多孔介質多場耦合作用及其工程響應

前言

我高興地拜讀了太原理工大學趙陽升教授撰寫的學術專著《多孔介質多場耦合作用及其工程響應》，深感這是一本經過長期系統(tǒng)研究而精心完成的佳作，實在難能可貴、可喜可賀！多孔介質多場耦合作用問題是最近由固體力學、滲流力學、傳熱傳質學、物理化學、反應理論等眾多學科與多門工程科學相互交叉、融合而形成的一門新興邊緣學科。二十多年來，趙陽升教授及其學術團隊在承擔國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目和多項國家自然科學基金面上項目的基礎上，研發(fā)了一系列新的實驗設備，揭示出多個多孔介質多場耦合作用的表觀現(xiàn)象及其演化規(guī)律，如經修正的土體有效應力規(guī)律、三維應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。結合資源、能源開發(fā)與巖土工程建設，書中提出了固氣耦合、固液耦合、固流熱耦合、固流熱傳質耦合的數學模型及其數值解法，并使之直接應用于溶浸采礦、煤層氣和地熱開采、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，這在國內外學術界均屬罕見，具有相當的深度和新意。該書是一本系統(tǒng)論述該學科領域，并將理論、實驗與工程技術結合為一體的力作，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、固體力學、傳熱傳質學、熱力學與反應動力學、逾滲理論等的核心內容及其數值解法，并將其作為該書的理論基礎，再后用大量篇幅詳細論述了各種多孔介質多場耦合作用的實驗方法、實驗設備和新的物性規(guī)律；用單獨一章細致演引了多孔介質多場耦合作用的力學機理與理論架構，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規(guī)律，以及由作者提出的諸類相關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，也涵蓋了國內外相關科技論文的部分最新進展。趙陽升教授早年曾在同濟大學我處攻讀工學博士學位（1989－1992），主要從事多孔介質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用”的博士學位論文得到了評審專家的高度贊揚，并于1994年完成了他在該學科領域的初作《礦山巖石流體力學》，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，團結帶領一支不斷壯大的學術團隊，默默耕耘于這一新興邊緣學科的基礎實驗與理論創(chuàng)新，孜孜不倦地在科學理論的指導與推動下謀求采礦工程技術的進步，在這條艱難而又極富活力的道路上不斷攀登，并據以發(fā)展了多項該領域的新工藝與新設備，獲得了國家技術發(fā)明獎和多項省部級一等獎。這些工作凝結升華而成今日之巨篇，應視其為一部在相關學科與工程領域深富學術內涵、又有重要理論與工程實用價值的專著。

內容概要

全書共22章，系統(tǒng)論述與介紹了多孔介質多場耦合作用這一新興學科領域的理論、實驗、工程技術的各個方面。本書先介紹了多孔介質固體、流體特性與普遍的守恒定律以及滲流力學、固體力學、傳熱傳質學、熱力學與反應動力學、逾滲理論、數值解法的核心內容，這些也是本書的基礎理論。本書用12章的篇幅介紹了各種多孔介質多場耦合作用的實驗方法、實驗設備和新的物性規(guī)律，詳細論述了其理論架構、各類耦合問題的理論、相關工藝與工程實例。書中內容囊括了作者及其學術團隊二十多年的大量研究成果，也涵蓋了國內外相關研究的最新進展。    本書可作為資源能源、土木、環(huán)境、地質、力學、物理學、化學等工程與科學領域的工程技術人員、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、博士生導師、長江學者，現(xiàn)任太原理工大學礦業(yè)工程學院院長、采礦工藝研究所所長。長期從事采礦工程與巖石力學領域的教學科研工作，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  固體介質宏細觀組構、結構與特性第2章  流體的組構與特性第3章  連續(xù)介質理論與普遍的守恒定律第4章  流體在多孔介質中的傳輸理論第5章  固體力學基礎第6章  傳熱學第7章  傳質理論第8章  熱力學與反應動力學第9章  逾滲理論第10章  連續(xù)介質理論的離散分析方法第11章  多孔介質多場耦合作用的本構規(guī)律第12章  多孔介質多場耦合作用的理論架構第13章  固體變形與液體滲流耦合作用及其應用第14章  巖體變形與氣體滲流耦合作用與應用第15章  氣液二相流體滲流與固體變形耦合作用與應用第16章  固熱耦合作用與應用第17章  固流熱耦合作用與地熱開采和核廢料處置第18章  巖體控制壓裂第19章  極不完全熱解反應的熱流固化學耦合作用及油頁巖油氣開采第20章  較完全熱解反應的THMC耦合作用與礦物開采第21章  較完全溶解反應的THMC耦合作用與鹽礦水溶開采第22章  極不完全溶解反應的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雜的物質世界，如何來研究，如何提出具有共性的理論，這是科學界所面臨的重大難題。全世界科學的先哲們，用他們天才的智慧和驚人的膽識，從復雜的、運動著的物質世界，找到了共性的東西，并抽象出了科學的概念，提出了科學的理論，才奠定了科學的基礎。這個基礎是如此之牢固，以至于對今天如此越壘越高、越建越大的科學大廈，沒有出現(xiàn)絲毫的基礎薄弱；另一方面，這套科學理論是如此之完美，以至于在建造科學大廈的同時，從未發(fā)生過分支學科間的矛盾。同步可以擴充基礎和建造高樓，這些獨具匠心的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，為后人贊嘆，介質的概念、連續(xù)介質理論就是這些獨具匠心的科學發(fā)現(xiàn)之一。站在科學的高度，從繁雜的、運動的物質世界中，抽象簡化出本質的、具有共性的科學特征的一種抽象物質或科學概念就稱為介質。也就是說介質的概念已完全脫離了具體的物質，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的本質屬性。在復雜的自然界，我們遇到了一大類物質，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，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”。它們都具有多孔、且孔中有流體賦存和運移的共同特點，我們將此類物質稱為“多孔介質”。但一塊具有孤立孔眼或孔洞的固體不能看成多孔介質，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”。多孔介質的共同特征是①在多孔介質占據的空間內，固體骨架相應遍布整個多孔介質，固體骨架構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，這就是多孔介質的完整特征。綜合以上特征，可以給出多孔介質的定義：以固體顆粒為背景，含有大量賦存與傳輸的流體的連通孔隙的一類介質，稱為多孔介質。描述物質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的宏觀特性是行不通的。例如，納維爾于1889年從分子角度導出的固體變形運動方程，近代物理力學都極力想從分子水平給出宏觀特征，但都是不可行的。因此尋求一個適當的尺度和方法，恰當地表征物質宏觀運動特性，就是“連續(xù)介質”方法或理論。連續(xù)介質的基本思想來源于多個方面：首先，牛頓物理學及其微積分學都是建立在連續(xù)的數學、連續(xù)的時空、連續(xù)的物質觀之上，也就是說近代許多理論是“連續(xù)的”科學理論。

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《多孔介質多場耦合作用及其工程響應》是由科學出版社出版的。

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