Моделирование добавочного давления и удельной поверхности раздела «жидкость-газ» идеализированных пористых сред
Разработано программное средство, позволяющее использовать численные методы, для определения давления почвенной влаги в идеализированных моделях с учетом контактного угла смачивания и распределения частиц по размерам. В работе проиллюстрирована оценка удельной поверхности раздела «жидкость-газ» для «манжетной» влаги - удерживаемой капиллярными силами в местах контактов частиц, оценено давление. Согласно теории подобия каждая задача должна рассматриваться в своих, характерных для нее переменных. Форма, площадь поверхности и пр. характеристики типичной «манжеты» довольно хорошо изучены (K. Fischer, L. Radushkevich). В данных работах форма манжеты рассматривается как часть окружности, цепной линии нодоида Плато и др., а форма поверхность манжеты вычисляется как «минимальная» - обладающая минимумом свободной поверхностной энергии при данном объеме влаги. Поскольку поверхность манжеты находится в равновесном состоянии, для ее описания, используется цепная линия равного натяжения k2 - ln cos k1x, а константы k1 и k2 определяются из начальных и граничных условий. В точке контакта между касательными к кривым, описывающим поверхность манжеты и поверхность почвенной частицы (в качестве частиц могут выступать шары, эллипсоиды и пр.), должен быть угол, равный контактному углу смачивания . Поскольку тангенсы углов наклона определяются производными, то из учета известной разности углов, определяется различие в тангенсах и, соответственно определяется константа k1. При нахождении константы k2 необходимо использовать равенство значений функций, описывающих поверхности жидкости и образующих почву частиц на границе контакта. Выбор начала координат, соответствующий точке касания двух почвенных частиц, позволяет упростить определение кривизны поверхности. Для нулевой координаты, согласно классическому определению радиуса кривизны к цепной линии равного натяжения, можно вычислить R1 = k1-2, а радиус кривизны в перпендикулярном направлении R2 = k2 определен как минимум, симметричной относительно нулевой координаты, цепной линии. Теперь пользуясь формулой Лапласа можно определить давление почвенной влаги. Используя для каждой конкретной модели координационное число, описывающее количество точек контакта с соседними почвенными частицами, можно, зная распределение частиц по размерам, определить и общую удельную поверхность конденсированной фазы. Для этого используется классическая формула для определения поверхности вращения, где в качестве изучаемой функции используется цепная линии равного натяжения. Она же применяется для вычисления объема тела вращения, который за вычитанием объема частиц почвы, равен объему влаги. Таким образом, для заданного распределения частиц по размерам можно вычислить избыточное давление p и объем воды V, связь между которыми определяет основную гидрофизическую характеристику почв. Следует отметить, что при современном состоянии реализации численных методов, нет необходимости в аналитическом представлении результатов интегрирования, которые и не всегда возможны для описания ответов, вследствие использования решений трансцендентных уравнений (например, для производной в точке контакта - k1 tg k1x = x). Распределение пор почвы по размерам и их взаимное расположение демонстрируют самоподобие и поскольку образование агрегатов почвы происходит на разных масштабах и часто обладает фрактальными свойствами, можно, зная пористость элементарной ячейки и пористость образца почвы, рассчитать, предфракталом какого уровня можно ограничиться при моделировании. Поэтому предложенный метод, сочетающий численные методы и фрактальный анализ, обеспечивает точное описание гидрофизических свойств почв с учетом их морфологической неоднородности.