近日，我院陈惠苏教授与合作单位在裂隙多孔介质逾渗理论研究方面取得重要进展。相关成果以“Universal percolation threshold mixing law in fractured porous media: Unifying shape and size polydispersity and dimensionality coupling”为题，发表于《Physical Review Letters》。论文第一作者为东南大学材料科学与工程学院博士生袁辉，通讯作者为陈惠苏教授，东南大学为第一完成单位和通讯单位，合作单位包括河北工业大学、燕山大学、河海大学。该研究针对传统逾渗模型无法兼顾裂隙多孔介质在维度、形状与尺寸多分散性耦合的核心难题，首次提出了一个统一描述多分散与维度耦合效应的通用逾渗阈值混合定律，为地下水文、油气藏开采、水泥基复合材料设计等领域的结构设计与性能调控提供了全新的理论支撑和计算方法。
渗流理论描述了复杂介质中“由局部连通到整体贯通”的临界跃迁，是地下含水层、油气储层、裂隙岩体以及水泥基复合材料等多相介质传输预测的重要理论基础。但真实工程材料与地质体中，孔隙与裂纹通常共存，呈现“体缺陷（孔隙）+面缺陷（裂纹）”的混合维度耦合结构，且二者的形状、尺寸均呈现出显著多分散性，使得传统单维度、单缺陷的逾渗模型难以表征实际体系的临界连通规律。现有研究多孤立分析孔隙或裂纹的渗流行为，忽略了二者几何特征与维度的耦合协同作用，导致对实际体系渗流阈值的预测存在较大偏差，如何建立兼顾多维度、多分散性的渗流阈值量化模型，成为该领域亟待解决的关键科学问题。
针对这一挑战，研究团队基于可重叠颗粒构建了孔隙-裂纹耦合网络模型，引入形状分散、尺寸分散以及维度耦合，并结合有限尺寸标度方法获取缺陷渗流阈值。在此基础上，首次建立了统一描述多分散与混合维度耦合效应的“缺陷渗流阈值混合定律”。研究表明，当孔隙与裂纹满足等效半径相同（单尺寸体系Reqp=Reqf，多尺寸体系Reqp,max=Reqf,max）时，可通过简洁的量化公式预测给定裂纹密度下的临界孔隙率，或给定孔隙率下的临界裂纹密度。该定律在不同维度组合、不同形貌类型及不同多分散模式下均表现出良好的普适性。该成果超越了传统连续渗流模型的“单一形态与单一维度假设”，为理解不同缺陷组分如何调控渗流网络形成提供了定量依据，也为耐久性导向的材料设计提供了理论支撑。
研究工作得到了东南大学材料学院及重大基础设施工程材料全国重点实验室等相关科研平台的支持，并获得国家自然科学基金项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/8phh-rl9x
陈惠苏教授工作于东南大学材料科学与工程学院，主要从事基于粒子堆积建模的水泥基复合材料组成-结构-性能多尺度建模、微结构统计定量表征、镁质胶凝材料水化反应热力学建模及裂纹自愈合建模等方面的研究工作。相关成果发表于Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites、Composites Part B、Physical Review Letters、International Journal of Heat and Mass Transfer、Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering等国际权威期刊。
