多孔介质传热学概论
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究一、本文概述本文旨在全面深入地研究多孔介质中的相变传热与流动现象，并探讨其在多个应用领域中的实际价值。
多孔介质广泛存在于自然界和工程实践中，如土壤、岩石、生物组织以及许多工业材料。
在这些介质中，相变传热与流动过程对于理解许多自然现象以及优化工程设计具有重要意义。
本文将围绕多孔介质中的相变传热机制、流动特性以及若干应用案例展开详细的论述。
本文将系统地梳理多孔介质相变传热与流动的基本理论，包括多孔介质的基本性质、相变传热的基本原理以及流动的基本规律。
在此基础上，我们将建立相应的数学模型和数值方法，以定量描述多孔介质中的相变传热与流动过程。
本文将深入探讨多孔介质相变传热与流动的关键问题，如相界面演化、热质传递、流体流动以及多孔结构对传热流动的影响等。
我们将通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种手段，揭示多孔介质相变传热与流动的内在规律和影响因素。
本文将关注多孔介质相变传热与流动在若干领域的应用研究，如能源工程、环境工程、生物医学工程等。
我们将结合具体案例，分析多孔介质相变传热与流动在这些领域的应用现状和发展趋势，为相关领域的工程实践提供理论支持和指导。
通过本文的研究，我们期望能够加深对多孔介质相变传热与流动现象的理解，推动相关领域的理论发展和技术进步，并为实际工程应用提供有益的参考。
二、多孔介质相变传热与流动的基本理论多孔介质，作为一种由固体骨架和分散在其间的孔隙或空隙组成的复杂结构，广泛存在于自然界和工程应用中。
多孔介质中的相变传热与流动现象，涉及到热质传递、流体动力学、热力学和相变动力学等多个领域，是热科学和流体力学研究的热点和难点。
在多孔介质中，相变传热主要指的是在固-液、液-气或固-气等相变过程中，热量通过多孔介质骨架和孔隙中的流体进行传递。
由于多孔介质的复杂结构，相变传热过程不仅受到热传导、热对流和热辐射的影响，还受到孔隙结构、流体流动、相变材料性质以及外部条件（如温度、压力等）的制约。
多孔介质双层玻璃幕墙传热与流动特性
河川径流预测研究［Ｊ］．水力发电学报，２００８，２７（６）：
４２—４７．
［９］兰芸，樊可清．基于小波阈值去噪方法的研究［Ｊ］．科 技信息，２００８（２）：２０９—２１０． ［１０］朱艳芹，杨先麟．几种基于小波阈值去噪的改进方 法［Ｊ］．电子测试，２００８（２）：１８—２２． ［１１］飞思科技产品研发中心．小波分析理论与Ｍａｔｌａｂ７ 实现［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５． ［１２３陆振波，蔡志明，姜课字．基于改进的Ｃ－Ｃ方法的相 空间重构参数选择［Ｊ］．系统仿真学报，２００７，１９
Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ａｔｅｒａｌ ｄｕｃｔ
０
１０ ０９
，０
ｍ
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ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｃｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
粥
００４
０．０３
，，ｍ
４
结语
在双层玻璃幕墙通道内设置多孔介质层，并
图２沿多孔介层高度方向入口空气流速分布
Ｆｉｇ．２
Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ 单位
Ｋ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
参数 单位 数值
数值
２７８．１５ ８００
有效导热系数＾硎Ｗ／（ｍ・Ｋ）５．１７
平均孔晾率￡０．４ 平均颗粒直径ｄｂ 玻璃幕墙外层进风口 入口空气流速ｙ＾口
ｍｍ ２０
Ｗ／ｍ２
ｍ／ｓ
０．８～１．０
Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）７３２
（１）模型的简化与假设。①考虑多孔介质传 热与流动过程为二维、稳态过程；②空气通过多孔 介质的流动为强制流动；③忽略因太阳辐射角度 差异、对幕墙外侧通道辐照量不同的影响；④将有 关物性参数作为常数，并以平均温度为定性温度； ⑤空气流入多孔介质时，与多孔骨架间有热量的
多孔介质中的流动、传热与化学反应
多孔介质中的流动、传热与化学反应姜元勇; 徐曾和; 曹建立【期刊名称】《《金属矿山》》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】多孔介质; 流动; 传热; 化学反应; 跨尺度; 相互作用【作者】姜元勇; 徐曾和; 曹建立【作者单位】东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TD80多孔介质是一种由固体骨架和孔隙（空隙）空间所组成的多相介质。
多孔介质的分布非常广泛，在人们的日常生活、工程实践和科学研究中比较常见，如煤层、岩体、球团矿和土壤等。
多孔介质中发生的流动过程、传热传质过程和化学反应过程具有重要的工程和科研价值，多年来一直受到众多研究者的关注［1-6］。
1 多孔介质中的流动多孔介质中的孔隙通道通常被流体所占据，在一定的能量梯度驱动下，流体便会沿着彼此联通的孔隙通道流动。
由于孔隙通道几何结构的复杂性，使得流体在多孔介质中流动时，孔隙流体与固体骨架之间的接触面构型也很复杂，很难进行精确描述［7］。
Bear［8］采用连续介质方法，将微观水平与宏观水平联系起来，通过引入表征体元（Representative Elementary Volume），给出了多孔介质物性参数的严格定义，如孔隙率、比面等，奠定了多孔介质流体动力学研究的基础。
流体在多孔介质中流动时，由于孔隙通道曲折、通道壁面不够光滑、流体具有一定的黏性等原因，造成多孔介质对于在其中流动的流体表现出一定的阻力作用［9］。
为了探究多孔介质中流动动力与阻力之间的关系，许多科研人员进行了不懈的努力。
早在1856年，Darcy就通过实验，研究了水在直立均质砂柱中的流动过程，获得了Darcy公式J=aq，也就是所谓的线性渗流定律（比流量与水力梯度成线性关系），此定律后来被进行了推广和理论证明。
实践中发现，Darcy定律主要反映黏性阻力的影响，具有一定的适用范围，即雷诺数满足Re=1～10。
多孔介质讲解
多孔介质条件多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。
当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。
通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。
多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。
多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。
详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。
多孔介质模型的限制如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。
事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。
因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。
● 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。
这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT 不会正确的描述通过介质的过渡时间。
● 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。
详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。
多孔介质的动量方程多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。
源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项：∑∑==+=313121j j j j ijj ij i v v C v D S ρμ 其中S_i 是i 向(x, y, or z)动量源项，D 和C 是规定的矩阵。
在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。
对于简单的均匀多孔介质：j j i i v v C v S ραμ212+= 其中a 是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D 和C 分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。
FLUENT 还允许模拟的源项为速度的幂率：()i C C j i v v C v C S 10011-==其中C_0和C_1为自定义经验系数。
多孔介质流动与传热的分形研究进展
研究进展
• 分形几何在多孔介质流动阻力研究方面得到了应用； （郁伯铭、司明恒、Wang S F） • 传统理论采用单一当量粒径来表征多孔介质复杂结构对对流传 热的影响；（姜培学、Whitake、Zhukauskas） • 理论推导了多孔介质局部未充分发展对流换热模型的层流和湍 流分形准则方程且与传统准则方程可比。（自己形对流换热系数
Nusr = 3.2 0.64 1.62 cnul Re 0.6 Pr1/3 4
1/3
湍流分形对流换热系数
d 0.7 Nusr 2 1 cnut Re 0.8 Pr 0.4 l
科学问题 • • • • 确立区分多孔介质结构特征的量化指标和标准； 确立区分多孔介质流动特征的定量表达参数； 建立准确可靠和广泛适用的多孔介质流动模型； 得到更为合理的对流换热系数分形准则方程。
传热传质
姓名：付杰学号：14206040667专业：建筑与土木工程多孔介质传热传质分形理论初析[摘要]对分形理论在多孔介质传热传质过程中的应用进行了初步的分析,求出了基于分形理论的多孔介质固有渗透率和有效导热系数,建立了多孔介质渗流与导热的分形模型。
引言多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质,它构成了地球生物圈的物质基础。
多孔介质传热传质在自然界和人类生产、生活中广泛存在.它对国民经济的发展、科学技术的进步以及人民生活水平的提高具有重要的影响.土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程的人工控制,节水农业工程的实施,地下岩层中石油、天然气和地下水资源的开采,地热能的开发利用等,都涉及到多孔介质中能量和物质的传输问题；动植物中的生命过程也是在多孔介质中发生的传热传质和生化反应的复杂热物理过程；与人民生活密切相关的农副产品、食品、建材和纺织品的干燥、建筑物的隔热保温也是典型的多孔介质传热传质过程;现代铸造技术、燃烧技术、冷冻技术、催化反应技术和各类轻工技术的发展,都与多孔介质传热传质过程密切相联。
因此,研究多孔介质传热传质过程对于改造自然、造福人类都具有重大的经济和社会意义。
从学科发展的角度看,多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域,包括能源、材料、环境科学、化学工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程,是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。
因此,多孔介质传热传质研究,是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题,已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活跃的前沿研究领域之一。
以期以来,人们对多孔介质中的传热传质过程进行了大量的理论和实验研究,在理论模型和热质迁移机理方面已经发展了能量理论、液体扩散理论、毛细流动理论和蒸发冷凝理论等描述多孔介质中热质迁移过程的单一理论模型之后,Philip,DeVries, Luikov又发展了多孔介质热质迁移的热力学理论和综合理论以及相应的数学描述,对多孔介质传热传质的研究起到了重要的推动作用。
多孔介质中传热传质机理研究
Δ y ,z x ,y + 2
+ -
Δ z Δ z ( ρ g Vg ,z H g ) x , y ,z -2 + ( ρ o Vo , z H o ) x ,y ,z-2
由热辐射公ห้องสมุดไป่ตู้有
4 4 uR , y =-α T ; uR , x =-α T ; y x
Δ z + Δ z ( ρ g Vg ,z Hg ) x , y , z+ ( ρ o Vo , z H o ) x ,y ,z + 2 2
基金论文 :国家自然科学基金 “ 蒸汽在油藏多孔介质中流动与传热机理研究” ( E060503)
16 油气田地面工程第 28 卷第 4 期 ( 2009 .4)
Δz , 在单元 体内中 心取一 点 A (x , y , z ) , 流体 的流动方向分别为 从单元体的左 面流入 , 右 面流 出 , 前面流入 , 后面流出 , 底面流入 , 顶面流出 。 单位时间净流入单元体的能量 + 由传导和辐射 净传递的能量 -向盖 、 底层散失的能量 = 单元体内 能量的变化量 。 单位时间内净流入单元体的能量 φ x ·Δ y ·Δ z
+ -
φ y ·Δ x ·Δ z ( ρ g Vg ,y H ) φ z ·Δ x ·Δ y
Δ y Δ y ( ρ g Vg , y Hg ) x , y- ,z + ( ρ o Vo ,y H o) x , y - ,z 2 2
Δ y ,z g x ,y + 2
+ ( ρ o Vo ,y H o )
式中 uc , x 、 uc , y 、 u c , z 分别为在 x 、 y 、 z 三个方 向上基于热传导方式的能量传递速度 ; uR , x 、 uR , y 、 uR , z 分别为在 x 、 y 、 z 三个方向上基于热辐射方式 的能量传递速度 。 向盖 、 底层散失的能量 2λ ΔT Δx Δy Δz ρ w LV πα t 式中 λ 为导热系数 ; α 为热扩散系数 。 单元体内能的变化量 Δ xΔ yΔ z· φ ( ρ g Sg Ug +ρ o SoU o) + ( 1 -φ ) Mf ( T -Ti) t 式中 Mf 为岩石的热熔 ; T 为岩石温度 ; T i 为岩
多孔介质概述及其传热传质的应用简介
多孔介质概述及其传热传质的应用简介作者：初兰来源：《消费电子》2012年第12期摘要:对于现代大型机械,内部的结构改造已经达到很高的水平,如何继续提高效率和生产力,如何更好的令科学研究深入到我们的生活应用中去,是我们更加关心的话题。
材料领域的革新,将为中国的制造业,工农业等方面均带来历史性的跨步。
多孔介质,自上个世纪提出便普遍受人关注,本文将结合达西定律,体积平均法,介绍过孔介质其传热传质特性,以其应用推广。
关键词:多孔介质;传质传热;达西定律;应用中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0158-01一、多孔介质的特点多孔介质的结构特性如下:(1)多孔介质中的空隙空间是相互连通的,即连通性。
(2)空隙尺寸较流体分子平均自由程大很多。
(3)相对宏观特征尺寸,空隙空间尺寸很小。
根据上述多孔介质的定义及结构特性可知,多孔介质不仅包含了空隙绝对尺寸很小的物体,也包含了空袭绝对尺寸很大的物体。
例如,对于工业换热设备,流体在管束外横向流动的传热过程也可以认为是多孔介质的流动关于传热问题。
这是因为相对换热设备的宏观尺寸来讲,管束外的流体空间即空隙是很小的。
因此,可以这样理解,无论固体骨架间空隙的绝对尺寸多大或多小,只要其结构特性符合上述限制,就可以认为是多孔介质。
二、结合达西定律,多孔介质理论在土壤冻胀问题中的数学模型(一)土壤冻胀问题的工程背景。
在我国东北、华北、西北地区部分土地属于季节性冻土,这种灾害一旦发生,会造成各种基础设施的破坏,严重影响当地人民生活和工农业生产。
解决冻土问题也是“青藏铁路”、“青藏公路”、“西气东输”、“西电东送”等重大项目的关键突破口。
土壤在自然冻结时,未冻结区的水分不断向冻结区迁移和积聚,并形成冻结冻胀区,所形成的冻胀力一旦大于上部基础设施的自重,就会造成基础设施的变形和破坏,所形成的冻胀力一旦大于上部基础设施的自重,就会造成基础设施的变形和破坏。
多孔介质
0.引言近年来，随着中国经济的迅猛发展，能源和环境问题越来越成为人们关注的重点。
我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调发展的可持续发展道路。
然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态遭到持续破坏等一系列问题。
其中能源供给紧张可能会成为我国经济发展的薄弱环节。
因此，拓宽能源供给渠道、挖掘和开发使用低品位或低热值的能源，同时寻求有利于环境保护的高效洁净燃烧技术，无疑会成为解决上述问题的有力支持。
近年来，许多新的燃烧技术不断涌现，其中多孔介质燃烧技术具有优越的特性和广泛的应用前景。
多孔介质燃烧技术又称PMC(PorousMediaCombustion)技术，是最近十余年国际燃烧领域发展的一种全新的燃烧方式。
相比燃烧时存在局部高温的“有焰”燃烧，这种燃烧没有明火焰，NO，和CO等污染物的生成显著降低(可达70％以上)。
由于整体温度的显著提高和辐射传热的增加，燃烧热利用效率大大提高(有些情况甚至超过50％)。
另外PMC技术对使用低热值(劣质)燃料(高炉煤气、有机废气等)也有明显的优势。
由于集节能、减排、环保于一身，PMC技术被国际燃烧界誉为是2l世纪最有发展前途的燃烧技术，国内哈工大秦裕琨院士的课题组称其为“划时代的燃烧技术”。
目前在日本、德国和美国，PMC技术已成功应用于冶金、机械、化工、陶瓷等行业的一些燃气炉窑上。
鉴于该技术的重要性，国内的重点高校和研究所纷纷开展对该技术的研究，建立了相应的试验台，但是由于缺乏产学研的渠道以及没有解决多孔介质材料的寿命问题，PMC技术目前在国内没有实现工业化。
宝钢研究院于2010年8月在一台2MW功率的加热炉上实现了多孔介质燃烧技术的应用，填补了国内空白。
1.多孔介质燃烧技术的概念气体在多孔介质中的燃烧都可以称为滤过燃烧口，即气体(可燃气体和氧化剂)流过多孔介质孔隙过程中发生的燃烧过程。
按照多孔介质性质及研究重点不同，可以划分为以下几个方向：多孔惰性介质中的燃烧技术、催化性多孔介质中的燃烧技术、可燃多孔介质中的燃烧、多孔介质的燃烧合成或烧结技术等。
多孔介质文献综述
1、前言高超声速飞行技术由于其广阔的军用和民用前景己成为目前航空航天领域关注的焦点，而限制高超声速飞行技术的进一步发展的一个重要问题便是气动加热问题：飞行器在高超声速飞行过程中对围绕在机体周围的空气进行压缩，气流在与机体表面进行剧烈摩擦时损失的动能大部分转化成热能，使其温度上升，并对机体表面结构进行加热，飞行器表面受到巨大的热负载后温度大幅度升高，传统的冷却技术不足以满足其正常工作的要求，从而对冷却方法提出了新的挑战。
发散冷却系统作为一种有效的保护暴露在极端热流和高温环境下材料和部件的热防护措施，己经受到高超声速飞行器研发者和设计者的重视根据材料结构，发散冷却可以分为层板发散冷却和多孔发散冷却，相对于层板结构，多孔材料比表面积更大，内部对换热更加充分，孔隙分布均勾，冷却剂可以均勾的输送到材料表面形成较为一致的温度分布，易于制备，成本低廉，是发散冷却的研究重点。
2、多孔介质定义2.1定义所谓多孔介质，是指多孔固体骨架(solid matrix)构成的孔隙空间中充满单相或多相介质。
固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间，孔隙空间相互连通，其内的介质可以是气相流体、液相流体或气液两相流体。
多孔介质的主要物理特性是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。
多孔介质内的微小孔隙可能是互相连通的，也可能是部分连通、部分不连通的，显然应用于发汗冷却技术上的多孔介质中的孔隙空间必须是相互连通的，只有这样我们才能研究其中的流体流动特性，否则我们的研究便失去了意义。
实际上，为了对多孔介质中的流体流动进行描述，必须对多孔介质的几何特性做如下限制：（1）多孔介质中的孔隙空间是互相连通的（2）孔隙的尺寸与流体分子平均自由程相比要大的多。
（3）孔隙的尺寸必须足够小，这样流体才会受到流体和固体界面上的粘附力以及流体与流体界面上的黏着力(对多相系而言)的控制第二个限制允许我们用一个假想的连续体(表征体元)来表征孔隙中的流体分子；第三个限制则可将网络状管道从多孔介质的定义中排除。
icepak 多孔介质 光照载荷 -回复
icepak 多孔介质光照载荷-回复什么是icepak 多孔介质光照载荷？在热管理领域，icepak是一种被广泛使用的流体热传输仿真工具。
它可以用于分析和优化电子设备、电路板和其他热敏感设备的温度分布和热传导性能。
在这方面，多孔介质和光照载荷都是icepak的重要组成部分。
多孔介质是一种由固体和空气阵列组成的材料，具有一系列特殊的热传导和传热特性。
在许多实际应用中，我们发现热传输过程不仅涉及到流体内部的传热，还包括通过多孔介质的导热机制。
举例来说，液冷电子系统中的冷却材料通常具有多孔性，这使得流体能够浸润到材料的内部并提高热传输效率。
因此，理解多孔介质的传热特性对于设计高效的冷却系统至关重要。
光照载荷是指在热管理中考虑光照效应对设备温度的影响。
典型的例子是太阳能电池板，它在光照条件下工作并将光能转化为电能。
然而，在转换的过程中，太阳能电池板会产生热量。
因此，了解光照条件下的温度分布对太阳能电池板的性能和寿命评估具有重要意义。
接下来，我们将一步一步回答有关icepak 多孔介质光照载荷问题的详细信息。
1. 多孔介质的传热特性：- 描述多孔介质的重要参数。
- 多孔介质中的热传导机制。
- 如何模拟多孔介质传热行为。
2. 光照条件下设备温度的影响：- 光照条件对设备温度的影响因素。
- 如何建立光照载荷模型。
- 如何将光照载荷模型与多孔介质传热模型相结合。
3. icepak在多孔介质和光照载荷分析中的应用：- icepak软件的基本原理和功能。
- 如何使用icepak进行多孔介质的传热仿真。
- 如何使用icepak考虑光照载荷对设备温度的影响。
4. 多孔介质和光照载荷实际案例分析：- 开发液冷电子系统中的多孔介质冷却材料。
- 分析太阳能电池板在不同光照条件下的温度分布。
- 优化多孔介质和光照载荷模型以提高热管理效率。
在本文中，我们将深入探讨多孔介质和光照载荷的理论背景，并介绍如何使用icepak软件来模拟和优化相关问题。
第5章 高Da数下多孔介质的传热与流动过程
5.2.1物理模型及数学描述
矩形空腔的四壁不可渗漏，上下壁面 绝热。空腔中填充型砂，相变工质为 R113（沸点温度47.8℃）。 假设初始温度均为T0。腔底成为湿饱 和的液层；液层上方为干饱和的蒸汽 与残留不凝结性气体的混合物。 左壁面温度突升至T1，并维持不变， 腔内将形成一个稳定的自然对流，并 伴随工质的蒸发与冷凝传热。
多孔介质传热传质理论
刘伟
能源与动力工程学院 热科学与工程实验室
2013-7-25
1
主要内容
第1章 绪 论
第2章 多孔介质传热与流动的理论分析
第3章 土壤内的热质传输过程
第4章 有植物土壤内的传热传质分析
第5章 封闭多孔空腔及CPL系统传热传质分析
第6章 建筑物节能中的多孔介质流动与传热
2013-7-25
25
5.3
竖直封闭圆环内非饱和多孔 介质自然对流
5.3.1 物理模型与数学模型
2013-7-25
26
引入如下无量纲量
UgL Vg L Ul L Vl L Z R Z ,R ,U g , Vg ,U l , Vl , L L am am am am pk g g U v ,d L Vv , d L T T1 mL2 U v ,d , Vv , d ,P , ,m , am am cg g am T am g
(2) 运动方程
Vg / t Vg Vg mVg
气相： g g
g g g Pg g g g g Vg Vg Vl kg （5-4） 液相： l l Vl / t Vl Vl mVl l l Dl / kl l
多孔介质中的相变传热特性及其在建筑物节能中的应用
61 8 太 阳 能 学 报 23 卷
从建筑物能量综合利用来看 ,过去较为注重发 展“主动式”太阳能建筑能量系统 ,如由电力驱动的 太阳能空调 、采暖及蓄能系统 。这类系统将太阳能 作为低温热源 ,利用相变或非相变工质的强制或热 力循环 ,达到制冷 、制热或储能的目的 。这样的主动 式太阳能利用 ,可以有效地利用低品位 、低密度的太 阳能 ,但设备的初投资较大 ,投入产出比低 ,难以实 际推广应用 。因此 ,就中国的国情来看 “, 被动式”太 阳能利用应该是建筑物能量综合利用的发展方向之 一[1 ] ,也就是要通过各种非强制循环或非热力循环 的方法 ,不消耗大量的电力 ,使热量以自然对流等形 式传递 ,同时 ,利用建筑物内部空间和外部构造 ,使
= keff 2 T - mγ + S
(7)
以上方程中各参数的物理意义分别是 :ε———
相含量 ; V l ———液相速度矢量 ; V g ———气相速度矢 量 ,即蒸汽与空气作为整体运动时的速度矢量;
V v ———蒸汽扩散速度矢量 ,即由于温度梯度引起蒸
5 期 黄晓明等 :多孔介质中的相变传热特性及其在建筑物节能中的应用 61 7
comsol-多孔介质中超临界流体的流动及传热模拟
ur r δ ts ρ C p ∂T ∂t + ∇ ⋅ (−k ∇T + ∑ hi N D ,i ) = Q − ρ C p u ⋅∇T
P = RT (V − b) − a (T ) (V (V + b) + b(V − b))
¾ 超临界流体状态方程(SCF EOS)
超临界流体状态方程scfeoststkpf??????ditspipcttkthnqcut?????????urrprtvbatvvbbvb???31参数设置常数变量32区域设置动量方程能量方程33边界条件设置动量方程能量方程4计算结果压力分布等值线施加温度场压力分布等值线未施加温度场4计算结果速度分布等值线施加温度场速度分布等值线未施加温度场5结论frac34
谢谢大家
3.1 参数设置
常数 变量
3.2 区域设置
动量方程 能量方程
3.3 边界条件设置
动量方程 能量方程
4 计算结果
压力分布等值线（施加温度场） 压力分布等值线（未施加温度场）
4 计算结果
速度分布等值线（施加温度场） 速度分布等值线（未施加温度场）
5 结论
¾ 采用COMSOL Multiphysics 软件进行计算可以方便、 有效地求解所建立复杂的耦合模型方程，计算结果的 后处理有助于直观理解物理过程。 ¾ 在多孔介质中超临界流体的“可调性”受到流动与传热 耦合过程的影响，压力和温度之间的相互影响很小。
王乐 刘永忠 西安交通大学化学工程系
主要内容
1. 2. 3. 4. 5.
引言 超临界流体计算模型 模拟计算 计算结果 结论
1 引言
¾ 以超临界流体为载体，在多孔介质孔隙表面沉积颗粒和形 成薄膜以及在孔隙中的浸渍等现象主要应用于复合多孔材 料的制备、多孔材料的改性、深床过滤、三次采油、高孔 隙率多孔聚合物支架的合成、污染土壤的修复、纺织物的 染色、木材中生物杀灭剂的浸渍和二氧化碳深埋等方面。 ¾ 主要利用超临界流体热力学性质的“可调性”，特别是流体 的密度和溶解度对超临界流体体系的压力和温度的依赖性。
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究
一、基本原理
多孔介质中的流动过程也具有其独特性。由于孔隙的存在，流体会在固体颗 粒之间流动，形成复杂的流型。同时，由于固体和流体之间的热交换，流动和传 热过程也会相互影响。
二、应用研究
1、能源领域
1、能源领域
在能源领域中，多孔介质相变传热与流动被广泛应用于各种热能存储和转换 系统中。例如，基于相变材料的热能存储系统能够有效地储存和释放大量热量。 在电力需求高峰期，存储的热量可以被用来加热多孔介质，进而驱动涡轮机发电。 而在非高峰期，存储的热量则可以通过多孔介质的自然对流被冷却并储存。
1、能源领域
此外，在燃料电池和太阳能热水器中，多孔介质也扮演着重要的角色。在这 些设备中，多孔介质不仅提供了良好的热交换环境，还能有效地支撑和保护内部 的敏感组件。
2、环境领域
2、环境领域
在环境领域中，多孔介质相变传热与流动也被广泛研究。例如，在污染物治 理中，多孔介质可以作为一种高效的吸附剂和催化剂。通过控制多孔介质的孔隙 率和成分，可以实现对污染物的有效吸附和分解。此外，多孔介质还被用于构建 人工湿地和植物培养床，以去除污染物并提高水质的生物活性。
未来研究方向
未来研究方向
本次演示的研究为多孔介质内的相变传热传质过程提供了有益的参考，但仍 需在以下几个方面进行深入研究：
未来研究方向
1、针对不同类型和性质的多孔介质，研究其物理属性和结构特征对相变传热 传质过程的影响机制；
未来研究方向
2、深入探讨相变介质在不同条件下的热物理性质变化规律，及其对相变传热 传质过程的影响；
文献综述
近年来，随着测量技术的发展，一些新的实验方法，如红外热像仪法、X射线 衍射法等被逐渐应用于相变传热传质实验中，为研究者提供了更为便捷和精确的 测量手段。
经典传热传质学-第4章
第4章 固气多孔材料加热及内部渗流前两章讨论了对固体材料与静止水的加热，加热对象都是单一均匀物质。
本章将讨论含气多孔材料，即加热对象是固气共存的物体，或称固气多孔材料，如图4-1所示。
(a) 被上、下热板加热 (b)被上、下热空气流加热图4-1 固气多孔平板加热固气多孔材料是多孔材料大家庭中重要一员。
例如，用于隔热与防震的泡沫塑料，泡沫铝等粉末冶金材料, 加气混凝土与泡沫砖，绝干木材等都可视为固气多孔材料。
这里的气体大都是单一物质，常指空气。
发生在固气多孔材料内的传热传质过程视孔隙结构不同有较大差异。
本章先介绍反映多孔材料内渗流基本规律的达西定律及渗透率，推导描述固气多孔材料内温度分布，气相速度及密度分布的质量与能量守恆方程。
随后，由易及繁，分别讨论封闭型孔隙结构固气多孔材料传热，连通型孔隙结构固气多孔材料内一维与二维等温渗流以及在热板加热或热空气流加热条件下固气多孔材料内传热传质过程。
针对每种情形，在认识其物理过程基础上建立数学模型，也即写出控制方程及定解条件，而后对其数值求解，最终详举实例，显示求解的结果。
顺便提及，本章讨论的内容与多孔介质传热传质中的干饱和多孔介质是十分近似的，只是那里的气体是过热的水蒸气，这里是干空气。
有关它们的联系，我们在第1章1.1.1小节中已有说明。
4.1 达西定律与渗透率4.1.1 达西定律达西定律是实验定律，最先由达西通过水在泥砂中渗流得到。
按示意图4-2，其数学形式为Hp A KV Δ=•μ (4.1.1) 式中，A 与H 是多孔材料矩形板试样的面积与高(厚)度，也是流体流经的截面积与长度，单位分别为2m 和m ; •V 是牛顿流体以很低速度渗流通过的体积流率，单位为./sec m 3;μ为流体的粘性系数，单位为.sec Pa ⋅;p Δ为流动压力降，即图4-2中21p p −，单位为Pa ;比例系数K 为渗透系数，也称渗透率，单位为2m 。
图4-2 达西定律示意图 与傅里叶定律式(2.1.10)相仿，将式(4.1.1) 表示成微分的形式，即p K v grad μ−=→ (4.1.2)或 0=−∇−→v K p μ(4.1.3)在直角坐标系内，常表示为x p K u ∂∂−=μ ， y p K v ∂∂−=μ ， zp K w ∂∂−=μ (4.1.4) 式中，v u ,与w 分别是流体在多孔材料内沿坐标y x ,与z 方向的速度，常用单位为.m/sec m 。
多孔介质的稀物质传递
多孔介质的稀物质传递多孔介质的稀物质传递引言：多孔介质是一个具有特殊内部结构的材料，具有许多微观孔隙和通道，被广泛应用于各个领域，如地质工程、材料科学、生物医药等。
在这些应用中，多孔介质的稀物质传递过程是至关重要的。
稀物质传递一直是科学家关注的热门研究方向，它包括质量传递和热传递两个方面。
本文将围绕多孔介质的稀物质传递展开讨论，深入探讨其机理和特点，并分享个人观点和理解。
1. 多孔介质的结构与特性多孔介质的结构决定了其传递性质，一般可分为连通孔隙和孤立孔隙两类。
连通孔隙是指多个孔隙之间具有路径连接，而孤立孔隙是指孔隙之间没有连接路径。
多孔介质通常具有高度的孔隙度和比表面积，这使得它具有较大的传质表面和较强的吸附能力。
多孔介质的孔隙结构也会影响传递过程中的流体流动和质量传递速度。
2. 多孔介质的流体传递机制多孔介质中的流体传递主要包括扩散传递和对流传递两种机制。
扩散传递是指由高浓度区向低浓度区的物质自发传递，而对流传递是指由于流体的强迫运动导致的物质传递。
在多孔介质中，扩散传递是主要的传递机制，其速率受到物质浓度梯度、孔隙结构和介质吸附能力的影响。
对流传递在多孔介质中通常只发挥辅助作用，但在某些情况下，如高速流动条件下，对流传递也可能成为主要机制。
3. 稀物质传递的模型与理论为了描述多孔介质中稀物质的传递过程，科学家们提出了许多模型和理论。
其中比较经典的是Fick定律和Darcy定律。
Fick定律描述了由浓度梯度驱动的扩散传递，其基本方程为质量传递速率与浓度梯度成正比。
Darcy定律描述了多孔介质中的流体流动行为，其基本方程为流体流动速率与压力梯度成正比。
这些定律为多孔介质传递过程提供了基础，但在实际应用中，考虑到介质非均匀性和复杂性，还需要引入更复杂的模型和理论。
4. 多孔介质传递过程中的影响因素多孔介质传递过程中受到许多影响因素的调控。
首先是介质本身的性质，如孔隙度、孔隙结构和比表面积。
这些性质决定了介质的吸附能力和传递速率。
多孔介质干燥水热溶质传递过程模拟及试验研究
多孔介质干燥水热溶质传递过程模拟及试验研究多孔介质干燥水热溶质传递过程模拟及试验研究一、引言多孔介质干燥过程是许多工业领域中重要的热传递过程，涉及到水分的蒸发和热量的传递。
了解多孔介质中水热溶质传递的机理，对于改善工业生产过程和提高能源利用率具有重要意义。
本文将通过模拟计算和实验研究的方法，探究多孔介质干燥中水热溶质传递过程的特点和规律。
二、水热溶质传递的模型多孔介质干燥过程中，水热溶质传递可以用Fick定律和Fourier定律来描述。
Fick定律表示了质量传递速率和浓度梯度之间的关系，而Fourier定律描述了热量传递速率和温度梯度之间的关系。
根据这两个定律，可以建立多孔介质干燥过程的数学模型，进而用于模拟计算。
在模型建立过程中，需考虑多孔介质的物理特性，如多孔度、孔隙度、孔径分布等等。
同时，还需考虑湿气流的特性，包括湿气的温度、湿度、流速等等。
通过数学模型的建立和求解，可以获得多孔介质中水热溶质传递的速率、浓度和温度分布等信息。
三、多孔介质干燥传递过程的试验研究为了验证数学模型的准确性，需要进行实验研究。
实验室中常采用各类多孔介质样品，如纸张、陶瓷等，来模拟真实工业中的多孔介质。
在实验过程中，可以通过测量样品的质量、温度、湿度等参数，来揭示水热溶质传递的特点和规律。
实验研究中，可以通过改变多孔介质的孔径、孔隙度和湿气流的温度、湿度等参数，来观察不同条件下水热溶质传递的规律。
同时，可以采用红外热像仪、电子显微镜等先进设备，来观察多孔介质的内部结构和水热溶质的分布情况，从而深入了解传递过程中的微观机制。
四、研究结果与讨论通过模拟计算和试验研究，我们可以获得多孔介质干燥中水热溶质传递的速率、浓度和温度分布等信息。
研究发现，多孔介质的孔径和孔隙度对水热溶质传递速率有重要影响。
孔径较大、孔隙度较高的多孔介质，水热溶质传递速率较快，反之则较慢。
此外，湿气流的温度和湿度也对水热溶质传递有显著影响。
温度和湿度差异较大时，水热溶质传递速率较快；温度和湿度差异较小时，水热溶质传递速率较慢。
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H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y传热学课程报告报告题目：多孔介质传热学概论院系：班级：姓名：学号：二零一二年十月摘要：本文对多孔介质及其基本结构、传热传质的理论基础做了相关介绍，并对多孔材料的应用进行了说明和预期。
关键词：多孔介质；传热学；孔隙率；渗透率；导热系数1 多孔介质简介多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，其传热传质过程在自然界和人类生产、生活中广泛存在，它构成了地球生物圈的物质基础。
从学科发展的角度看，多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域，包括能源、材料、化学工程、环境科学、生物技术、仿生学、医学和农业工程，是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。
因此，多孔介质传热传质研究，是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题。
笼统地说，大部分材料都属于多孔介质，目前还没有对多孔介质各种特性的确定性作出准确的定义。
1983年提出多孔介质具有以下特点：(1)部分空间充满多相物质，至少其中一相物质是非固态的，可以是液态或气态。
固相部分称为固相基质。
多孔介质内部除了固相基质外的空间称为空隙空间。
(2)固相基质分布于整个多孔介质，在每个代表性初级单元均应有固相基质。
(3)至少一些空隙空间应该是相联通的。
2 多孔介质的基本结构特征多孔介质的孔隙率多孔介质的结构是非常复杂的，我们不可能精确地描述这些孔隙表面的几何形状，也很难确切地阐明孔隙空间所包含的流体及其与固体表面相互作用所出现的有关微观物理现象。
因此研究者往往引入“容积平均”的假设，并且将复杂多相的多孔体系看成一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，即不同流速层中流体分子间碰撞交换动量，宏观表现为流体是以粘滞形式出现的流动，从而可以利用表观当量参数的唯象方法进行研究，而不必去研究每一个孔隙中流体流动和换热的情况，使一个原本非常复杂的流动问题得以简化。
孔隙率表示多孔介质中孔隙所占份额的相对大小，有体积孔隙率、面积孔隙率、和线孔隙率之分。
实际所用的多孔介质的孔隙结构是非均匀的，其物理化学性质是各向异性的。
并且孔隙率随多孔介质在不同区域而不同。
Roblee等和Benenati试验研究发现，近壁面处，体积孔隙率的值常有较大的波动。
Fu和Huang等通过数值模拟的方法研究了任意孔隙率模型对多孔介质换热性能的影响。
实际上，对于各向同性的均匀多孔介质而言，体积孔隙率和面积孔隙率是分布均匀的，并且可以证明，体积孔隙率和面积孔隙率是相等的。
所以可以统称为多孔介质的孔隙率，常用ε表示。
多孔介质的渗透率多孔介质，原则上都是可以渗透的，除非周边被封死，流体可以从一侧渗透到另一侧，但在相同的压力差下容许渗透的流体流量将受到多孔介质特性的制约。
渗透率是由Darcy定律所定义的，它是多孔介质的一个重要特性参数，表述了在一定流动驱动力推动下，流体通过多孔材料的难易程度.可以说，它表达了多孔介质对流体的传输性能。
由Darcy定律知:式中，J为流体的速度;μ为流体动力粘性系数;K表征流体的渗透能力，称为“渗透率”。
式(1-1)完全类似于粘性流体的牛顿定律、导热的傅里叶定律以及扩散的费克定律。
(对于各相同性均匀介质，K为常数，对于一般的各相异性多孔介质，K为一张量)。
多孔介质的导热系数在两个平行平板之间填充均匀多孔介质，平行板温度分别保持为t1和t2 (t1>t2)，其孔隙率为ε，两平板相距S。
流体静止，无相变，此时热量从温度为t1的平板通过多孔介质导热传递给温度为t2的平板。
热流量Q相当于经由固体骨架传递的热量Qs和经由静止流体传递的热量Qf之和，且相互接触的界面保持局部热力学平衡。
在常物性条件下，可有:式中λs和λf分别为固体骨架和静止流体的导热系数，Fs和Ff分别为固相和流体相的导热面积。
由此定义多孔介质的当量导热系数λe为:当量导热系数λe是多孔介质的重要性质，取决于宏观己知的孔隙率ε和骨架材料与流体本身的导热系数，与容器形状、几何尺寸等无关。
3 多孔介质传热传质理论基础多孔介质内的传热过程主要包括(1)固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程；(2)流体（液体、气体或两者均有）的导热和对流换热过程；(3)流体与固体颗粒之间的对流换热过程；(4)固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。
多孔介质中的传质过程包括：(1)分子扩散。
这是由于流体分子的无规则随即运动或固体微观粒子的运动而引起的质量传递，它与热量传递中的导热机理相对应。
(2)对流传质。
这是由于流体的宏观运动而引起的质量传递，它既包括流体与固体骨架壁面之间的传质，也包括两种不混溶的流体之间的对流传质。
热量既可以通过固体骨架的导热，又可借助流体的导热和对流传递。
质量的传递则表现在孔隙中流体的流动，且常伴有相变，并且它的孔隙结构极为复杂，很难对微孔中的流体流动和能量运输进行详细的描述。
在无化学反应的过程中，多孔介质内部传热传质的主导驱动势为：压力梯度、浓度梯度、温度梯度。
4 多孔介质传热传质的研究方法在揭示各相物质内部及相互间的质量、动量和能量传递规律方而，前人普遍采用了理论分析、数值模拟、实验研究等各种研究手段。
理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类，其中宏观水平的研究方法较为常用。
这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动，所涉及的数学方程多且难于求解。
微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质，研究对象是流体质点或微元体，但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件，而对此的定量描述既困难又不准确。
宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域，但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV)，在REV上对流体参数和固体参数实行体积平均，获得假想介质在REV上的平均参数，进而分析其中的传热和流动过程。
由于宏观方法所依据的物理模型与客观的微观运动情况有一定偏差，所以其研究结果往往不能与实测结果完全吻合。
在多孔介质传热传质的研究中，如果固相骨架和孔隙流体之间的热交换充分，则在基本单元体内固相骨架和孔隙流体的温度相等，此时可采用局部热平衡模型进行理论研究和分析。
5 多孔介质传热的应用多孔介质传热传质的过程在人类生产活动和自然界广泛存在。
如：土壤是地球生物圈内一切生物赖以生存的主要基础之一，也是人类社会发展的重要根基，自有文明以来，人们就开始注意土壤及其灌溉与作物生长的关系。
自把现代的科学方法应用于研究土壤和地下含水层中的水分迁移以来，土壤学和地下水文学便成为研究多孔介质最早的几个学科。
人们将生产中排出的有害废水注人地下或排人江河湖泊，由于地下含水层中存在温度梯度而产生的自然对流，引起了污染源在地下含水层中的扩散，从而直接或间接地对人类健康和生存带来严重的危害。
地下岩层中的石油、天然气和水是自然界多孔介质中一种复杂的多元体系，研究油、气的开采、特别是石油的热采技术，促使石油工程学对多孔介质的传热传质进行系统的研究。
地热资源的勘测评估和开发利用以及利用土壤岩层作为蓄热蓄冷介质，也需应用类似的理论与技术。
在地质工程中，研究雪崩现象及其防止对策，同样要涉及到多孔介质传热传质问题。
所有这些表明二多孔介质传热传质(包括渗流的流动形态等)的研究，对于由不同学科组成的“地球资源环境科学和技术”这一新领域的发展来说，是涉及地球岩石圈、水圈和生物圈资源的开发利用，涉及各圈层之间相互依存作用环境的基础性很强和应用背景十分广泛的一项具有重要意义的研究。
为了充分利用自然能源，发展我国古老的窖藏技术使之现代化、大型化，人们利用地下洞库夏天储热，冬天蓄冷，这一研究正逐步达到实用阶段，其中就涉及到如何利用多孔介质强化传热或者隔热保温的问题。
现代建筑业采用的轻型建筑材料和结构材料，大多属于多孔性或者纤维性多孔结构。
这些建筑物围护结构与隔热结构的热湿传递特性将直接影响到建筑物的能源耗费和居住者的舒适感。
多孔介质传热传质—热湿迁移的研究已成为建筑热工的一个重要组成部分。
在现代铸造技术领域中，一方面铸造型砂的热性能的研究和控制对大型铸铁的浇铸质量及防止热裂问题起关键性作用;另一方面，在金属凝固过程中，液固相的交界面附近存在着液固共处的两相区，由于温差作用，引起液态金属在此区域内产生多孔介质自然对流问题。
因此，多孔介质的传热传质在铸造技术领域中是影响铸造质量的一个重要研究课题。
在化工领域的颗粒床层化学反应器中，多孔介质的热质迁移特性决定着反应器的催化反应速度和效率。
煤的沸腾燃烧也可被看作是固体骨架未被固定的流变性多孔介质化学反应器。
当代许多制造业，包括农林产品和食品加工业，其干燥过程是一个主要的耗能环节，改造和发展干燥技术，也要求对含湿多孔介质中传热传质进行基本研究。
在核反应堆的燃料棒壳内，是颗粒核燃料的多孔介质，研究其中的传热传质问题，对防止局部性核燃料消耗速度过大，延长燃料棒整体工作寿命以及确保运行安全，具有积极意义。
热管已在航天领域和节能技术中得到一定程度的推广应用。
热管的管芯常用毛细多孔材料制造。
对多孔介质传热传质的研究，势必对发展热管技术起到促进作用。
多孔介质传热传质的研究与动、植物研究密切相关。
如植物中的水分迁移和能量传递，水分的吸收和蒸发都是在多孔介质中进行的;土壤肥力的保存、农业生产工程化和节水农业的技术开发和应用;动物冬眠时其皮层热绝缘性能的变化;人体通过排汗自动调节体温等等。
综观上述，多孔介质传热传质的研究对于改造自然、造福人类具有重要意义。
6 多孔介质传热传质研究的展望从广义上讲，当多孔体孔隙率为0时，即为通常的固体;当孔隙率为1时，则为通常的流体，在0-1之间的孔隙率的物质，均可视为多孔体。
因此，多孔介质传热传质与工业、农业、能源、资源、航天、地质、材料、化工、建筑、环境和生命科学的各个领域有着密切的联系。
多孔介质传热传质的研究涉及到多个基础与技术学科，有助于促进跨学科和边缘学科的形成和发展。
可以预见，在今后相当长的一段时间内，多孔介质传热传质将继续作为工程热物理领域的一个重要研究课题而得到发展和深化，并将对工农业的发展和社会的进步产生重大的影响。
纵观国内外的发展态势，未来多孔介质传热传质的研究将会着重在下列几个方面:(1)继续从宏观和微观的不同角度，通过理论分析、实验研究和数值模拟，深入研究多孔介质内复杂的流动、传热和传质机制；着重探索各物理场之间的交叉效应，研究变物性、各向异性以及多相多组分和非牛顿流体在多孔介质中的迁移规律；研究毛细滞后、胀缩效应、多孔结构与孔隙分布、非Darcy效应和耗散效应等对迁移过程的影响。
与此相对应，发展新型的多孔介质热物理参数的测试原理与技术。