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Poroelasticidad

La poroelasticidad es un campo de la ciencia de los materiales y la mecánica que estudia la interacción entre el flujo de fluidos, la presión y la deformación de sólidos a granel dentro de un medio poroso lineal y es una extensión de la elasticidad y el flujo del medio poroso (ecuación de difusión). [1] La deformación del medio influye en el flujo del fluido y viceversa. La teoría fue propuesta por Maurice Anthony Biot (1935, 1941) [2] como una extensión teórica de los modelos de consolidación de suelos desarrollados para calcular el asentamiento de estructuras colocadas en suelos porosos saturados de fluidos. La teoría de la poroelasticidad se ha aplicado ampliamente en geomecánica , [3] hidrología , [4] biomecánica , [5] mecánica de tejidos, [6] mecánica celular , [7] y micromecánica. [8]

Se puede desarrollar un sentido intuitivo de la respuesta de un medio poroso elástico saturado a la carga mecánica pensando o experimentando con una esponja saturada de fluido. Si se comprime una esponja saturada de fluido, el fluido fluirá desde la esponja. Si la esponja está en un depósito de fluido y posteriormente se elimina la presión de compresión, la esponja volverá a absorber el fluido y se expandirá. El volumen de la esponja también aumentará si se sellan sus aberturas exteriores y se aumenta la presión del fluido en los poros. Las ideas básicas que subyacen a la teoría de los materiales poroelásticos son que la presión del fluido en los poros contribuye a la tensión total en el medio de la matriz porosa y que la presión del fluido en los poros por sí sola puede tensar el medio de la matriz porosa. Hay movimiento de fluido en un medio poroso debido a las diferencias en la presión del fluido en los poros creadas por diferentes tensiones de volumen de poro asociadas con la carga mecánica del medio poroso. [9] En yacimientos no convencionales y rocas fuente de gas natural como el carbón y las pizarras, puede haber tensión debido a la sorción de gases como el metano y el dióxido de carbono en las superficies de la roca porosa. [10] Dependiendo de la presión del gas, la deformación basada en la sorción inducida puede ser de naturaleza poroelástica o poroinelástica. [11]

Tipos de poroelasticidad

Las teorías de poroelasticidad se pueden dividir en dos categorías: teorías estáticas (o cuasiestáticas) y dinámicas, [12] al igual que la mecánica se puede dividir en estática y dinámica. La poroelasticidad estática considera procesos en los que el movimiento del fluido y la deformación del esqueleto sólido ocurren simultáneamente y se afectan entre sí. La poroelasticidad estática es predominante en la literatura para poroelasticidad; como resultado, este término se usa indistintamente con poroelasticidad en muchas publicaciones. Esta teoría de poroelasticidad estática es una generalización de la teoría de consolidación unidimensional en mecánica de suelos . Esta teoría fue desarrollada a partir del trabajo de Biot en 1941. [2] La poroelasticidad dinámica se propone para comprender la propagación de ondas tanto en las fases líquida como sólida de materiales porosos saturados. Se incluyen la energía inercial y cinética asociada, que no se consideran en la poroelasticidad estática. Esto es especialmente necesario cuando la velocidad del movimiento de las fases en el material poroso es considerable, por ejemplo, cuando hay vibraciones o ondas de tensión. [13] La poroelasticidad dinámica se desarrolló atribuida al trabajo de Biot sobre la propagación de ondas elásticas en medios saturados de fluidos. [14] [15]

Literatura

Referencias para la teoría de la poroelasticidad:

Véase también

Referencias

  1. ^ M. Liu et al. Modelado multiescala de propiedades elásticas efectivas de materiales porosos llenos de fluidos International Journal of Solids and Structures (2019) 162, 36-44
  2. ^ ab Biot MA (1941-02-01). "Teoría general de la consolidación tridimensional". Revista de Física Aplicada . 12 (2): 155–164. Bibcode :1941JAP....12..155B. doi :10.1063/1.1712886. ISSN  0021-8979.
  3. ^ Cheng AH (2016). Poroelasticidad . Teoría y aplicaciones del transporte en medios porosos. Vol. 27. Springer. doi :10.1007/978-3-319-25202-5. ISBN 978-3-319-25200-1.S2CID240649873  .​
  4. ^ Wang HF (2000). Teoría de la poroelasticidad lineal con aplicaciones a la geomecánica y la hidrogeología . Princeton University Press.
  5. ^ Cowin SC (1999). "Poroelasticidad ósea". Revista de biomecánica . 32 (3): 217–38. doi :10.1016/s0021-9290(98)00161-4. PMID  10093022.
  6. ^ Malandrino, Andrea; Moeendarbary, Emad (2019), "Poroelasticidad de los tejidos vivos", en Narayan, Roger (ed.), Enciclopedia de ingeniería biomédica , Oxford: Elsevier, págs. 238-245, doi :10.1016/B978-0-12-801238-3.99932-X, ISBN 978-0-12-805144-3, Número de identificación del sujeto  186300583 https://www.researchgate.net/publication/321986395_Poroelasticity_of_Living_Tissues
  7. ^ Moeendarbary E, Valon L, Fritzsche M, Harris AR, Moulding DA, Thrasher AJ, Stride E, Mahadevan L, Charras GT (marzo de 2013). "El citoplasma de las células vivas se comporta como un material poroelástico" (PDF) . Nature Materials . 12 (3): 253–61. Bibcode :2013NatMa..12..253M. doi :10.1038/nmat3517. PMC 3925878 . PMID  23291707. 
  8. ^ Dormieux L, Kondo D, Ulm FJ (2006). Microporomecánica . Wiley. doi :10.1002/0470032006. ISBN 9780470032008.
  9. ^ Cowin SC, Doty SB, eds. (2007). Mecánica de tejidos . Springer. doi :10.1007/978-0-387-49985-7. ISBN . 978-0-387-36825-2.
  10. ^ Zoback, Mark D.; Kohli, Arjun H. (2019). Geomecánica de yacimientos no convencionales: gas de esquisto, petróleo de esquisto y sismicidad inducida. Cambridge: Cambridge University Press. doi :10.1017/9781316091869. ISBN 978-1-107-08707-1.ID S2C  197568886.
  11. ^ Saurabh, Suman; Harpalani, Satya (1 de enero de 2018). "La ley de tensión efectiva para rocas transversalmente isotrópicas sensibles a la tensión". Revista internacional de mecánica de rocas y ciencias mineras . 101 : 69–77. doi :10.1016/j.ijrmms.2017.11.015. ISSN  1365-1609.
  12. ^ Liu, Zhen (Leo). "Multifísica - Poroelasticidad y poromecánica". www.multiphysics.us . Consultado el 3 de octubre de 2018 .
  13. ^ Zhen (Leo) Liu (2018). Multifísica en materiales porosos. Springer. ISBN 9783319930275.
  14. ^ Biot, MA (abril de 1962). "Mecánica de la deformación y propagación acústica en medios porosos" (PDF) . Revista de Física Aplicada . 33 (4): 1482–1498. Bibcode :1962JAP....33.1482B. doi :10.1063/1.1728759. ISSN  0021-8979. S2CID  58914453.
  15. ^ Biot, MA (marzo de 1956). "Teoría de la propagación de ondas elásticas en un sólido poroso saturado de fluido. II. Rango de frecuencias más alto" (PDF) . The Journal of the Acoustical Society of America . 28 (2): 179–191. Bibcode :1956ASAJ...28..179B. doi :10.1121/1.1908241. ISSN  0001-4966.