多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用.pdf

第31卷第6期 固体力学学报 V01．31No．6 CHINESE OFSOLIDMECHANICS 20lO年12月 JOURNAL December2010 多孔介质的热一电一化一力学耦合理论及应用。 杨庆生1 秦庆华2“ 马连华1 0zoo) (1北京工业大学工程力学系，北京，100124)(2澳大利亚国立大学工程系，堪培拉，ACT 摘要本文针对自然界中不同种类的多孔介质，评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现 状．介绍了研究多场耦合问题的理论架构，并基于Biot唯象理论和热力学理论，建立了一般性的热一电一化一力学多场 耦合理论，在此基础上，以化学一力学耦合理论为特例，利用相应的控制方程和本构关系，给出了线性耦合系统的变 分原理，并证明了化学一力学耦合理论架构的封闭性．基于所提出的化一力耦合模型，通过数值算例解释了多孔介质 中的化学一力学耦合现象．最后对多孔介质，特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨 论，并展望了本领域的未来发展趋势． 关键词 多孔介质。热一电一化一力学耦合，本构方程，变分原理，有限元 反应等物理化学效应与力学场的耦合现象引起国内 O 引言 外学者的浓厚兴趣[3]．例如新型响应性水凝胶、生物 软组织等作为特殊的多孔介质具有导电性，膨胀性 自然界中的多孔介质通常是由含许多孔隙的固 和高分子兼容性，通常在潮湿条件下工作，在电化学 体骨架和自由流动的间隙流体所组成，是多相物质 场驱动下会产生化学能与机械能的转化，即化一力耦 共存的一种组合体．一些天然介质(土壤，油气层 合现象．化学效应的引人大大增加了多场耦合问题 等)，人造材料(活性炭，木材，混凝土，人造水凝胶 的难度，对力学工作者是一个挑战．本文在简要介绍 等)，生物体(生物软组织，细胞，微细血管网络等)均 多孑L介质多场耦合现象的基础上，主要针对几种不 属于多孑L介质的范畴．多孔介质在其渗流，迁移，传 同研究对象(如混凝土与黏土、离子聚合物与响应性 质以及力学或化学作用下通常会产生电一热一化一力等 水凝胶、生物软组织等)，对含有化学场效应的多场 多场耦合作用．从现象上看，这些多孑L介质通过多场 耦合问题的国内外研究进展进行简要综述，并阐述 耦合与能量转换，能够感知外界环境的变化，并能够 有关基本理论，计算格式和数值算例，最后对这类耦 自动进行调整以适应外界的变化，从而表现出多场 合问题的发展趋势进行了展望． 耦合与智能材料的性能特点．对这种耦合特性的研 究广泛涉及地质、环境、材料、生物、医学、物理化学 1 多孔介质多场耦合力学问题的研究现状 等多个学科领域． 近几十年来，有关多孔介质的多场耦合问题的 1．1 混凝土与黏土的多场耦合力学问题 研究得到了快速发展，也越来越受到国内外学者的 多孔介质的多场耦合力学问题的研究始于土力 关注[1]．这方面的研究涉及许多领域，如土壤的化 学中的饱和土流固耦合问题．Biot[4]针对饱和土的 学一热一湿一力学耦合过程，响应性水凝胶的化一力一电 变形和固结现象，首先建立了考虑固体和流体相互 耦合以及生物软组织的多场耦合机理等．这些材料 作用的饱和土固结方程和理论框架．将经典渗流力 兼具有结构和功能的双重特性，能够实现非机械能 学与弹性力学或塑性力学结合，用于描述孔隙流体 (热、电、化)与机械能之间的能量转换．在传统的多 与多孔介质相互作用，采用宏观连续介质方法处理 场耦合问题中大多涉及热一电一磁一力等物理场的耦合 多孔介质流固