具有表面弛豫的液体自扩散的MonteCarlo模拟.PDF

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具有表面弛豫的液体自扩散的MonteCarlo模拟

第26 卷 第1 期 计 算 物 理 Vol .26,No. 1 2009 年 1 月 CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS Jan. , 2009 [ ] ( 2009) 012 00422 07 Monte Carlo 蔡淑惠, 陈巧龙, 蔡聪波 ( 厦门大学物理系和通信工程系, 福建 厦门 361005) [ ] 研究多孔介质中液体的自扩散行为能获得介质的微观结构信息, 有助于了解介质中液体的传输性 质. 以具有不同孔隙大小的无限长圆柱体模型中的液体为对象, 采用Mont e Carlo 随机行走方法, 模拟存在表面 弛豫时液体的自扩散系数和核自旋 化强度随时间的变化, 导出将NMR 弛豫参数和随机行走参数联系在一起的 表达式. 结果表明 在快扩散区, 液体的核自旋 化强度随弛豫时间呈单指数衰减, 且自扩散系数在短时情况 下独立于表面弛豫率; 在慢扩散区, 液体的核自旋 化强度衰减和自扩散系数在短时情况下均与表面弛豫率无 关. 模拟结果与理论分析相吻合, 可用于求解介质的表面积与体积之比及孔径大小等结构信息. [ ] 自扩散; 表面弛豫; 化强度衰减; Monte Carlo 模拟 [ ] O4 1113 [ ] A 0 自扩散是物质的一种重要迁移运动. 通过研究多孔介质中液体的自扩散系数, 可以获得孔隙曲率和孔径 大小分布等微观信息, 有助于了解多孔介质中液体的渗透性、电导率等传输性质. 因此, 多孔介质中液体自扩 散系数的测量在石油工业和材料科学等领域都有重要的应用. 核 共振(NMR) 方法是目前唯一一种无破坏性的研究液体分子自扩散行为的方法. 利用NMR 方法研究 [ 1, 2] [ 3- 8] 液体自扩散的报道不少 , 也有一些模拟研究 . 然而, 这些模拟大多局限于自由扩散或简单的受限扩散 体系, 而且很少考虑体系的弛豫效应. 1979 年, Brownstein 和Tarr 首先把弛豫引入扩散之中, 并提出了/ 快速0 [ 9] 和/ 慢速0扩散机制, 解决了简单几何体如球体中扩散的理论方程 . 最近, Bhattacharya, Hidaj at 和Olayink 等 人采用随机行走方法模拟了多孔介质模型中液体的扩散- 弛豫过程[ 10- 12] , 算法比较复杂, 因此模拟的效率 不高. 考虑到实际体系中总是存在弛豫效应, 研究弛豫对扩散的影响具有现实的意义. 由于多孔介质中扩散 - 弛豫过程的复杂性, 精确的数学解析解通常难以获得, 计算机模拟在此显示了其优越性. 本文针对多孔介 质中液体的自扩散提出比较简单且模拟速度较快的均匀弛豫模型, 导出把NMR 弛豫参数和随机行走参数联 系起来的表达式, 模拟研究了具有不同孔隙大小的无限长圆柱体模型中液体的自扩散行为, 并将模拟结果与 理论预测相比较. 1 核自旋 化矢量从非平衡态恢复到平衡态的过程称为弛豫过程. 弛豫过程分为纵向弛豫和横向弛豫, 其 弛豫时间分别用T2 和T1 表示. 由于多孔介质表面通常含有顺 离子, 因此液体在多孔介质表面的弛豫速 率往往比其在多孔介质体内的弛豫速率大得多, 此时可以忽略体弛豫的影响. 假设介质孔隙中充满某种单组 分液体( 即孔隙的体积与液体的体积相等) , 不考虑辐射阻尼、偶极场以及射频脉冲和脉冲梯度场作用期间的 扩散效应( 即假设其作用时间趋于零) , 并且假设液体的扩散各向同性. 在脉冲梯度场自旋回波序列作用下, 其 化强度M( r , t) 满足方程[9] [ ] 2007- 07- 24; [ ] 2008- 0 1- 23

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