混沌对流是否本质上存在于非均质Darcy流中？

在所有尺度上，多孔材料在流体对流时搅拌间隙流体，导致物质和能量的复杂分布。特别值得关注的是多孔介质是否在Darcy尺度上天然诱导混沌对流，因为这些搅拌运动学深刻影响基本过程，如溶质传输和混合、胶体传输和沉积以及化学、地球化学和生物反应性。虽然许多研究报告了非均质Darcy流中混沌对流的特征性复杂传输现象，但也已证明在一大类Darcy流中混沌动力学是被禁止的。在本研究中，我们严格证明了在非均质多孔介质的所有实际模型中，稳态三维Darcy流本质上存在混沌对流。各向异性和非均质的三维水力传导率场生成流线的非平凡编织，导致混沌对流和（纯对流的）横向色散。我们证明稳态三维Darcy流与非定常二维流具有相同的拓扑结构，因此使用辫理论建立了横向色散度与Lyapunov指数之间的定量联系。我们表明混沌对流和横向色散在各向异性弱非均质和非均质弱各向异性传导率场中均出现，且这些现象之间的定量联系在广泛的传导率各向异性和非均质范围内持续存在。宏观混沌对流的普遍性对非均质多孔介质中承载的众多过程具有深远影响，并呼吁重新评估这些系统中的传输和反应方法。