多孔介质传热学概论
多孔介质有效导热系数的计算方法
多孔介质有效导热系数的计算方法
潘宏亮
(西北工业大学 航海工程学院 , 陕西 西安 710072)
摘 要 :高孔隙率多孔介质如泡沫陶瓷在新型多孔介 质燃烧 器技术中应用日益广泛 , 其重要传热特性参数 ——— 有 效导热 系数反映了两相流气 、固相导热 、对流和辐射的综合效应 , 对 其研究尚非常缺乏 。 本文基于实验测定的温度分布 , 给出多 孔介质有效导热系数的初始估值 , 用有限体积法求解 二维控 制方程 , 采用二维寻优 搜索的 办法 , 确定使 测定点 上测 量与 计算温度均方根误差为最小的径向与轴向有效导热系数 , 是 一种逆计算 方法 。对 球粒子 颗粒床 进行的 有效性 试验 证明 了方法的可行性 。 关键词 :有限体积法 ;导热系数 ;多孔介质 ;逆法 中图分类号 :O242 , O551 文献标识码 :A
ond - O rder Accurate I mplicit Scheme .Computers and Fluids, (1974), Vo l.2 , pp.207 -209. [ 7] Tso tsas, E., and M artin , H .T hermal Conductivity of Packed Beds:A Review .Chem .Eng .Process , 1987 , V ol. 22, pp.19 -37 .
[ 2] Howell J.R ., Hall, M .J ., and Ellzey , J .L .Combustion of Hydro carbo n Fuels within Porous Iner t M edia . P rog .Energy Combustion Sci , 1996, Vol.22 , pp.121 145 .
多孔介质内对流换热的非热平衡模型相关问题研究
介质中的流动传热现象。
对多孔介质内的流动，可使用考虑非达西效应的Darcy –Brinkman -Forchheimer [1]模型进行分析；而对于多孔介质内的传热过程，能量方程可用热平衡(local thermal equilibrium,LTE)模型或非热平衡(local thermal non-equilibrium,LTNE)模型进行分析。
其中，热平衡模型被广泛用于分析多孔介质中的对流换热过程，该模型假设多孔固体骨架温度与流体温度局部相等（T s =T f ），适用于多孔固体骨架与流体局部温差不大的场合。
热平衡模型控制方程如下[2-4]：()[]()()()T T c T c c t ∇+∇=∇+-+∂∂d m p pf f ps s pf f 1λλερερερu (1)式中λm 为有效滞止导热系数[5]，λd 为热弥散导热系数。
然而，当多孔固体骨架与流体局部温差不能忽略（T s ≠T f ）时，热平衡模型便会引起较大误差，应该采用非热平衡模型。
非热平衡模型考虑多孔固体骨架与流体的对流换热，其控制方程包括流体能量方程和多孔固体骨架能量方程[3,6-9]：()()()[]()f s sf sf f d f f p pf f f pf f T T a h T T c T c t -+∇+∇=∇+∂∂λελερερu (2)()[]()[]()f s sf sf s s s ps s 11T T a h T T c t --∇-∇=-∂∂λεερSchumann 最早在1929年就考虑了非热平衡模型，但在他的研究中忽略了导热项的影响。
Quintard [10]在1998年第11届国际传热大会的主旨报告中，对在多孔介质中采用局部非热平衡模型进行理论建模做了系统分析，并在非热平衡模型中考虑了颗粒与流体间界面热阻的影响。
不少研究者已经使用非热平衡模型进行了一系列的研究。
如多孔介质中的瞬态传热Nouri-Borujerdi 等[11]、混合对流Shi 和Vafai [12]、强制对流Jiang 等[3,6-9,13-17]、双扩散多孔介质Nield 和Kuznetsov [18]等。
多孔介质传热学概论
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J.Bear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2.1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。
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。
多孔介质有效导热系数的实验与模拟_史玉凤
第43卷第3期四川大学学报(工程科学版)V o l .43N o .32011年5月J O U R N A LO FS I C H U A NU N I V E R S I T Y(E N G I N E E R I N GS C I E N C EE D I T I O N )M a y 2011文章编号:1009-3087(2011)03-0198-06多孔介质有效导热系数的实验与模拟史玉凤,刘 红,孙文策＊(大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024)摘 要:应用实验与数值模拟相结合的方法研究了多孔介质的有效导热系数。
将分形理论与孔道网络模型相结合的分形孔道网络模型用于研究多孔介质的有效导热系数,为太阳池储热、地源热泵传热、食品干燥等方面打下了基础。
模拟计算结果与实验结果吻合较好,证明了分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数。
研究了孔喉比、配位数、垂直热流方向喉道比例、喉道长度、孔隙率、固体骨架导热系数(K s )及流体导热系数(K f )等多方面对多孔介质有效导热系数的影响。
结果表明,垂直热流方向喉道会增大多孔介质的热阻,降低多孔介质的有效导热系数。
当K s 大于K f 时,随着孔喉比的增大以及喉道长度的减小,多孔介质的有效导热系数越大。
当平行热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的减小而增大;当垂直热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的增大而增大。
关键词:多孔介质;有效导热系数;分形孔道网络模型中图分类号:T K 512.4文献标志码:AE x p e r i m e n t a n dN u m e r i c a l S i m u l a t i o no f E f f e c t i v e T h e r m a l C o n d u c t i v i t y o f P o r o u s Me d i aS H I Y u -f e n g ,L I UH o n g ,S U NW e n -c e＊(S c h o o l o f E n e r g y a n dP o w e r E n g .,D a l i a nU n i v .o f T e c h n o l .,D a l i a n 116024,C h i n a )A b s t r a c t :E f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a w a s i n v e s t i g a t e db y e x p e r i m e n t a l a n d n u m e r i c a l a p p r o a c h e s .F r a c t a l p o r e n e t -w o r km o d e l ,w h i c h w a s t h e c o m b i n a t i o n o f f r a c t a l t h e o r y a n d p o r e n e t w o r k m o d e l ,w a s u s e d t o r e s e a r c h t h e e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i -t y o f p o r o u s m e d i a .T h e n u m e r i c a l r e s u l t s a g r e e d w e l l w i t he x p e r i m e n t a l o n e s ,w h i c hi n d i c a t e d t h a t t h e f r a c t a l p o r en e t w o r km o d e l i s s u i t a b l e f o r r e s e a r c h i n g e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a .T h e e f f e c t s o f p o r e -t h r o a t r a t i o ,c o o r d i n a t i o nn u m b e r ,v e r t i c a l t h r o a t p r o p o r t i o n ,t h r o a t l e n g t h ,p o r o s i t y ,t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f m a t r i x a n d f l u i d o nt h e e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a w e r e s t u d i e d .I t w a s r e v e a l e d t h a t v e r t i c a l t h r o a t p r o p o r t i o nc a ne n l a r g e t h e t h e r m o -r e s i s t a n c e o f p o r o u s m e d i a a n d d e c r e a s e i t s e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y .I f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f m a t r i x i s l a r g e r t h a n t h a t o f f l u i d ,t h e e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a i n -c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f p o r e -t h r o a t r a t i o a n dd e c r e a s e o f t h r o a t l e n g t h .Wh e nt h e n u m b e r o f p a r a l l e l t h r o a t i s f i x e d ,t h e e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a i n c r e a s e s w i t ht h e d e c r e a s e o f c o o r d i n a t i o n n u m b e r .O nt h e c o n t r a r y ,w h e nt h e n u m b e r o f v e r t i c a l t h r o a t i s f i x e d ,t h e e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a i n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s e o f c o o r d i n a t i o nn u m b e r .K e yw o r d s :p o r o u s m e d i a ;e f f e c t i v e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ;f r a c t a l p o r e n e t w o r km o d e l 多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和技术领域[1-2]。
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。
多孔介质热质传递国外研究进展
多孔介质热质传递国外研究进展宋明启;王志国【摘要】给出了多孔介质热质传递研究的基本参数:孔隙率、比面、迂曲度、渗透率、毛细压力.从起始阶段、上升阶段、突破阶段、创新阶段4个典型阶段详细介绍了国外多孔介质热质传递研究的理论成果.初步探析了RMV和REV在多孔介质热质传递未来研究中的应用.为同行业研究者开展此类课题提供了有价值的文献借鉴和理论铺垫.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)007【总页数】3页(P1-2,11)【关键词】多孔介质;热质传递;进展【作者】宋明启;王志国【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;大连理工大学能源与动力工程学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TQ021.3多孔介质是由多孔固体骨架构成，孔隙空间中充满单相介质或多相介质。
目前，多孔介质热质传递学已经拓展到很多技术领域和学科前沿，包括:能源材料、环境工程、化学科学、仿生学科、生物医药、农业水利等，逐渐已经成为边缘科学和交叉学科的一个潜在出发点。
在研究多孔介质热质传递过程中，经常涉及一些主要的基本结构参数和基本性能参数。
孔隙率，是指多孔介质内微小孔隙的总体积与多孔介质外表体积的比值。
根据研究的需要，又定义了:有效孔隙率、绝对孔隙率。
比面，是指多孔介质固体骨架总表面积与多孔介质总容积的比值。
迂曲度，是指多孔介质弯曲通道真实长度与连接弯曲通道两端的直线长度的比值的平方。
有的学者也认为迂曲度，是指多孔介质弯曲通道真实长度与连接弯曲通道两端的直线长度的比值倒数的平方，目前学术界没有统一定论。
渗透率，是指在一定流动驱动力推动下，流体通过多孔介质的难易程度。
渗透率又分为:绝对渗透率、相渗透率、相对渗透率。
毛细压力，是指两种互不相溶的流体接触时，它们各自的内部压力在接触面上存在着不连续性，两压力之差［1］。
(1) 起始阶段。
LBM方法模拟多孔介质流动与传热问题
(r,t )
(2)
其中 δt 为时间步长，ei 为格子离散速度。τf 为密度分布计算的弛豫时间，τg 为温度密度函数计算的弛豫时 间。宏观 温度、 热流密 度可通 过以下 公式获 得：
8
T = ∑ Tα
(3)
α =0
∑ q =
i
eiTi
τT
− 0.5δ t τT
ρcp
(4)
其中 ρcp 为相应的物性参数，τT 为温度分布弛豫时间，δt 为时间步长。同时在得到稳态条件下热流密度的 情况下， 根据傅 里叶导 热定律 ，可以 获得有 效导热 系数的 计算 公式：
Received: Feb. 21st, 2019; accepted: Mar. 8th, 2019; published: Mar. 15th, 2019
Abstract
In this paper, a digital model of porous media is obtained by four-parameter stochastic generation method. And an improved lattice Boltzmann method is used to simulate the flow and heat transfer problems in this porous media. The distribution of velocity and temperature is obtained at different porosity. On the basis of the results, the effective thermal conductivity of porous media is calculated. And the value is affected by the flow state in porous media. A reliable simulation method for study flow and heat transfer in porous media can be obtained in this paper.
管中心填充两层多孔介质强化传热研究
第27卷第6期2009年12月水 电 能 源 科 学Water Resources and Power Vol.27No.6Dec.2009文章编号:100027709(2009)0620223204管中心填充两层多孔介质强化传热研究汪利先 明廷臻 刘 超 章世斌(华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)摘要:采用圆管中心层流充分发展段中心流等截面分层填充金属多孔介质以实现强化传热,建立了流动与传热数学模型,并着重分析了三种新型强化传热管的速度、温度分布及传热综合性能。
结果表明,与光管相比,填充金属多孔介质后,管中心流体温度更均匀,壁面附近流体的温度梯度更大,圆管中心流体速度分布趋于平坦,壁面附近流体速度梯度增大,壁面与流体间的换热显著增强;对三种强化传热管,在两区域内填充孔隙率相同的多孔介质,可望得到较高的综合性能指标值。
关键词:强化传热;多孔介质;性能评价准则;孔隙率中图分类号:T K124文献标志码:A收稿日期:2009208203,修回日期:2009208217基金项目:教育部重点研究基金资助项目(104127)作者简介:汪利先(19872),男,研究方向为强化传热技术,E 2mail :lixianwang @ 强化传热技术在众多领域均被广泛应用,其中在管内填充金属多孔介质是一种常用的层流强化传热方式。
Alkam 等[1]数值模拟了填充多孔介质的管内层流发展段的对流换热,发现多孔介质的存在使管内层流充分发展段的平均努塞尔数约提高了7倍。
Mohamad 等[2]分析并模拟了管内层流充分发展段,发现部分填充传热管不仅可显著强化换热,且比完全填充的传热管压降大幅减少,克服了多孔换热器填充多孔介质后压降过大的缺陷,管内流动热边界层的发展段长度减少了50%以上。
Pavel 等[3]对管式换热器管内填充多孔介质的传热与流动进行了实验研究。
刘伟等[4]研究表明在管内分层填充实现了强化传热。
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。
非均匀温度场下多孔介质传热数值模拟分析
非均匀温度场下多孔介质传热数值模拟分析在非均匀温度场下，多孔介质的传热特性成为了研究的重点。
通过数值模拟的方法，我们可以更好地理解多孔介质传热的机理，并为相关工程应用提供指导。
本文将通过分析非均匀温度场下的多孔介质传热数值模拟研究，来探讨其中的关键问题和应用前景。
首先，我们需要明确多孔介质传热现象的特点。
多孔介质是由固体颗粒和孔隙组成的材料，这些孔隙可以是连通的，也可以是孤立的。
在非均匀温度场下，传热现象往往会受到温度梯度的影响，导致热流的不均匀分布。
此外，多孔介质的传导、对流和辐射传热机制也需要同时考虑。
接下来，我们可以通过数值模拟的方法来研究非均匀温度场下的多孔介质传热问题。
数值模拟的基本思路是将传热问题转化为数学方程，然后通过计算机求解这些方程。
常用的数值模拟方法有有限元方法、有限体积法和边界元法等。
这些方法可以对多孔介质的不同尺度、不同物理过程进行模拟和分析，从而提供了详细的传热特性和温度场分布信息。
在进行数值模拟之前，我们需要先建立多孔介质的模型。
模型建立的关键是选择合适的几何形状和边界条件。
常见的多孔介质几何形状有平板、圆柱和球等。
边界条件可以是固定温度、热流量或热通量等。
根据不同的研究目的和实际情况，选择合适的模型和边界条件对于准确模拟多孔介质传热至关重要。
模型建立完成后，我们可以通过数值方法求解传热方程，得到多孔介质的温度场分布和热流分布。
在非均匀温度场下，热流的分布往往会导致温度场的不均匀变化。
通过数值模拟，我们可以分析不同的参数对传热特性的影响，如孔隙率、多孔介质的导热系数、温度梯度等。
数值模拟不仅可以提供多孔介质传热特性的定量分析，还可以为相关工程应用提供指导。
例如，在地热能开发中，多孔介质传热数值模拟可以帮助我们了解地下热储层的温度分布和热流分布，从而指导热储层的设计和开发。
在建筑节能领域，多孔介质传热数值模拟可以帮助我们分析建筑材料的传热特性，优化建筑结构和绝热层的设计。
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
经典传热传质学传热传质学-第1章
用式(1.1.2)定义的孔隙率在概念上是非常清楚的，但在实际应用时，仍有很多细
节需要辨清及正确处理。
1.对于非吸湿性多孔材料，由于其固相骨架不吸收水分，多孔材料整体的体积V 不
会因为孔隙中是否有水而发生变化，则可用简单的实验方法求得孔隙率。例如，用水将多孔
材料中孔隙灌满，而后测量孔隙中水的质量，求得其体积，按式(1.1.2)的定义得到孔隙率。
良好的产品性能是材(物)料加工行业追求的主要目标之一，而产品的性能往往更多地 依赖于多孔材(物)料中的固相骨架的性能。因此，讨论这类多孔材(物)料传热传质问题时其 重点不仅是材(物)料内流体相的流动与传热传质而更关注固相骨架本身及流体相对固相骨 架的影响，例如，木材人造板在经受热压加工过程中，板坯内温度分布与含水率分布直接影 响板坯的密度分布，最终影响板材的力学性能。又如，很多多孔性固体产品在干燥过程，为 保证产品质量，往往要求控制其变形，而材料的变形与其中温度分布与含水率分布关系密切。
状态不同，相继发生的传热传质行为也不同。又如，按控制多孔介质中流体的动量、能量和
质量传递的不同模式分类[2,3]。分为：多孔介质中流体流动过程; 多孔介质中热传导及质 量扩散过程; 多孔介质中对流传热及对流传质过程; 多孔介质中相变传热及传质过程等。
在材料学科中，为了更好地认识多孔材料的全貌，对繁多的多孔材料进行了分类与鉴
图 1-3 一种典型的针叶树材南方松粗视构造。
三层细胞壁 胞间层
管胞
微纤丝 晶体
微纤丝 四层胞间层
晶胞
图 1-4 构成针叶树材细胞壁的各元素间的相互关系
4
从以上两个简图中，我们可清楚地看到木材结构的复杂性。关于更多木材结构方面的 知识，读者可阅读有关木材学教材中的相关章节[10,11]。从木材的宏观特性来看，细胞结 构的复杂性表现在如下几个特征同时存在：
传热学论文(最新进展)
传热学的最新进展通过对传热学这门课程的学习,我了解了一些传热的基本知识和理论。
发现传热学是一门基础学科应用非常广泛,它会解决许许多多的实际问题，在课外的时间查找资料，对传热学这门课程有了新的印象。
传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学。
凡是有温度差的地方，就有热量自发的从高温物体向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。
热量传递有三种基本方式，即导热、对流和热辐射。
由于自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界和生产技术中的一种非常普遍的现象。
传热学在生产技术领域中的应用十分的广泛，在能源动力，化工制药，材料冶金、机械制造、建筑工程、环境保护等部门存在着大量的热量传递问题，而且还常常起着关键作用。
现代科学技术突飞猛进，传热学的工程应用研究也已跨越传统的能源动力，工艺过程节能的范畴，在材料的制备和加工、航天技术的发展、信息器件的温控、生物技术、医学、环境净化与生态维护、以及农业工程化、军备现代化等不同领域都有所牵涉。
特别是高技术的迅猛发展，正面临着温度场、速度场、浓度场、电磁场、光场、声场、化学势场等各种场相互耦合下的热量传递过程和温度控制，从而使传热学迅速发展为当今技术科学中了解各种热物理现象和创新相应技术的重要基础学科。
现就以下几个方面的传热学最新研究动态作简要的介绍。
一是多孔介质传热传质的研究，多孔介质是指内部含有许多空隙的固体材料。
这些空隙大多数是相互连通的，在这些空隙中可以充有液体或气体或气液两相。
从总体上来看，多孔介质是多相介质共存的一种组合系统。
若从任一相来看，其它相就弥散在其中，故又称多孔介质为弥散介质。
另外，由于空隙的联通性，可使处于多孔介质一端的流体，经空隙渗流到多孔介质的另一端，故又称为渗透性介质。
在许多工程技术应用领域，都要涉及这种带有众多空隙的固体中的热量传递问题，例如土壤和某些建筑材料中的传热问题，它涉及到水文、地质、石油勘探与开采、地热利用、建筑等工程技术问题；在化工生产中也常常温到多孔介质巾的传热传质问题；近代多孔结构已应用于强化沸腾换热、热管、火箭壁面、核反应堆蕊及高温电子器件的冷却或绝热；还须指出的是，它还涉及到生物、食品、医疗等领域。
多孔介质反应器内传热特性模拟
多孔介质反应器内传热特性模拟李超;朱群志【摘要】根据多孔介质流动、传热理论,采用了多孔介质内流动、能量传递的相关数学模型,并采用P1近似法处理多孔介质的辐射吸收过程,最后运用CFD软件,计算得出了孔隙率、材料材质、流速等因素对多孔介质区温度场、对流换热系数、努赛尔数的影响.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2015(031)005【总页数】6页(P413-418)【关键词】多孔介质;传热特性;CFD软件【作者】李超;朱群志【作者单位】上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TK125太阳能热化学反应是太阳能热利用的重要途径,其中以多孔介质为辐射吸热体的反应器的传热特性备受关注.多孔介质一般是指多孔固体骨架构成的孔隙空间及其中单相或多相介质流体的共同称谓.［1］多孔介质具有极大的单位体积比表面积,在固体骨架与内部流体之间的对流换热过程中起到非常重要的作用,同时,多孔介质在受到辐射照射时,其内部会对入射辐射产生吸收、散射等辐射现象及固体骨架之间的辐射换热过程.2010年,WU Z Y等人［2］在实验和仿真模拟的基础上提出了多孔介质内压降的模型,能够对多孔介质区的压降进行更广义的预测.2011年, ANDROZZIA等人［3］研究了金属泡沫内部的稳态传热,将内部结构简化为立方体单元,并分析了多孔介质区内导热、对流、辐射的耦合问题.2014年,WANG FQ等人［4］对多孔介质内辐射问题求解模型进行了研究,使用蒙特卡罗光迹追踪法(MCRT)等分析了P1模型和Rosseland模型下多孔介质内的温度分布.本文根据多孔介质内流动与传热特性,建立了相关数学模型,采用P1近似方法求解辐射传递过程,最终计算得出辐射强度、流速、孔隙率、材料材质等参数对多孔介质区温度场的影响.太阳能热化学反应器是太阳能热化学反应装置的核心部分,主要由反应器腔体和多孔介质吸热体组成.多孔介质吸热体一般选用碳化硅陶瓷.反应器的前端安装一石英玻璃窗,太阳能模拟器聚焦后的辐射能量通过石英玻璃窗进入反应器内部,照射在多孔介质吸热体上.辐射能被多孔介质吸收后转化为固体骨架的热能,当流体通过多孔介质区时,流体与多孔介质固体骨架之间发生对流换热,流体温度升高.同时,多孔介质固体骨架之间还存在辐射换热和热传导.图1为太阳能热化学反应器内多孔介质区示意图.多孔介质区的传热是一个非常复杂的过程.为了得到多孔介质区气相、固相的传热数学模型并更好地求解,作如下假设：(1)多孔介质内流体为理想的不可压缩流体；(2)忽略反应器壁与环境之间的对流换热损失；(3)多孔介质为各向同性、均匀的,具有吸收、散射特性并满足光学厚度的半透明介质.［5］2.1 质量守恒方程对于稳定流动的流体,其连续性方程为：式中：ρ——多孔介质中流体的密度；u——流体在多孔区的表观流速.2.2 动量守恒方程多孔介质区的流体假设为不可压缩流体,则其动量守恒方程为：式中：F——多孔介质区流动压降,由两部分组成,即Darcy粘性阻力项和惯性阻力项.μ——流体动力粘度.由于多孔介质满足各向同性、均匀的假设,将系数矩阵D和C中的对角线项代入1/α和C2,再令其他项为零,则有：式中：α——渗透率；1/α——粘性阻力系数；C2——惯性阻力系数.再将式(4)与Ergun半经验公式［1］对比,可得：式中：φ——多孔介质的孔隙率；dp——平均孔径大小.2.3 能量守恒方程多孔介质内的热量传递十分复杂,包涵了能量传递的多种形式,如多孔介质内的流体与固体骨架之间的对流换热,固体骨架的辐射换热,固体骨架内部的热传导,流体内部的传热等.其可分为流体相和固相两部分.流体相能量方程为：式中：cp,f——流体的定压比热容；Tf——流体温度；uf,vf——x方向和y方向的分速度；λeff,f——流体相有效导热系数,［6］λeff,f=φλf；Sconv——流体与多孔介质固体骨架之间的对流换热项；hv——多孔介质与流体之间的体对流换热系数,其数值可由不同模型求得.根据WANG F等人［7］的研究结果,对比Vafai模型［8］和Wu模型［9］在求解体对流换热系数对反应器内温度分布的影响时发现,Wu模型在流体进口时可以获得比Vafai模型更好的热平衡区,因此采用Wu模型的求解方式.Wu模型为：该模型仅适用于0.66＜φ＜0.93和70＜Re＜800都满足的情况.固相能量方程为：式中：cp,s——固体相的定压比热容；λeff,s——固体相有效导热系数,λeff,s=(1-φ)λs；Ts——固体相温度；Sw——反应器器壁的辐射损失项；Srad——辐射换热源项.反应器器壁的辐射损失项为：式中：εw——器壁的发射率；Tw——器壁的温度,由于器壁与多孔介质骨架紧密接触,故认为两者温度近似相等；T0——环境温度；σ——Stefan-Boltzmann常数.为了获得Srad,必须先求解辐射传递方程(RTE).［5］在多孔介质中,对散射积分强度G使用P1近似法表述的辐射传递方程为：散射的辐射换热量为：式中：ω——反照率系数.通过Gambit软件生成网格,网格数量为502 409.多孔介质反应器内的流体流动的Navier-Stokes方程,采用稳态层流和多孔介质模型求解；多孔介质介质区的流体压力损失应用Fluent6.3自带的User-Defined Scalar(UDS)运输方程求解；辐射能量传递方程采用P1近似法求解.3.1 流体流速的影响Fluent模拟中选取孔隙率为0.9的碳化硅多孔介质,太阳能模拟器发出约43 173W/m2强度的辐射照射到直径为80 mm的多孔介质反应器,孔隙内的流体工质为空气.当反应器内气体流速的速度为0.5 m/s,1.0 m/s,1.5 m/s时,分别计算不同流速下稳态时的温度场.图2为反应器中流体流速分别是0.5 m/s, 1.0 m/s,1.5 m/s时的温度分布示意.从图2可以看出,反应器内的温度分布沿着X轴正方向(即气流速度方向)递减,图2a,图2b,图2c描述了温度分布的趋势,但并不能观察到反应器中某一点上温度随流速的变化.为此,在X=60 mm处设置了一个监视器,以记录流速对温度的影响.随着流速从0.5 m/s, 1.0 m/s,1.5 m/s依次增大,Nu也逐渐增大,但X=60 mm截面处的温度仅有缓慢的上升.因此,可以认为在多孔介质区内各类传热过程中,单纯地增加流速并不一定会取得更好的换热效果.图3为流速对对流换热系数的影响示意.图4为流速对Nu的影响示意.从图3和图4中也可得到相似的结论,即在流速快速增加时,对流换热强烈程度的趋势变缓,对流换热系数的增幅也减弱.此外,由实验可知,在入口(X=20 mm)截面上,多孔介质吸收辐射能最多,温度也最高.此外,此界面的温度分布成环状——中间温度高,周围温度低,且温差较其他界面更大,容易导致多孔介质材料因热膨胀率不均匀而发生碎裂.因此,在设计反应器时应充分考虑此种情况带来的影响.3.2 孔隙率的影响图5是多孔介质材料为碳化硅,辐射强度为43 173 W/m2,流速为1.0 m/s,孔隙率分别为0.7,0.8,0.9时反应器内的温度分布图.图6为孔隙率对对流换热系数的影响；图7为孔隙率对Nu的影响.从图5可以看到,孔隙率从0.7到0.8和从0.8到0.9时,反应器内最高温度减小幅度增加,可见孔隙率的增加增强了温度降低的趋势.从图6和图7中可以看到,随着孔隙率的增大,Nu和对流换热系数都变大,表明对流换热强度的增强,会使流体带走更多的热量,导致反应器内温度降低,这也与图4中所呈现的温度变化一致.3.3 不同材质的影响在辐射强度为43 173 W/m2,流体流速为1 m/s,孔隙率为0.9的工况下,对比碳化硅陶瓷和泡沫金属铝两种材质的温度分布情况,如图8所示.由两种材料的热物性可知,铝的导热率为202.4 W/(K·m),碳化硅的导热率为80W/(K·m),铝的导热率是碳化硅的2.53倍.在传导相同的热量时,铝固体骨架各部分的温度梯度更小,在相同的位置上泡沫铝材料的骨架温度始终比碳化硅材料的骨架温度高,可以使流体在流过多孔介质区的过程中与固体骨架保持较大的传热温差.对流体而言,也可以从对流换热过程中获得更多的热量,从图8可以看出,在反应器的中后部分,泡沫铝的温度明显比碳化硅材料的温度高,且温度的分布更加均匀.由此可见,导热系数大的材料更利于反应器内温度分布均匀.在辐射强度为43 173W/m2,流速为1.0m/s的工况下,泡沫铝材料在孔隙率为0.7,0.8,0.9时反应器内温度场的变化情况如图9所示.对比图5和图9可以发现,在孔隙率从0.7到0.8和从0.8到0.9的变化过程中,碳化硅比泡沫铝材料的温度梯度更大,说明当孔隙率发生变化时,导热系数大的材料在减小反应器内的温差方面有较大的优势,也可以使反应器内温度分布更为均匀合理.在相同的孔隙率下,多孔介质的有效换热系数主要由固体骨架材料的导热系数决定,固相的导热系数越大,多孔介质的有效导热系数也越大.在孔隙率为0.7,0.8,0.9时,泡沫铝的温度梯度增大趋势更缓,这表明在孔隙率增大时,反应器内同一点的温差变化呈增大趋势,即有效导热系数小的材料有利于减缓由孔隙率变化而引起的温差变化.(1)当孔隙率增大时,反应器内最高温度降低幅度变大,此外,孔隙率的增加还会导致多孔介质有效导热系数的减小,不利于固体骨架内部的传热,容易导致多孔材料热膨胀不均.(2)不同材质的多孔介质材料在孔隙率不断增大时,导热系数大的材料的温度梯度增大趋势更快,这表明在孔隙率变化时,导热系数大的材料更利于减少反应器的温度分布不均现象.(3)当流速不断增大时,Nu增大,多孔介质内的换热也得到加强,使得反应器内的温度分布更加均匀.需要注意的是,在入口(X=20 mm)截面处的温度分布较其他截面具有更大的温差,更易引起多孔介质材料因膨胀不均而造成的碎裂.【相关文献】［1］刘伟,范爱武,黄晓明.多孔介质传热传质理论与应用［M］.北京：科学出版社,2006：2-3. ［2］WU Z,CALIOT C,BAIF,et al.Experimental and numerical studies of the pressure drop in ceram ic foams 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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J.Bear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2.1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。
2.2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)。
2.3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。