng)過長期系統(tǒng)研究而精心完成的佳作，實在難能可貴、可喜可賀！多孔介質(zhì)多場耦合作用問題是最近由固體力學(xué)、滲流力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、物理化學(xué)、反應(yīng)理論等眾多學(xué)科與多門工程科學(xué)相互交叉、融合而形成的一門新興邊緣學(xué)科。二十多年來，趙陽升教授及其學(xué)術(shù)團隊在承擔(dān)國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點項目和多項國家自然科學(xué)基金面上項目的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一系列新的實驗設(shè)備，揭示出多個多孔介質(zhì)多場耦合作用的表觀現(xiàn)象及其演化規(guī)律，如經(jīng)修正的土體有效應(yīng)力規(guī)律、三維應(yīng)力條件下巖體裂隙和裂縫中氣、液及氣液二相流體的滲流規(guī)律、溶解滲流與熱解滲流規(guī)律等。結(jié)合資源、能源開發(fā)與巖土工程建設(shè)，書中提出了固氣耦合、固液耦合、固流熱耦合、固流熱傳質(zhì)耦合的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解法，并使之直接應(yīng)用于溶浸采礦、煤層氣和地?zé)衢_采、巖土邊坡穩(wěn)定、礦山地面沉陷、煤礦水害防治等多處場合，提出了多項新工藝與新發(fā)明，均在該書中得到反映，進而給出了詳盡的闡介與理論推演，這在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界均屬罕見，具有相當(dāng)?shù)纳疃群托乱狻Ｔ摃且槐鞠到y(tǒng)論述該學(xué)科領(lǐng)域，并將理論、實驗與工程技術(shù)結(jié)合為一體的力作，全書體系與章節(jié)安排頗具匠心：先說明了多孔介質(zhì)固體和流體的特性與普遍守恒定律，進而精練而簡潔地闡介了滲流力學(xué)、固體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、熱力學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)、逾滲理論等的核心內(nèi)容及其數(shù)值解法，并將其作為該書的理論基礎(chǔ)，再后用大量篇幅詳細論述了各種多孔介質(zhì)多場耦合作用的實驗方法、實驗設(shè)備和新的物性規(guī)律；用單獨一章細致演引了多孔介質(zhì)多場耦合作用的力學(xué)機理與理論架構(gòu)，最后更用12章的篇幅討論了各類耦合問題的理論和工程響應(yīng)規(guī)律，以及由作者提出的諸類相關(guān)工藝與工程實例的方方面面。該書引用了課題組成員的豐碩成果，也涵蓋了國內(nèi)外相關(guān)科技論文的部分最新進展。趙陽升教授早年曾在同濟大學(xué)我處攻讀工學(xué)博士學(xué)位（1989－1992），主要從事多孔介質(zhì)固氣耦合作用方面的研究，他完成的“煤體瓦斯耦合理論及其應(yīng)用”的博士學(xué)位論文得到了評審專家的高度贊揚，并于1994年完成了他在該學(xué)科領(lǐng)域的初作《礦山巖石流體力學(xué)》，它也得到了業(yè)界同行的廣泛好評與大量引用。嗣后二十多年來，他潛心進取，團結(jié)帶領(lǐng)一支不斷壯大的學(xué)術(shù)團隊，默默耕耘于這一新興邊緣學(xué)科的基礎(chǔ)實驗與理論創(chuàng)新，孜孜不倦地在科學(xué)理論的指導(dǎo)與推動下謀求采礦工程技術(shù)的進步，在這條艱難而又極富活力的道路上不斷攀登，并據(jù)以發(fā)展了多項該領(lǐng)域的新工藝與新設(shè)備，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎和多項省部級一等獎。這些工作凝結(jié)升華而成今日之巨篇，應(yīng)視其為一部在相關(guān)學(xué)科與工程領(lǐng)域深富學(xué)術(shù)內(nèi)涵、又有重要理論與工程實用價值的專著。

內(nèi)容概要

全書共22章，系統(tǒng)論述與介紹了多孔介質(zhì)多場耦合作用這一新興學(xué)科領(lǐng)域的理論、實驗、工程技術(shù)的各個方面。本書先介紹了多孔介質(zhì)固體、流體特性與普遍的守恒定律以及滲流力學(xué)、固體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、熱力學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)、逾滲理論、數(shù)值解法的核心內(nèi)容，這些也是本書的基礎(chǔ)理論。本書用12章的篇幅介紹了各種多孔介質(zhì)多場耦合作用的實驗方法、實驗設(shè)備和新的物性規(guī)律，詳細論述了其理論架構(gòu)、各類耦合問題的理論、相關(guān)工藝與工程實例。書中內(nèi)容囊括了作者及其學(xué)術(shù)團隊二十多年的大量研究成果，也涵蓋了國內(nèi)外相關(guān)研究的最新進展。    本書可作為資源能源、土木、環(huán)境、地質(zhì)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等工程與科學(xué)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、研究者、本科生、碩士與博士研究生的重要參考書。

作者簡介

趙陽升，1955年12月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師、長江學(xué)者，現(xiàn)任太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院院長、采礦工藝研究所所長。長期從事采礦工程與巖石力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)科研工作，發(fā)明了“鹽類礦床群井致裂控制水溶開采方法”，該項目獲得2005年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎，還獲得三項山

書籍目錄

序前言第1章  固體介質(zhì)宏細觀組構(gòu)、結(jié)構(gòu)與特性第2章  流體的組構(gòu)與特性第3章  連續(xù)介質(zhì)理論與普遍的守恒定律第4章  流體在多孔介質(zhì)中的傳輸理論第5章  固體力學(xué)基礎(chǔ)第6章  傳熱學(xué)第7章  傳質(zhì)理論第8章  熱力學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)第9章  逾滲理論第10章  連續(xù)介質(zhì)理論的離散分析方法第11章  多孔介質(zhì)多場耦合作用的本構(gòu)規(guī)律第12章  多孔介質(zhì)多場耦合作用的理論架構(gòu)第13章  固體變形與液體滲流耦合作用及其應(yīng)用第14章  巖體變形與氣體滲流耦合作用與應(yīng)用第15章  氣液二相流體滲流與固體變形耦合作用與應(yīng)用第16章  固熱耦合作用與應(yīng)用第17章  固流熱耦合作用與地?zé)衢_采和核廢料處置第18章  巖體控制壓裂第19章  極不完全熱解反應(yīng)的熱流固化學(xué)耦合作用及油頁巖油氣開采第20章  較完全熱解反應(yīng)的THMC耦合作用與礦物開采第21章  較完全溶解反應(yīng)的THMC耦合作用與鹽礦水溶開采第22章  極不完全溶解反應(yīng)的THMC耦合作用與溶浸采礦參考文獻附錄

章節(jié)摘錄

插圖：面對千姿百態(tài)、種類繁多的自然界和復(fù)雜的物質(zhì)世界，如何來研究，如何提出具有共性的理論，這是科學(xué)界所面臨的重大難題。全世界科學(xué)的先哲們，用他們天才的智慧和驚人的膽識，從復(fù)雜的、運動著的物質(zhì)世界，找到了共性的東西，并抽象出了科學(xué)的概念，提出了科學(xué)的理論，才奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是如此之牢固，以至于對今天如此越壘越高、越建越大的科學(xué)大廈，沒有出現(xiàn)絲毫的基礎(chǔ)薄弱；另一方面，這套科學(xué)理論是如此之完美，以至于在建造科學(xué)大廈的同時，從未發(fā)生過分支學(xué)科間的矛盾。同步可以擴充基礎(chǔ)和建造高樓，這些獨具匠心的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，為后人贊嘆，介質(zhì)的概念、連續(xù)介質(zhì)理論就是這些獨具匠心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。站在科學(xué)的高度，從繁雜的、運動的物質(zhì)世界中，抽象簡化出本質(zhì)的、具有共性的科學(xué)特征的一種抽象物質(zhì)或科學(xué)概念就稱為介質(zhì)。也就是說介質(zhì)的概念已完全脫離了具體的物質(zhì)，它既不是金屬，也不是巖石；既不是水，也不是空氣，但卻包含了具體物質(zhì)的本質(zhì)屬性。在復(fù)雜的自然界，我們遇到了一大類物質(zhì)，它是多孔的，而且其中有流體賦存和傳輸，如土壤、礦層、含有孔隙與裂縫的巖石、過濾紙、砂過濾器等，都是多孔的材料或物質(zhì)，其中有水、氣等賦存和傳輸，如地下水含水層、油氣儲層、煤層氣儲層等，抽象稱為“多孔介質(zhì)”。它們都具有多孔、且孔中有流體賦存和運移的共同特點，我們將此類物質(zhì)稱為“多孔介質(zhì)”。但一塊具有孤立孔眼或孔洞的固體不能看成多孔介質(zhì)，而那些含有溶溝、溶洞的石灰?guī)r地層卻可以看成“多孔介質(zhì)”。多孔介質(zhì)的共同特征是①在多孔介質(zhì)占據(jù)的空間內(nèi)，固體骨架相應(yīng)遍布整個多孔介質(zhì)，固體骨架構(gòu)成的孔隙與裂隙比較狹窄，比面較大，且孔隙是隨機分布的；②其孔隙空間至少一部分是相互連通的。它們?yōu)榱黧w的流動提供了通道；③至少在孔隙的部分空間中存在一相流體，這就是多孔介質(zhì)的完整特征。綜合以上特征，可以給出多孔介質(zhì)的定義：以固體顆粒為背景，含有大量賦存與傳輸?shù)牧黧w的連通孔隙的一類介質(zhì)，稱為多孔介質(zhì)。描述物質(zhì)運動歷來就有兩種方法或兩種思想，即微觀運動方法和宏觀運動方法。大量的研究證明，從分子角度或從顆粒角度研究物質(zhì)的宏觀特性是行不通的。例如，納維爾于1889年從分子角度導(dǎo)出的固體變形運動方程，近代物理力學(xué)都極力想從分子水平給出宏觀特征，但都是不可行的。因此尋求一個適當(dāng)?shù)某叨群头椒?，恰?dāng)?shù)乇碚魑镔|(zhì)宏觀運動特性，就是“連續(xù)介質(zhì)”方法或理論。連續(xù)介質(zhì)的基本思想來源于多個方面：首先，牛頓物理學(xué)及其微積分學(xué)都是建立在連續(xù)的數(shù)學(xué)、連續(xù)的時空、連續(xù)的物質(zhì)觀之上，也就是說近代許多理論是“連續(xù)的”科學(xué)理論。

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《多孔介質(zhì)多場耦合作用及其工程響應(yīng)》是由科學(xué)出版社出版的。

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