多孔介质传热传质理论与应用

多孔介质传热传质理论与应用刘　伟　范爱武　黄晓明　著北　京内容简介多孔介质中质量、动量及能量的传递现象遍及于自然现象和工农业生产的许多领域，有着广泛的应用背景。本书内容包括饱和、非饱和多孔介质的理论分析和数学模型，裸露土壤及含植物土壤中热量与物质的迁移，土壤盐渍化的机理、预报和实验，多孔介质分形的研究进展，以及多孔介质理论在建筑节能、太阳温室、多孔填料、航天器热控制、ＣＯ２吸附、对流干燥、生物传热、太阳能热气流发电等领域的应用。本书体系完整、内容全面，可供能源、动力、化工、材料、物理、电子、农业等领域的科技究人员参考，也可作为大专院校有关专业研究生的教学用书。　图书在版编目（ＣＩＰ）数据　多孔介质传热传质理论与应用／刘伟，范爱武，黄晓明著—北京：科学出版社，２００６　ＩＳＢＮ７０３０１８３１９３　Ⅰ．多…　Ⅱ．①刘…②范…③黄…　Ⅲ．多孔介质－传热传质学　Ⅳ．ＴＫ１２４　中国版本图书馆ＣＩＰ数据核字（２００７）第０１２４５８号责任编辑：童安齐／责任校对：刘彦妮责任印制：吕春珉／封面设计：耕者设计工作室出版北京东黄城根北街１６号邮政编码：１００７１７ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｐ．ｃｏｍ印刷科学出版社发行　各地新华书店经销２００６年１２月第　一　版　　开本：７８７×１０９２１／１６２００６年１２月第一次印刷　　印张：２７１／２印数：１—２５００　　　　　　字数：６２００００定价：６８．００元（如有印装质量问题，我社负责调换枙科印枛）销售部电话０１０６２１３６１３１　编辑部电话０１０６２１３７０２６（ＢＺ０８）前　　言自然现象、生命现象和诸多生产领域中涉及的多孔介质传热与流动问题十分复杂，尤其是多孔介质中的相变传热与流动问题，涉及工程热物理学科与其他多个学科的广泛交叉，因此精确描述和揭示多孔介质中能量、动量和质量的传输机理和规律十分困难。国内外研究以无相变的饱和多孔介质问题居多，对非饱和多孔介质中相变传热与流动的研究较少。迄今为止，国内尚缺少上述领域的研究专著，也没有较为合适的本科和研究生教材。自２０世纪８０年代以来，本书的第一著者一直从事多孔介质传热传质的课题研究，并为博士和硕士研究生讲授“多孔介质传热与流动”课程，而且近年来，为了总结教学和研究工作，在不断完善课程讲义的基础上，一直在进行本书的撰写工作。尽管本书定稿已值２００６年秋，但终于完成了系统介绍多孔介质传输理论和应用研究进展的夙愿。希望本书的出版能为推动国内多孔介质传热传质方向的教学和研究，尽一点绵薄之力。关于多孔介质学科方向的课题研究，著者有几点基本的看法。第一，多孔介质自身只是多种物质状态的集合体，但由于其特殊的物理属性和特有的输运性质，以致在不同的应用场合，可以发挥全然不同的作用，因此理论研究要与实际应用相结合，并指导工程和科学实践，这是科学研究的意义所在。第二，多孔介质的应用领域很宽，一些新兴技术也在不断涌现，因此只有以多学科交叉的视角，不断在新的领域拓展新的研究方向，才能获得新的发展和突破，使该学科方向的研究始终充满生机与活力。第三，工程和生产实践中所遇到的多孔介质相变传热与流动的问题往往十分复杂，精确的理论建模和准确的实验模拟都比较困难，因此在研究方法上，要在对传输过程各种物理机制深刻分析的基础上，抓住矛盾的主要方面，忽略次要因素，将过程的主要规律及其内在联系抽象出来进行分析和研究，从而深入认识并揭示各种实际输运现象的物理本质。基于此，著者试图在本书中按照“理论与应用相结合”这一主线，将多年来在教学和研究工作中积累的心得和体会，进行较为系统的归纳和总结，使读者在研究对象、研究内容和研究方法上，对多孔介质传热传质理论及其应用领域，有一个相对完整、系统的认识和了解。本书第一著者的博士和硕士研究生为本书的完成做出了积极的贡献，他（她）们是范爱武、黄晓明、张浙、赵绪新、陈威、刘炳成、朱光明、杨昆、刘志春、明廷臻、万忠民、陈丽湘、张学伟、盖东兴、申盛、邓芳芳、韩延明、曾海波、金弋、王强等；杨金国老师在多孔介质的实验研究方面提供了大量的帮助和指导，没有他（她）们卓有成效的工作和全力支持，著者也不可能完成本书的撰写工作，在此一并致谢。本书的研究工作得到了国家自然科学基金（５８９０６４４７；５９９７６０１０；５０３７６０１５）、教育部博士点专项基金（２００００４８７３１；２００４０４８７０３７）和国家重点基础研究发展计划——“９７３”计划（Ｇ２００００２６３０３）的项目资助，其中，关于多孔材料在节能中的应用研究还得到了“９７３”项目的连续资助（２００７ＣＢ２０６９０１），在此致以诚挚的感谢。正是由于国家对应用基础研究·ｉ·的支持和鼓励，才促使著者多年来在多孔介质传热传质理论及其应用的科学研究中，不断地追寻和探索，并努力做一些学科交叉、前沿和具有一定创新性的工作。限于著者的学识和水平，本书难免有不妥之处，恳请读者批评指正。刘伟２００６年１１月于武昌·ｉｉ·主要符号表英文符号a　　热扩散系数　　　　　　　　　　　　　kｒl　　液相的相对渗透率A形状因子；面积kｒｇ汽相的相对渗透率c比热容；浓度L多孔填料床长度Cｓ土壤溶液的质量浓度M分子量D土壤水的扩散率m内部蒸发率Dｂ边界水导率N吸附质的扩散速率Dl液体扩散系数p压力Dlｖ由于含湿量梯度导致的扩散率pｃ毛细压力DＴｖ由于温度梯度导致的扩散率Q热流Dｓ盐分在土壤溶液中的扩散率q热流密度Dｖ水蒸气在空气中的扩散率R气体常数；各材料层热阻Dｖａ蒸汽向空气的质扩散系数RH大气的相对湿度Dｗ盐分在自由水中的扩散率Rｓ瞬时太阳辐射强度Dｄ有效热弥散系数s饱和度d直径；混合气体中蒸汽的重量含量S材料蓄热系数；源项g重力加速度T温度G太阳辐射强度t时间；温度H厚度；焓u水平方向速度分量hｍ对流传质系数v竖直方向速度分量hｏ对流传热系数V速度矢量J有效辐射Vｖ，ｄ蒸汽扩散的速度矢量K液体或气体的传导系数Wｂ血液灌注率KＦ流体中的传质系数x，y水平与竖直坐标X，Y无量纲坐标X辐射角系数k渗透率；湍流脉动动能希腊字母αｓ　　表面对太阳辐射的吸收系数　　　　　　　　μｔ　　湍流黏性系数β气体的体积膨胀系数ν流体的运动黏度；质量流因子·ｘｖ·ζ速度边界层的起始段长度Θ无量纲温度ε体积百分比含量；发射率；湍流黏性耗散能ρ密度多孔介质的孔隙率σ斯特潘玻尔兹曼常数；介质热容比；表面张力γ水的汽化潜能τ时间；孔隙迂曲度η效率ω相界面运动黏度λ导热系数ψ介质的水分势；流函数μ流体的动力黏度上标～　　无量纲量下标ａ　　空气；不凝性气体　　　　　　　　　　　　ｓ　　固体，溶质ｇ气体ｓｋｙ天空ｉ室内或各围护结构面ｓｕｎ太阳l液体ｖ蒸汽ｍ表观平均，质量ｗ液态水；墙面ｏ室外∞大气；环境其他枙枛　　相平均量　　　　　　　　　　　　　　枙枛α　　固有相平均量无量纲准则数Da　　达西数　　　　　　　　　　　　　　Re　　雷诺数G液体重力因子Reｔ湍流雷诺数Gr格拉晓夫数Pe贝克来数Ja雅各布数Pr普朗特数Le刘易斯数St斯坦顿数Nu努塞尔数Sc施密特数·ｘｖｉ·为与数字１区别，全书下标l均为斜体。目　　录前言主要符号第一章　引论１…………………………………………………………………………………§１１　概述１……………………………………………………………………………　　１１１　多孔介质传输现象的研究概况１………………………………………………　　１１２　多孔介质的定义２……………………………………………………………　　　　１１２１　定义２……………………………………………………………………　　　　１１２２　异质及各向异性３…………………………………………………………　　　　１１２３　饱和多孔介质与非饱和多孔介质３…………………………………………　　１１３　多孔介质热质传输过程研究方法５……………………………………………　　　　１１３１　基本研究方法５……………………………………………………………　　　　１１３２　表征体元６………………………………………………………………§１２　多孔介质的基本参数７…………………………………………………………　　１２１　结构参数７……………………………………………………………………　　　　１２１１　孔隙率７…………………………………………………………………　　　　１２１２　比面７……………………………………………………………………　　　　１２１３　迂曲度８…………………………………………………………………　　　　１２１４　固体颗粒尺寸８……………………………………………………………　　　　１２１５　空隙尺寸８………………………………………………………………　　１２２　基本特性参数９………………………………………………………………　　　　１２２１　渗透率９…………………………………………………………………　　　　１２２２　水力传导系数１０…………………………………………………………　　　　１２２３　饱和度１０………………………………………………………………　　　　１２２４　毛细压力１０………………………………………………………………　　１２３　基本参数的测量１１……………………………………………………………　　　　１２３１　孔隙率的测量１１…………………………………………………………　　　　１２３２　比面的测量１３……………………………………………………………　　　　１２３３　渗透率的测量１３…………………………………………………………　　１２４　孔隙率、渗透率和比面的典型值１４……………………………………………§１３　多孔介质传热传质过程的表述１５………………………………………………　　１３１　多孔介质中的传热过程１５……………………………………………………　　１３２　多孔介质中的传质过程１５……………………………………………………§１４　理论建模及求解１６………………………………………………………………·ｉｉｉ·　　１４１　理论建模的基本过程１７………………………………………………………　　１４２　唯象定律１７……………………………………………………………………　　　　１４２１　基本定律１７………………………………………………………………　　　　１４２２　唯象律的适用性１９………………………………………………………　　　　１４２３　多孔介质各种传递过程的耦合１９……………………………………………　　１４３　体积平均方法２１………………………………………………………………　　１４４　初始条件与边界条件２３………………………………………………………　　１４５　数学模型的简化２３……………………………………………………………　　　　１４５１　确定无因次量２４…………………………………………………………　　　　１４５２　方程无因次化２４…………………………………………………………　　　　１４５３　求解方法２６………………………………………………………………参考文献２７………………………………………………………………………………第二章　多孔介质传热与流动的理论基础２８………………………………………………§２１　饱和多孔介质传热与流动的控制方程２８………………………………………　　２１１　连续方程２８……………………………………………………………………　　２１２　运动方程２８……………………………………………………………………　　　　２１２１　达西定律２８………………………………………………………………　　　　２１２２　滑动流动３０………………………………………………………………　　　　２１２３　达西定律的修正３０………………………………………………………　　２１３　能量方程３２……