传热学论文学院：机电学院
学号：1110810726 班级：11108111 姓名：赵亮亮 哈尔滨工业大学 2012年10月29日
多孔介质传热传质的研究
一． 研究背景
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。
对多孔介质传递现象的研究最早始于1856年法国人Darcy对Dijon城地下水水源的研究，提出了著名的适用于一定条件下多孔介质流体流动的Darcy定律。但在此后的相当长时期内，一直停留在土壤与岩层中水流动这一类单纯可测得问题上。直到上世纪30年代后逐渐形成了多孔介质流体力学之一学科分支。同时，上世纪50年代左右，JMIKOB等人对多孔介质的干燥原理与技术进行了较为全面、系统、深入的研究，使人们对多孔介质传递过程的认识到达了一个新的高度。随着现代科学技术的发展，不断提出大量更为复杂的多孔介质传递问题，从而进一步促进了多孔介质传递科学的研究，成为当今世界科学技术发展中令人瞩目的热点。从历史发展角度加以分析，多孔介质传递学科存在如下特点：
1．众多学科交叉性质，涉及诸如渗流原理、毛细流理论、流体力学理论、扩散理论、相变机理和热力学原理等众多机理，求解过程还与数理方程、数值方法等数学科学紧密相联。
2．经过半个世纪，特别是近二十年来的发展，该学科已经具备了相当的基础，但其研究成果多分散于不同的应用领域，研究目的和研究内容因应用领域不同而在多孔介质的物理过程的性质研究方面各有侧重。在地下水文和石油开采中，关心的是多孔介质体中的液相流动规律；多孔介质干燥研究的重点在于水分的迁徙与蒸发；高温元件的冷却既注重传热又注重传质；对于化工填充床的研究不仅涉及气、液、固相之间的传热传质，而且要涉及化学反应过程。
3．无论从理论探讨还是从实际应用出发，多孔介质本身的不均匀性和随机性，构成了多孔介质传递现象和传递机理相互影响的错综复杂性，这给理论探讨和实验研究带来不少困难，必然给该学科的研究抹上经验主义色彩。
虽然多孔介质质量、动量和能量的传递过程是一非常复杂的传输现象，但其过程涉及几个基础学科：渗流、相变、扩散、流体力学、热力学、传热学等，还是得到广泛共识。对多孔介质传热传质加以分析，可总结出基本的传热传质形式。传热过程包括：骨架和填充相本身的导热；骨架和填充相（流体）之间的对流换热；多相体系之间的辐射换热；当发生相变时，还有相变换热。传质过程包括：由于分子热运动和浓度梯度的存在，将发生分子扩散；对于流体，当存在驱动力梯度时，如：
压力梯度、速度梯度、密度梯度、温度梯度等，就要发生对流传质；由于毛细多孔介质所特有的毛细行为，毛细力作用引起的宏观迁移。发生相变时，一种形态的物质转变成另一种形态的物质，必然存在物质的相态转变传质，同时伴随着潜热释放或吸取的相变换热过程。
二． 研究意义
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。因此，多孔介质中的热量传递过程，无论在过去还是现代，都是引人注目的研究课题。
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9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,可以认为,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。
三． 我国多孔介质传热传质研究现状与展望
我国多孔介质传热传质的研究始于50年代,从对国产保温材料和建筑材料的热物性测试以及泥煤的干燥开始,经历了几十年的研究历程,已取得了一批有价值的研究成果。近年来,在国家自然科学基金资助下，多孔介质传热传质被列为“八五”国家自然科学基金重点课题,研究工作取得了重要进展。概括起来,可以分成5个方面：
1．发展了多孔介质热湿迁移的综合理论
未饱和含湿多孔介质中传热传质过程,由于存在毛细滞后而变得十分复杂,给定量研究带来了极大的困难,是研究中的一大难题。虽然从30年代起国外就有许多学者从事毛细滞后的研究,但一直停留在定性研究阶段。近年来,我国在这方面的研究已取得了突破性进展。从理论上对毛细滞后的成因提出了新的见解,建立了毛细多孔介质等温渗流的闺梯度理论和毛细滞后准则,从而实现了对毛细滞后现象的定量描述。导出了考虑毛细滞后现象的未饱和多孔介质传热传质微分方程组,揭示了传统理论中所包含的各种热湿迁移特性具有多值性的物理基础在传热传质模型方面,利用多相渗流理论和蒸汽在气相中的扩散迁移理论,发展了同时考虑温度梯度下的导热和气、液两相流体的对流和扩散迁移以及液体和蒸汽的相变热作用、温度对毛细压力和物性的影响等多种复杂过程的多孔介质传热传质模型。 2.发展了多孔介质热湿迁移性质的测定方法和技术
由于多孔介质结构复杂和缺乏测试的有效手段和方法,热湿迁移性质十分厦乏。我国从80年代开始,就进行了多孔介质热湿迁移性质新方法和技术的研究，发展了平面热源法,测量了国产泡沫混凝土的当量导热系数人和当量导温系数。并成功地分离出了真导热系数,利用动态热线法同时侧试了导热系数和导温系数，提出了在野外同时测定松散介质导热系数和导温系数的“加热一冷却”法。
根据多孔介质热湿迁移的综合理论,探讨了利用常功率平面热源法测定含湿材料的质扩散系数和热质扩散系数，提出了一种动态、快速、同时测试含湿多孔体的新的实用方法和技术，并正在向实用化方向发展,从而可望改变国际上惯用的静态、单项测试的繁琐费时的局面。
发展了电容法测量平均和局部湿含量的测试技术和测定局部湿含量的脉冲电
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