三维多孔介质中的混沌混合

在稳态流动条件下，所有随机三维多孔介质固有的拓扑复杂性赋予了复杂的流动和输运动力学。已经证实，这种复杂性通过三维（3D）流体力学版本的 baker 映射产生持续的混沌平流，从而在分子扩散存在时快速加速标量混合。因此，孔隙尺度流体混合由混沌平流、分子扩散以及由孔隙壁处无滑移条件引起的流体粒子行经时间的宽（幂律）分布之间的相互作用所支配。为了理解和量化三维多孔介质中的混合，我们在一个模型三维开放多孔网络中考虑这些过程，并开发了一种新颖的拉伸连续时间随机游走（CTRW），它提供了与直接数值模拟吻合良好的孔隙尺度混合的解析估计。我们发现，三维多孔介质固有的混沌平流赋予了随纵向平流呈指数缩放的标量混合，而二维多孔介质相关的拓扑约束将混合限制为代数缩放。这些结果阐释了宽泛行经时间分布和复杂拓扑对多孔介质混合动力学的作用，并为解决这些机制的稀释和混合的宏观模型提供了构建模块。