[论文解读] Drying by cavitation and poroelastic relaxations in extreme ink-bottle porous media

Olivier Vincent, David A. Sessoms+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Fluid Dynamics and Thin Films被引用 2

一句话总结

本研究探讨了具有双峰孔径结构的极端瓶状多孔介质中的干燥过程，其中纳米级孔隙阻碍空气进入，而微孔则经历由空化驱动的干燥。确定性多孔弹性质量传输与随机成核之间的相互作用产生了时空模式，包括振荡的干燥速率和粗糙的干燥前沿，揭示了多孔系统中一种新型的反应-扩散行为。

ABSTRACT

We investigate the drying dynamics of porous media with two pore diameters separated by several orders of magnitude. Nanometer-sized pores at the edge of our samples prevent air entry, while drying proceeds by heterogeneous nucleation of vapor bubbles (cavitation) in the liquid in micrometer-sized voids within the sample. We show that the dynamics of cavitation and drying are set by the interplay of the deterministic poroelastic mass transport in the porous medium and the stochastic nucleation process. Spatio-temporal patterns emerge in this unusual reaction-diffusion system, with temporal oscillations in the drying rate and variable roughness of the drying front.

研究动机与目标

• 理解具有极端孔径差异的多孔介质中的干燥动力学，特别是瓶状几何结构中的情况。
• 研究纳米级孔隙在阻止空气侵入并促进较大空腔中空化方面的作用。
• 分析多孔弹性质量传输与随机成核如何共同控制干燥动力学。
• 识别干燥前沿演化过程中出现的新兴时空模式。

提出的方法

• 对具有双峰孔径网络（包括纳米级和微米级孔隙）的多孔介质进行干燥的实验研究。
• 利用原位成像技术实时追踪干燥前沿的推进过程及空化事件。
• 将系统建模为涉及多孔弹性质量传输和随机成核的反应-扩散过程。
• 分析干燥速率的时间振荡与干燥前沿空间粗糙度。
• 量化确定性流体流动（多孔弹性）与随机气泡成核事件之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 阻碍空气进入的纳米级孔隙的存在如何影响多孔介质中的干燥动力学？
• RQ2 在微米级空腔内，蒸汽泡的异质成核（空化）在干燥过程中起什么作用？
• RQ3 多孔弹性质量传输与随机成核如何相互作用以塑造干燥动力学？
• RQ4 由于这种相互作用，干燥前沿会涌现出何种时空模式？

主要发现

• 干燥通过微米级空腔中的空化进行，由蒸汽泡的异质成核驱动。
• 动力学由确定性多孔弹性质量传输与随机成核过程的耦合所主导。
• 观察到干燥速率的时间振荡，表明空化事件具有周期性。
• 干燥前沿表现出可变的粗糙度，反映出成核与传输的非均匀性。
• 由于扩散、弹性与随机成核之间的非线性相互作用，出现了时空模式。