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。
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。
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.