空气-水两相细砂介质中渗吸过程的动态非平衡效应：实验室尺度下关键参数与机制解析

本研究通过精细控制实验系统探究了细砂介质中渗吸过程(imbibition)的动态非平衡效应(DNEs)，揭示了水饱和度阈值(~0.43)对毛细压力滞后序列的调控规律，提出Δt1、Δt2、DPMAX和动态系数τ作为量化DNEs的关键参数，为多孔介质两相流建模提供实验依据。

　　

Highlight

本研究亮点在于首次系统揭示了渗吸过程中动态非平衡效应(DNEs)的时序特征：当水饱和度(S_w)低于0.43时，毛细压力极值呈现"DP_MAX→RS_MAX→P_MIN→S_MAX"的递进序列；而在连续渗吸中则演变为"RS_MAX→S_MAX→P_MIN→DP_MAX"的同步响应模式。

Disparity in equilibrium times between drainage and imbibition steps

排水与渗吸步骤的平衡时间差异：渗吸初期，高含水量砂介质中水膜迁移路径较短，大孔隙仍被水体主导，相间界面调整速度显著快于排水过程。但随着S_w降低至0.43以下，界面重构需要克服更大的毛细能垒，导致DNEs响应延迟。重力作用通过改变毛细连接处压力梯度，会诱发指流(fingering flow)等微观不稳定性，这种双重动力学约束使得渗吸过程的平衡时间比排水长2-3个数量级。

Conclusions

(1) 渗吸DNEs的核心表征参数包括：毛细压力与水饱和度的初始响应滞后时间(Δt₁)、P_MIN与S_MAX的相位差(Δt₂)、最大动态毛细压差(DP_MAX)及动态系数τ。

(2) 当S_w>0.43时，DNEs强度与水饱和度呈正相关，而τ值却随S_w增加而降低，这种反常关联暗示孔隙尺度界面松弛机制的转变。

(3) 毛细数(Ca)对DNEs的解释力弱于ΔS_w/Δt，证实传统无量纲参数在渗吸过程中的局限性。