HarbinInstituteofTechnology傳熱學(xué)課程報(bào)告報(bào)告題目：多孔介質(zhì)傳熱學(xué)概論院系：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：二零一二年十月摘要：本文對(duì)多孔介質(zhì)及其根本結(jié)構(gòu)、傳熱傳質(zhì)的理論根底做了相關(guān)介紹，并對(duì)多孔材料的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明和預(yù)期。關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；傳熱學(xué) ；孔隙率；滲透率；導(dǎo)熱系數(shù)1多孔介質(zhì)簡(jiǎn)介多孔介質(zhì)是由固體骨架和流體組成的一類復(fù)合介質(zhì)，其傳熱傳質(zhì)過(guò)程在自然界和人類生產(chǎn)、生活中廣泛存在，它構(gòu)成了地球生物圈的物質(zhì)根底。從學(xué)科開(kāi)展的角度看，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)已經(jīng)滲透到許多學(xué)科和新技術(shù)領(lǐng)域，包括能源、材料、化學(xué)工程、環(huán)境科學(xué)、生物技術(shù)、仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)工程，是形成新的交叉和邊緣學(xué)科的一個(gè)潛在生長(zhǎng)點(diǎn)。因此，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究，是一項(xiàng)具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值、對(duì)學(xué)科開(kāi)展和技術(shù)創(chuàng)新具有深遠(yuǎn)影響的研究課題?；\統(tǒng)地說(shuō)，大局部材料都屬于多孔介質(zhì)，目前還沒(méi)有對(duì)多孔介質(zhì)各種特性確實(shí)定性作出準(zhǔn)確的定義。1983年J.Bear提出多孔介質(zhì)具有以下特點(diǎn)：(1)局部空間充滿多相物質(zhì)，至少其中一相物質(zhì)是非固態(tài)的，可以是液態(tài)或氣態(tài)。固相局部稱為固相基質(zhì)。多孔介質(zhì)內(nèi)部除了固相基質(zhì)外的空間稱為空隙空間。(2)固相基質(zhì)分布于整個(gè)多孔介質(zhì)，在每個(gè)代表性初級(jí)單元均應(yīng)有固相基質(zhì)。(3)至少一些空隙空間應(yīng)該是相聯(lián)通的。2多孔介質(zhì)的根本結(jié)構(gòu)特征2.1多孔介質(zhì)的孔隙率多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，我們不可能精確地描述這些孔隙外表的幾何形狀，也很難確切地說(shuō)明孔隙空間所包含的流體及其與固體外表相互作用所出現(xiàn)的有關(guān)微觀物理現(xiàn)象。因此研究者往往引入“容積平均〞的假設(shè)，并且將復(fù)雜多相的多孔體系看成一種在大尺度上均勻分布的虛擬連續(xù)介質(zhì)，即不同流速層中流體分子間碰撞交換動(dòng)量，宏觀表現(xiàn)為流體是以粘滯形式出現(xiàn)的流動(dòng)，從而可以利用表觀當(dāng)量參數(shù)的唯象方法進(jìn)行研究，而不必去研究每一個(gè)孔隙中流體流動(dòng)和換熱的情況，使一個(gè)原本非常復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題得以簡(jiǎn)化?？紫堵时硎径嗫捉橘|(zhì)中孔隙所占份額的相對(duì)大小，有體積孔隙率、面積孔隙率、和線孔隙率之分。實(shí)際所用的多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)是非均勻的，其物理化學(xué)性質(zhì)是各向異性的。并且孔隙率隨多孔介質(zhì)在不同區(qū)域而不同。Roblee等和Benenati試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，近壁面處，體積孔隙率的值常有較大的波動(dòng)。Fu和Huang等通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了任意孔隙率模型對(duì)多孔介質(zhì)換熱性能的影響。實(shí)際上，對(duì)于各向同性的均勻多孔介質(zhì)而言，體積孔隙率和面積孔隙率是分布均勻的，并且可以證明，體積孔隙率和面積孔隙率是相等的。所以可以統(tǒng)稱為多孔介質(zhì)的孔隙率，常用ε表示。2.2多孔介質(zhì)的滲透率多孔介質(zhì)，原那么上都是可以滲透的，除非周邊被封死，流體可以從一側(cè)滲透到另一側(cè)，但在相同的壓力差下容許滲透的流體流量將受到多孔介質(zhì)特性的制約。滲透率是由Darcy定律所定義的，它是多孔介質(zhì)的一個(gè)重要特性參數(shù)，表述了在一定流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)下，流體通過(guò)多孔材料的難易程度.可以說(shuō)，它表達(dá)了多孔介質(zhì)對(duì)流體的傳輸性能。由Darcy定律知:式中，J為流體的速度;μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù);K表征流體的滲透能力，稱為“滲透率〞。式(1-1)完全類似于粘性流體的牛頓定律、導(dǎo)熱的傅里葉定律以及擴(kuò)散的費(fèi)克定律。(對(duì)于各相同性均勻介質(zhì)，K為常數(shù)，對(duì)于一般的各相異性多孔介質(zhì)，K為一張量)。2.3多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在兩個(gè)平行平板之間填充均勻多孔介質(zhì)，平行板溫度分別保持為t1和t2(t1>t2)，其孔隙率為ε，兩平板相距S。流體靜止，無(wú)相變，此時(shí)熱量從溫度為t1的平板通過(guò)多孔介質(zhì)導(dǎo)熱傳遞給溫度為t2的平板。熱流量Q相當(dāng)于經(jīng)由固體骨架傳遞的熱量Qs和經(jīng)由靜止流體傳遞的熱量Qf之和，且相互接觸的界面保持局部熱力學(xué)平衡。在常物性條件下，可有:式中λs和λf分別為固體骨架和靜止流體的導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)s和Ff分別為固相和流體相的導(dǎo)熱面積。由此定義多孔介質(zhì)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λe為:當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λe是多孔介質(zhì)的重要性質(zhì)，取決于宏觀己知的孔隙率ε和骨架材料與流體本身的導(dǎo)熱系數(shù)，與容器形狀、幾何尺寸等無(wú)關(guān)。3多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論根底多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱過(guò)程主要包括(1)固體骨架與固體顆粒之間存在或不存在接觸熱阻時(shí)的導(dǎo)熱過(guò)程；(2)流體〔液體、氣體或兩者均有〕的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱過(guò)程；(3)流體與固體顆粒之間的對(duì)流換熱過(guò)程；(4)固體顆粒之間、固體顆粒與空隙中氣體之間的輻射過(guò)程。多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)過(guò)程包括：(1)分子擴(kuò)散。這是由于流體分子的無(wú)規(guī)那么隨即運(yùn)動(dòng)或固體微觀粒子的運(yùn)動(dòng)而引起的質(zhì)量傳遞，它與熱量傳遞中的導(dǎo)熱機(jī)理相對(duì)應(yīng)。(2)對(duì)流傳質(zhì)。這是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的質(zhì)量傳遞，它既包括流體與固體骨架壁面之間的傳質(zhì)，也包括兩種不混溶的流體之間的對(duì)流傳質(zhì)。 熱量既可以通過(guò)固體骨架的導(dǎo)熱，又可借助流體的導(dǎo)熱和對(duì)流傳遞。質(zhì)量的傳遞那么表現(xiàn)在孔隙中流體的流動(dòng)，且常伴有相變，并且它的孔隙結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，很難對(duì)微孔中的流體流動(dòng)和能量運(yùn)輸進(jìn)行詳細(xì)的描述。在無(wú)化學(xué)反響的過(guò)程中，多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)勢(shì)為：壓力梯度、濃度梯度、溫度梯度。4多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究方法在揭示各相物質(zhì)內(nèi)部及相互間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞規(guī)律方而，前人普遍采用了理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等各種研究手段。理論研究方法可分為分子水平、微觀水平和宏觀水平三類，其中宏觀水平的研究方法較為常用。這是由于分子水平的研究對(duì)象是流體的分子運(yùn)動(dòng)，所涉及的數(shù)學(xué)方程多且難于求解。微觀水平的研究方法將多孔介質(zhì)中的固體骨架及其孔隙中的流體視為流體連續(xù)介質(zhì)，研究對(duì)象是流體質(zhì)點(diǎn)或微元體，但要把其中固體骨架邊界微細(xì)結(jié)構(gòu)處的傳熱和流動(dòng)情況作為邊界條件，而對(duì)此的定量描述既困難又不準(zhǔn)確。宏觀水平的研究方法也持連續(xù)介質(zhì)的觀點(diǎn)，取包含研究點(diǎn)在內(nèi)的一個(gè)很小區(qū)域(遠(yuǎn)小于整個(gè)流體區(qū)域，但比單個(gè)孔隙空間大得多)為控制體(稱作表征體元REV)，在REV上對(duì)流體參數(shù)和固體參數(shù)實(shí)行體積平均，獲得假想介質(zhì)在REV上的平均參數(shù)，進(jìn)而分析其中的傳熱和流動(dòng)過(guò)程。由于宏觀方法所依據(jù)的物理模型與客觀的微觀運(yùn)動(dòng)情況有一定偏差，所以其研究結(jié)果往往不能與實(shí)測(cè)結(jié)果完全吻合。在多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究中，如果固相骨架和孔隙流體之間的熱交換充分，那么在根本單元體內(nèi)固相骨架和孔隙流體的溫度相等，此時(shí)可采用局部熱平衡模型進(jìn)行理論研究和分析。5多孔介質(zhì)傳熱的應(yīng)用多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的過(guò)程在人類生產(chǎn)活動(dòng)和自然界廣泛存在。如：土壤是地球生物圈內(nèi)一切生物賴以生存的主要根底之一，也是人類社會(huì)開(kāi)展的重要根基，自有文明以來(lái)，人們就開(kāi)始注意土壤及其灌溉與作物生長(zhǎng)的關(guān)系。自把現(xiàn)代的科學(xué)方法應(yīng)用于研究土壤和地下含水層中的水分遷移以來(lái)，土壤學(xué)和地下水文學(xué)便成為研究多孔介質(zhì)最早的幾個(gè)學(xué)科。人們將生產(chǎn)中排出的有害廢水注人地下或排人江河湖泊，由于地下含水層中存在溫度梯度而產(chǎn)生的自然對(duì)流，引起了污染源在地下含水層中的擴(kuò)散，從而直接或間接地對(duì)人類健康和生存帶來(lái)嚴(yán)重的危害。地下巖層中的石油、天然氣和水是自然界多孔介質(zhì)中一種復(fù)雜的多元體系，研究油、氣的開(kāi)采、特別是石油的熱采技術(shù)，促使石油工程學(xué)對(duì)多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。地?zé)豳Y源的勘測(cè)評(píng)估和開(kāi)發(fā)利用以及利用土壤巖層作為蓄熱蓄冷介質(zhì)，也需應(yīng)用類似的理論與技術(shù)。在地質(zhì)工程中，研究雪崩現(xiàn)象及其防止對(duì)策，同樣要涉及到多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)問(wèn)題。所有這些說(shuō)明二多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)(包括滲流的流動(dòng)形態(tài)等)的研究，對(duì)于由不同學(xué)科組成的“地球資源環(huán)境科學(xué)和技術(shù)〞這一新領(lǐng)域的開(kāi)展來(lái)說(shuō)，是涉及地球巖石圈、水圈和生物圈資源的開(kāi)發(fā)利用，涉及各圈層之間相互依存作用環(huán)境的根底性很強(qiáng)和應(yīng)用背景十分廣泛的一項(xiàng)具有重要意義的研究。為了充分利用自然能源，開(kāi)展我國(guó)古老的窖藏技術(shù)使之現(xiàn)代化、大型化，人們利用地下洞庫(kù)夏天儲(chǔ)熱，冬天蓄冷，這一研究正逐步到達(dá)實(shí)用階段，其中就涉及到如何利用多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱或者隔熱保溫的問(wèn)題。現(xiàn)代建筑業(yè)采用的輕型建筑材料和結(jié)構(gòu)材料，大多屬于多孔性或者纖維性多孔結(jié)構(gòu)。這些建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隔熱結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞特性將直接影響到建筑物的能源消耗和居住者的舒適感。多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)—熱濕遷移的研究已成為建筑熱工的一個(gè)重要組成局部。在現(xiàn)代鑄造技術(shù)領(lǐng)域中，一方面鑄造型砂的熱性能的研究和控制對(duì)大型鑄鐵的澆鑄質(zhì)量及防止熱裂問(wèn)題起關(guān)鍵性作用;另一方面，在金屬凝固過(guò)程中，液固相的交界面附近存在著液固共處的兩相區(qū)，由于溫差作用，引起液態(tài)金屬在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生多孔介質(zhì)自然對(duì)流問(wèn)題。因此，多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)在鑄造技術(shù)領(lǐng)域中是影響鑄造質(zhì)量的一個(gè)重要研究課題。在化工領(lǐng)域的顆粒床層化學(xué)反響器中，多孔介質(zhì)的熱質(zhì)遷移特性決定著反響器的催化反響速度和效率。煤的沸騰燃燒也可被看作是固體骨架未被固定的流變性多孔介質(zhì)化學(xué)反響器。當(dāng)代許多制造業(yè)，包括農(nóng)林產(chǎn)品和食品加工業(yè)，其枯燥過(guò)程是一個(gè)主要的耗能環(huán)節(jié)，改造和開(kāi)展枯燥技術(shù)，也要求對(duì)含濕多孔介質(zhì)中傳熱傳質(zhì)進(jìn)行根本研究。在核反響堆的燃料棒殼內(nèi)，是顆粒核燃料的多孔介質(zhì)，研究其中的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，對(duì)防止局部性核燃料消耗速度過(guò)大，延長(zhǎng)燃料棒整體工作壽命以及確保運(yùn)行平安，具有積極意義。熱管已在航天領(lǐng)域和節(jié)能技術(shù)中得到一定程度的推廣應(yīng)用。熱管的管芯常用毛細(xì)多孔材料制造。對(duì)多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究，勢(shì)必對(duì)開(kāi)展熱管技術(shù)起到促進(jìn)作用。多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究與動(dòng)、植物研究密切相關(guān)。如植物中的水分遷移和能量傳遞，水分的吸收和蒸發(fā)都是在多孔介質(zhì)中進(jìn)行的;土壤肥力的保存、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程化和節(jié)水農(nóng)業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用;動(dòng)物冬眠時(shí)其皮層熱絕緣性能的變化;人體通過(guò)排汗自動(dòng)調(diào)節(jié)體溫等等。綜觀上述，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究對(duì)于改造自然、造福人類具有重要意義。6多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究的展望從廣義上講，當(dāng)多孔體孔隙率為0時(shí)，即為通常的固體;當(dāng)孔隙率為1時(shí)，那么為通常的流體，在0-1之間的孔隙率的物質(zhì)，均可視為多孔體。因此，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、資源、航天、地質(zhì)、材料、化工、建筑、環(huán)境和生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系。多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究涉及到多個(gè)根底與技術(shù)學(xué)科，有助于促進(jìn)跨學(xué)科和邊緣學(xué)科的形成和開(kāi)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)將繼續(xù)作為工程熱物理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題而得到開(kāi)展和深化，并將對(duì)工農(nóng)業(yè)的開(kāi)展和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生重大的影響?？v觀國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展態(tài)勢(shì)，未來(lái)多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究將會(huì)著重在以下幾個(gè)方面:(1)繼續(xù)從宏觀和微觀的不同角度，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，深入研究多孔介質(zhì)內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)機(jī)制；著重探索各物理場(chǎng)之間的交叉效應(yīng)，研究變物性、各向異性以及多相多組分和非牛頓流體在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律；研究毛細(xì)滯后、脹縮效應(yīng)、多孔結(jié)構(gòu)與孔隙分布、非Darcy效應(yīng)和耗散效應(yīng)等對(duì)遷移過(guò)程的影響。與此相對(duì)應(yīng)，開(kāi)展新型的多孔介質(zhì)熱物理參數(shù)的測(cè)試原理與技術(shù)。這些研究將大大推進(jìn)多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論的開(kāi)展并使多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的理論模型與實(shí)際過(guò)程符合得更好。(2)強(qiáng)化直接面向工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和對(duì)社會(huì)進(jìn)步具有重大影響的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)應(yīng)用根底課題的研究，是今后假設(shè)干年內(nèi)的主攻方向。在這一領(lǐng)域內(nèi)比擬有意義的應(yīng)用根底研究有：地下稠油熱采、凍土工程與融化處理、沙漠水資源勘探和有效利用、鹽堿和污染源在土壤中和地下含水層中的擴(kuò)散和防擴(kuò)散、地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)與利用、地下貯能和地下建筑工程、多孔功能材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、新型高效節(jié)能枯燥技術(shù)、原煤預(yù)加工過(guò)程和煤層煤堆自燃預(yù)報(bào)技術(shù)、多孔輻射燃燒技術(shù)、高效顆粒床反響和催化過(guò)程、強(qiáng)化換熱技術(shù)，等等。(3)生物體內(nèi)多孔介質(zhì)中的能量與物質(zhì)的傳遞過(guò)程將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。這將包括動(dòng)物體內(nèi)能量和物質(zhì)傳輸機(jī)制和規(guī)律的探索，體內(nèi)和體表溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)和與之有關(guān)的熱診斷、熱治療和熱控制技術(shù)，人類居住環(huán)境和穿衣的熱舒適控制和調(diào)節(jié)，水分、養(yǎng)分和肥料在土壤中和植物根莖枝葉中的運(yùn)動(dòng)、吸收和散發(fā)過(guò)程，糧食、蔬菜和瓜果細(xì)微結(jié)構(gòu)中的傳遞過(guò)程，等等。所有這些將對(duì)生命科學(xué)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大的影響。(4)從多孔介質(zhì)作為一種宏觀尺度上的虛擬連續(xù)體的假定出發(fā)，進(jìn)一步開(kāi)展基于多孔介質(zhì)模型的工程熱物理問(wèn)題的分析方法。這是一種新的科學(xué)研究方法，比擬有希望的有：超大規(guī)模集成電路中的熱分析和強(qiáng)化冷卻技術(shù)，緊湊式換熱器的熱模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，城市工業(yè)和人口密集區(qū)的大氣環(huán)境預(yù)測(cè)等。參考文獻(xiàn)：【1】胡玉坤丁靜多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律的研究進(jìn)展廣東化工2006年第11期第33卷總第163期【2】王補(bǔ)宣多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究的意義與現(xiàn)狀中國(guó)科學(xué)基金1991第1期【3】施明恒多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究的進(jìn)展與展望中國(guó)科學(xué)基金1995第1期【4】趙曉琳大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的算法研究2023年