多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用

前言

主要符號(hào)

第一章 引論

§1.1 概述

1.1.1 多孔介質(zhì)傳輸現(xiàn)象的研究概況

1.1.2 多孔介質(zhì)的定義

1.1.2.1 定義

1.1.2.2 異質(zhì)及各向異性

1.1.2.3 飽和多孔介質(zhì)與非飽和多孔介質(zhì)

1.1.3 多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳輸過(guò)程研究方法

1.1.3.1 基本研究方法

1.1.3.2 表征體元

§1.2 多孔介質(zhì)的基本參數(shù)

1.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.1.1 孔隙率

1.2.1.2 比面

1.2.1.3 迂曲度

1.2.1.4 固體顆粒尺寸

1.2.1.5 空隙尺寸

1.2.2 基本特性參數(shù)

1.2.2.1 滲透率

1.2.2.2 水力傳導(dǎo)系數(shù)

1.2.2.3 飽和度

1.2.2.4 毛細(xì)壓力

1.2.3 基本參數(shù)的測(cè)量

1.2.3.1 孔隙率的測(cè)量

1.2.3.2 比面的測(cè)量

1.2.3.3 滲透率的測(cè)量

1.2.4 孔隙率、滲透率和比面的典型值

§1.3 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的表述

1.3.1 多孔介質(zhì)中的傳熱過(guò)程

1.3.2 多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)過(guò)程

§1.4 理論建模及求解

1.4.1 理論建模的基本過(guò)程

1.4.2 唯象定律

1.4.2.1 基本定律

1.4.2.2 唯象律的適用性

1.4.2.3 多孔介質(zhì)各種傳遞過(guò)程的耦合

1.4.3 體積平均方法

1.4.4 初始條件與邊界條件

1.4.5 數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化

1.4.5.1 確定無(wú)因次量

1.4.5.2 方程無(wú)因次化

1.4.5.3 求解方法

參考文獻(xiàn)

第二章 多孔介質(zhì)傳熱與流動(dòng)的理論基礎(chǔ)

§2.1 飽和多孔介質(zhì)傳熱與流動(dòng)的控制方程

2.1.1 連續(xù)方程

2.1.2 運(yùn)動(dòng)方程

2.1.2.1 達(dá)西定律

2.1.2.2 滑動(dòng)流動(dòng)

2.1.2.3 達(dá)西定律的修正

2.1.3 能量方程

2.1.3.1 簡(jiǎn)單流動(dòng)

2.1.3.2 較復(fù)雜流動(dòng)的擴(kuò)展

§2.2 非飽和多孔介質(zhì)傳熱與流動(dòng)的控制方程

2.2.1 非飽和多孔介質(zhì)輸運(yùn)模型的發(fā)展過(guò)程

2.2.1.1 梯度驅(qū)動(dòng)模型

2.2.1.2 連續(xù)介質(zhì)模型

2.2.1.3 混合模型

2.2.2 非飽和多孔介質(zhì)輸運(yùn)機(jī)制

2.2.2.1 質(zhì)量傳輸機(jī)制

2.2.2.2 熱量傳輸機(jī)制

2.2.3 非飽和多孔介質(zhì)傳熱與流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

2.2.3.1 連續(xù)性方程

2.2.3.2 動(dòng)量方程

2.2.3.3 能量方程

2.2.4 非飽和多孔介質(zhì)的物性參數(shù)

2.2.4.1 平均比熱容

2.2.4.2 有效滲透率

2.2.4.3 水力傳導(dǎo)系數(shù)和氣體傳導(dǎo)系數(shù)

2.2.4.4 有效導(dǎo)熱系數(shù)

2.2.4.5 有效熱彌散系數(shù)

2.2.4.6 溫度對(duì)物性的影響

2.2.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第三章 土壤內(nèi)的熱量、濕分和溶質(zhì)傳輸過(guò)程

§3.1 土壤水熱傳輸機(jī)制

3.1.1 土壤內(nèi)水氣運(yùn)動(dòng)機(jī)制

3.1.1.1 水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制

3.1.1.2 蒸汽擴(kuò)散機(jī)制

3.1.1.3 土壤內(nèi)氣相運(yùn)動(dòng)機(jī)制

3.1.2 土壤內(nèi)熱遷移機(jī)制

3.1.3 土壤內(nèi)熱、濕遷移的理論模型

§3.2 土壤內(nèi)熱、濕傳遞過(guò)程的數(shù)值計(jì)算

3.2.1 物理模型

3.2.2 邊界條件

3.2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.3.1 夏天和冬天土壤溫度響應(yīng)的比較

3.2.3.2 環(huán)境因素對(duì)土壤內(nèi)熱濕遷移的動(dòng)態(tài)影響

3.2.3.3 小結(jié)

§3.3 濕分分層土壤內(nèi)的熱濕傳遞過(guò)程

3.3.1 數(shù)學(xué)模型

3.3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.2.1 濕分分層時(shí)土壤床熱濕傳輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

3.3.2.2 濕分分層時(shí)土壤床熱濕傳輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

3.3.2.3 土壤床內(nèi)部水分含量和溫度的動(dòng)態(tài)變化

3.3.2.4 環(huán)境因素對(duì)土壤熱、濕遷移的動(dòng)態(tài)影響

3.3.3 自然條件下土壤熱濕遷移及水分蒸發(fā)的分層實(shí)驗(yàn)

3.3.3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.3.3 小結(jié)

§3.4 溫度效應(yīng)對(duì)土壤熱、濕運(yùn)動(dòng)的影響

3.4.1 溫度效應(yīng)對(duì)土壤濕分及其物性的影響

3.4.2 考慮溫度效應(yīng)的土壤熱、濕耦合運(yùn)移的改進(jìn)模型

3.4.3 溫度效應(yīng)影響的計(jì)算比較

3.4.4 小結(jié)

§3.5 土壤次生鹽漬化的機(jī)理研究

3.5.1 土壤中熱量、水分和溶質(zhì)的耦合運(yùn)移模型

3.5.1.1 土壤中鹽分運(yùn)移的機(jī)理

3.5.1.2 土壤水、熱和溶質(zhì)耦合運(yùn)移模型

3.5.2 土壤次生鹽漬化水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析

3.5.2.1 地下水埋深和礦化度與土壤積鹽的關(guān)系

3.5.2.2 土壤次生鹽漬化之水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

3.5.2.3 土壤次生鹽漬化過(guò)程中水分和鹽分運(yùn)移的數(shù)值模擬

3.5.2.4 小結(jié)

3.5.3 熱效應(yīng)對(duì)土壤中鹽分輸運(yùn)的影響

3.5.3.1 熱效應(yīng)對(duì)土壤鹽分物性的影響

3.5.3.2 考慮溫度效應(yīng)的土壤熱量、濕分和鹽分耦合運(yùn)移模型

3.5.3.3 土壤鹽分運(yùn)移溫度效應(yīng)的數(shù)值分析

3.5.3.4 小結(jié)

3.5.4 地下水水位及礦化度對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響

3.5.4.1 數(shù)值模擬

3.5.4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

3.5.4.3 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第四章 植物覆蓋土壤中的熱物理現(xiàn)象

§4.1 REPS系統(tǒng)中的傳輸問(wèn)題

4.1.1 土溫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

4.1.2 土壤水分遷移模型

4.1.3 土壤空氣狀況

4.1.4 小結(jié)

§4.2 植物土壤內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程

4.2.1 根系吸水模型

4.2.2 作物冠層對(duì)土壤表面熱通量

4.2.3 植物覆蓋土壤的熱濕耦合遷移模型及數(shù)值模擬

4.2.3.1 基本假設(shè)

4.2.3.2 數(shù)學(xué)模型

4.2.3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.4 小結(jié)

§4.3 作物生長(zhǎng)土壤中熱量、濕分和氧氣的耦合遷移

4.3.1 土壤空氣的遷移轉(zhuǎn)化

4.3.1.1 土壤空氣的濁化過(guò)程

4.3.1.2 土壤空氣的更新過(guò)程

4.3.2 氧氣輸運(yùn)方程

4.3.3 作物生長(zhǎng)土壤中熱量、濕分和氧氣的耦合遷移模型

4.3.4 土壤氧氣濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬

……

第五章 多孔介質(zhì)在建筑物節(jié)能及溫室中的應(yīng)用

第六章 封閉空腔中多孔介質(zhì)的流動(dòng)與傳熱特性

第七章 多孔介質(zhì)理論在航天器熱控制技術(shù)中的應(yīng)用

第八章 分形理論在多孔介質(zhì)研究中的應(yīng)用

第九章 多孔介質(zhì)理論的其他應(yīng)用

《多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用》體系完整、內(nèi)容全面，可供能源、動(dòng)力、化工、材料、物理、電子、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的科技究人員參考，也可作為大專院校有關(guān)專業(yè)研究生的教學(xué)用書(shū)。多孔介質(zhì)中質(zhì)量、動(dòng)量及能量的傳遞現(xiàn)象遍及于自然現(xiàn)象和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用背景?！抖嗫捉橘|(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用》內(nèi)容包括飽和、非飽和多孔介質(zhì)的理論分析和數(shù)學(xué)模型，裸露土壤及含植物土壤中熱量與物質(zhì)的遷移，土壤鹽漬化的機(jī)理、預(yù)報(bào)和實(shí)驗(yàn)，多孔介質(zhì)分形的研究進(jìn)展，以及多孔介質(zhì)理論在建筑節(jié)能、太陽(yáng)溫室、多孔填料、航天器熱控制、CO2吸附、對(duì) 流干燥、生物傳熱、太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本書(shū)共分為8章，前3章為基礎(chǔ)理論部分，內(nèi)容涉及導(dǎo)熱問(wèn)題分析求解的基本方法，對(duì)流換熱過(guò)程的特點(diǎn)與規(guī)律性，以及輻射傳熱原理與計(jì)算方法；第4-8章為傳熱學(xué)的專題應(yīng)用部分，包括建筑環(huán)境傳熱與建筑節(jié)能技術(shù)，相變傳熱與蓄熱，航天器熱控制基礎(chǔ)知識(shí)，多孔介質(zhì)中的傳熱與傳質(zhì)，以及微/納米尺度下的傳熱問(wèn)題等內(nèi)容。

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)

多孔介質(zhì)有利于非定常燃燒過(guò)程的另一個(gè)重要特性是它能大幅度提高有效燃燒速率。實(shí)驗(yàn)表明,在常壓條件下,多孔介質(zhì)的存在可使燃燒速率提高10倍 。如果燃燒在更高的壓力下進(jìn)行,則燃燒速率還可進(jìn)一步提高。可見(jiàn),多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)非常適合于內(nèi)燃機(jī)那樣強(qiáng)烈瞬態(tài)的燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器中蒸發(fā)、傳熱和燃燒過(guò)程都能在很短的時(shí)間尺度下完成。這意味著,以瞬態(tài)燃燒為特征的內(nèi)燃機(jī),如采用多孔介質(zhì)技術(shù),則有望達(dá)到優(yōu)良的排放性能。首先,適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)多孔介質(zhì)燃燒室,就可對(duì)燃燒溫度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介質(zhì)內(nèi)液體燃料的快速蒸發(fā)和完全燃燒也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述諸因素,包括較低的燃燒溫度、快速的蒸發(fā)、均勻的混合氣形成以及燃?xì)庠诜磻?yīng)區(qū)(多孔介質(zhì)內(nèi)部)較長(zhǎng)的滯留時(shí)間都使得碳煙微粒的排放得以降低。

美國(guó)人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念,并將其稱為再生式或蓄熱式發(fā)動(dòng)機(jī)。其提出的一種柴油機(jī)改造方案。多孔介質(zhì)蓄熱器置于氣缸頂部,通過(guò)一驅(qū)動(dòng)桿與活塞同步運(yùn)動(dòng)。蓄熱器在大部分時(shí)間內(nèi),不是與缸蓋接觸,便是與活塞頂接觸。吸氣時(shí),蓄熱器固定在缸蓋上。壓縮行程中,蓄熱器與活塞做反向運(yùn)動(dòng),迫使氣體穿越多孔介質(zhì)的孔隙,從而吸取其中已積蓄的熱量。噴油和燃燒后,蓄熱器向上而活塞向下運(yùn)動(dòng),高溫燃?xì)獯┰蕉嗫捉橘|(zhì)并將熱量傳給后者,從而完成一個(gè)循環(huán)。蓄熱器的性能取決于多孔介質(zhì)的材料,結(jié)構(gòu)和幾何形狀。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與未加蓄熱器的原型柴油機(jī)相比,在相同的空燃比下,熱效率可提高50%,而比油耗可減少33%。另外,燃燒室頂部的氣體平均溫度有所增加,但其總體的溫度則有所降低.

日本歧阜大學(xué)的花村克悟和越后亮三等人在超絕熱燃燒方面做了不少開(kāi)拓性工作。他們?cè)?995年就提出了超絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念,并試制出一臺(tái)樣機(jī)。其設(shè)計(jì)思想類似于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。它由兩個(gè)活塞(動(dòng)力活塞與掃氣活塞)和一個(gè)多孔介質(zhì)蓄熱器組成(實(shí)際上兩個(gè)活塞分別置于兩個(gè)氣缸內(nèi),通過(guò)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng))。蓄熱器位于兩個(gè)活塞頂之間且固定不動(dòng)。首先,新鮮混合氣被吸入氣缸,掃除缸內(nèi)廢氣,然后掃氣活塞對(duì)混合氣進(jìn)行壓縮,而動(dòng)力活塞則靠近蓄熱器而保持不動(dòng)。在壓縮末期,兩個(gè)活塞以幾乎相同的速度同向運(yùn)動(dòng),使得被壓縮的混合氣在多孔介質(zhì)蓄熱器中被預(yù)熱并著火,從而實(shí)現(xiàn)等容燃燒。在后續(xù)的膨脹過(guò)程中,燃燒熱通過(guò)動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng),此時(shí),掃氣活塞則靠近蓄熱器保持不動(dòng)。最后在排氣沖程中,兩個(gè)活塞同步右行,廢氣在穿越蓄熱器時(shí),其剩余熱焓被有效地吸收并儲(chǔ)存在多孔介質(zhì)中。計(jì)算表明,即使對(duì)壓縮比僅為2的情況,其熱效率仍然可達(dá)26%,高于常規(guī)的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)?；ù宓热苏J(rèn)為,在此基礎(chǔ)上,可以研制出低壓縮比的環(huán)保性好的高效率新型內(nèi)燃機(jī)。

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)燃燒的熱光伏系統(tǒng)

熱光伏系統(tǒng)的基本原理是把燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉(zhuǎn)換成電能。熱光伏系統(tǒng)主要包括3大部分：燃燒器、選擇性波長(zhǎng)輻射器和光電池。熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括高功率密度，可使用多種燃料，便捷性，低噪音，可在無(wú)太陽(yáng)光條件下運(yùn)行，同時(shí)維修成本低。最近幾年，基于III-V族半導(dǎo)體的低能帶光電池的發(fā)展 ，熱光伏系統(tǒng)的研究引起了人們的關(guān)注。熱光伏系統(tǒng)在空間尺度上的縮小，使面積/容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來(lái)激發(fā)熱光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換效率。一些軍事組織對(duì)熱光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)闊峁夥到y(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略上的優(yōu)勢(shì)。加入多孔介質(zhì)的燃燒器由于對(duì)流，導(dǎo)熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區(qū)域溫度趨于均勻，保持較平穩(wěn)的溫度梯度。在燃燒穩(wěn)定的同時(shí)還具有較高的容積熱強(qiáng)度。河南科技大學(xué)薛宏 等人以甲烷為燃料，對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合氣流量的情況下作了一些研究。

序

前言

第1章 熱傳導(dǎo)理論分析

第2章 對(duì)流換熱分析

第3章 輻射傳熱分析與計(jì)算

第4章 建筑環(huán)境傳熱

第5章 相變傳熱與蓄熱

第6章 航天器熱控制基礎(chǔ)

第7章 多孔介質(zhì)中的傳熱與傳質(zhì)

第8章 微/納米尺度傳熱簡(jiǎn)介

附錄 高斯誤差函數(shù)及其性質(zhì)