非傅里葉導(dǎo)熱實(shí)際應(yīng)用探討——“瞬時薄層”模型

在超常熱、質(zhì)傳遞條件下,緊靠介質(zhì)內(nèi)受熱或質(zhì)擾動的位置,存在一“薄層”區(qū)域,該薄層內(nèi)的熱傳導(dǎo)或質(zhì)量傳遞必須考慮非經(jīng)典(非傅立葉或非費(fèi)克) 傳遞效應(yīng),在薄層外、介質(zhì)內(nèi)其他部分的熱、質(zhì)傳遞仍近似符合經(jīng)典熱、質(zhì)傳遞定律(傅立葉和費(fèi)克定律) ；“瞬態(tài)薄層”內(nèi)的非經(jīng)典傳遞效應(yīng)只可能在熱、質(zhì)擾動過后的極短瞬時存在. 在分析介質(zhì)內(nèi)的非傅立葉導(dǎo)熱行為的同時,根據(jù)熱、質(zhì)傳遞的可類比性得到非經(jīng)典質(zhì)量傳遞“瞬態(tài)薄層”的厚度與質(zhì)松弛時間、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)以及質(zhì)量擾動的強(qiáng)度和瞬時性強(qiáng)弱的定性相關(guān)關(guān)系。

考慮到熱傳播速度的有限性,從不同的物理視角發(fā)展形成了多種非傅立葉導(dǎo)熱模型.除了文獻(xiàn)[1]中介紹過的6 種模型:基于熵產(chǎn)理論的熱波模型、單相延遲模型(即Cattano模型)、修正雙曲線熱傳導(dǎo)模型、微觀兩步模型、純聲子散射模型和雙相延遲模型外,至少還存在5 種非傅立葉導(dǎo)熱模型:熱傳播的隨機(jī)不連續(xù)擴(kuò)散模型, 基于玻爾茲曼的聲子熱輸運(yùn)模型,修正邊界條件的Cattaneo模型,絕緣介質(zhì)薄膜的聲子輻射熱輸運(yùn)方程(EPRT)以及均勻內(nèi)部結(jié)構(gòu)介質(zhì)的非平衡熱輸運(yùn)模型。

正如文獻(xiàn)中所描述的那樣,非傅立葉導(dǎo)熱模型的分析求解一般針對雙曲線非傅立葉導(dǎo)熱方程而言.雙曲線方程的求解較傳統(tǒng)的拋物線方程(傅立葉模型) 復(fù)雜得多.現(xiàn)有雙曲線型導(dǎo)熱方程的分析解,大都限于一維、常物性、線性邊界條件情形.此時問題的物理模型往往是一些規(guī)則的幾何形體.文獻(xiàn)對二維有限長圓柱,在井z=0表面受瞬變熱流作用的雙曲線型導(dǎo)熱方程進(jìn)行了求解.Frankel等求解了多層平壁的雙曲熱傳導(dǎo)問題.Tzou對熱擾動由介質(zhì)內(nèi)高速移動的點(diǎn)熱源或迅速產(chǎn)生的熱裂縫(crack tip)所引起的非傅立葉導(dǎo)熱現(xiàn)象進(jìn)行了分析求解.文獻(xiàn)提供了存在移動相界面的兩相介質(zhì)的雙曲分析解。Barletta分析求解了矩形橫截面的三維棒體、各邊界表面受瞬變熱流作用的雙曲熱傳導(dǎo)問題. 文獻(xiàn)則求解了更為復(fù)雜的非傅立葉導(dǎo)熱模型— 雙元相滯后模型。

一般地,非傅立葉導(dǎo)熱模型的分析求解均采用積分變換的方法.Frankel等用格林函數(shù)的方法也獲得了有限厚度平板,表面受瞬變熱流作用時的雙曲分析解.蔡睿賢等采用他們自創(chuàng)的加法分離變量方法獲得了不包含任何特殊函數(shù)的雙曲熱傳導(dǎo)方程的顯式分析解.Kiwan等指出用Trial solution methods也可對一些特殊雙曲線熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行求。

非傅立葉導(dǎo)熱模型數(shù)值求解的關(guān)鍵是迭代公式和迭代方法的選擇. Glass等指出,馬克柯馬克預(yù)測校正方法對雙曲線型非傅立葉導(dǎo)熱方程的求解非常有效。Glass等還用該方法數(shù)值求解了變物性(導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有關(guān)) 的雙曲線非傅立葉導(dǎo)熱模型。另外,Wiggert 等提供了雙曲線方程數(shù)值求解的一種新的差分方法——沿雙曲線型非傅立葉導(dǎo)熱方程的系數(shù)矩陣的特征線進(jìn)行網(wǎng)格差分.Carey等用有限元方法求解了雙曲線非傅立葉導(dǎo)熱模型.張浙等在對含對流與蒸發(fā)邊界條件的一維平板雙曲線型導(dǎo)熱問題進(jìn)行數(shù)值求解時, 為了方便處理邊界條件中所包含的脈沖熱流邊界條件,數(shù)值差分前引入了熱勢函數(shù)對雙曲導(dǎo)熱模型進(jìn)行了預(yù)處理。

普遍觀點(diǎn)認(rèn)為,無論物體中導(dǎo)熱過程的發(fā)生機(jī)理如何, 其都應(yīng)當(dāng)遵循導(dǎo)熱的基本定律, 即Fourier定律. Fourier定律是導(dǎo)熱現(xiàn)象規(guī)律性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié), 它是建立在大量常規(guī)傳熱實(shí)驗(yàn)(熱作用時間較長、強(qiáng)度較低) 的基礎(chǔ)上的.Fourier定律不涉及傳熱時間項(xiàng), 定律本身隱含了熱傳播速度為無限大的假設(shè).對于熱作用時間較長的穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及熱傳播速度較快的非穩(wěn)態(tài)常規(guī)傳熱過程,Fourier 定律的正確性是毋庸置疑的.但是,對于極端熱、質(zhì)傳遞條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,如極低(高) 溫條件的傳熱(質(zhì)) 問題、超急速傳熱(質(zhì)) 問題以及微時間或微空間尺度條件下的傳熱(質(zhì)) 問題,熱傳播速度的有限性卻必須考慮,由此也必定會出現(xiàn)一些有別于常規(guī)傳熱過程的物理特征. 我們把在極端熱、質(zhì)傳遞條件下出現(xiàn)的一些不遵循(或偏離)Fouirier導(dǎo)熱定律的熱傳遞效應(yīng)稱為熱傳導(dǎo)的非傅立葉效應(yīng).

非傅立葉效應(yīng)有望在許多工程實(shí)際中得以應(yīng)用.以超急速傳熱(質(zhì))為例,金屬的快速凝固、超導(dǎo)線圈的熱穩(wěn)定控制、核反應(yīng)堆及高溫熔融材料泄漏的緊急處理、強(qiáng)激光武器反射鏡的溫控、造紙工業(yè)的脈沖干燥、生物醫(yī)學(xué)工程中人體臟器官的超急速冷凍與解凍等過程中,溫度變化率(或傳熱速率) 非常高, 達(dá)10^3~10~7K/s甚至更高,非傅立葉導(dǎo)熱極有可能在這些實(shí)際過程中出現(xiàn)。

有關(guān)非傅立葉導(dǎo)熱的研究已有超過半個世紀(jì)的歷史,總的說來,非傅立葉導(dǎo)熱的研究還主要停留在理論研究水平, 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還相當(dāng)匾乏,非傅立葉導(dǎo)熱的實(shí)際應(yīng)用也還處于初步探索階段.為此作者確立了以實(shí)驗(yàn)研究為突破點(diǎn)、輔以必要的理論分析、通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析結(jié)果為非博立葉導(dǎo)熱的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)的研究路線,對超急速傳熱傳質(zhì)條件下的非經(jīng)典熱、質(zhì)傳遞效應(yīng)進(jìn)行了較為全面系統(tǒng)地研究.文中將逐次介紹作者在非傅立葉導(dǎo)熱的分析求解、實(shí)驗(yàn)研究、應(yīng)用探討以及用分子動力學(xué)模擬非傅立葉熱傳播方面的最新研究成果。

針對非傅立葉熱傳導(dǎo)的研究現(xiàn)狀,考慮到從事該領(lǐng)域的工作體驗(yàn),有如下的進(jìn)一步工作設(shè)想(或展望):

(l) 對可以量化的物性(如實(shí)驗(yàn)材料表面的光學(xué)物性、材料的熱物性等) 進(jìn)行實(shí)際測定,爭取實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量化分析；

(2) 繼續(xù)深入開展實(shí)驗(yàn)研究,爭取在更多的材料(尤其是生物材料) 內(nèi)發(fā)現(xiàn)非傅立葉效應(yīng)；

(3) 非傅立葉導(dǎo)熱的理論分析可以向多維模型擴(kuò)展；

(4) 結(jié)合熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理, 對非傅立葉導(dǎo)熱的理論模型進(jìn)行探討,爭取提出新的、更符合實(shí)際的理論模型；

(5)“ 瞬時薄層” 模型還需進(jìn)一步完善, 為工程實(shí)際中的一些常見極端熱、質(zhì)傳遞問題提供“瞬時薄層” 厚度的確切數(shù)據(jù)是該模型是否達(dá)到完善的評價指標(biāo)；

(6) 非經(jīng)典熱、質(zhì)禍合傳遞問題的研究應(yīng)當(dāng)面向?qū)嶋H進(jìn)行, 因?yàn)閷?shí)際中傳熱傳質(zhì)過程往往是相互伴隨的. 為更多的實(shí)際超常傳熱傳質(zhì)過程提供理論基礎(chǔ)是研究該問題的最終目的；

(7)用分子動力學(xué)方法模擬非經(jīng)典熱、質(zhì)傳遞問題應(yīng)當(dāng)是一非常有前途的研究方向.只是由于熱、力傳播的不可分割性,建議在用分子動力學(xué)方法模擬熱的傳播過程時, 綜合考慮力的作用因素。

極端熱、質(zhì)傳遞條件的非經(jīng)典熱、質(zhì)傳遞問題具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,是當(dāng)前傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的新興熱點(diǎn).本文全面詳細(xì)地綜述該領(lǐng)域的研究成果,重點(diǎn)介紹蔣方明等在非傅立葉導(dǎo)熱的理論求解、室溫條件下多孔材料內(nèi)非傅立葉導(dǎo)熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值模擬、非傅立葉導(dǎo)熱的“瞬時薄層”、 非費(fèi)克質(zhì)量傳遞的禍合分析、非傅立葉導(dǎo)熱的分子動力學(xué)模擬等方面的最新研究進(jìn)展。2100433B

傅立葉紅外氣體分析儀可同時分析100多種氣體，其獨(dú)特的雙光路系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在不干擾連續(xù)監(jiān)測過程的情況下采集背景，而無需將氣體池內(nèi)樣品氣排凈，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的真實(shí)性；采用高速動態(tài)準(zhǔn)直干涉儀可保證多年無誤差的運(yùn)行，在很大程度上保證了科研的精確性。 本課題組購置“傅立葉紅外氣體分析儀”用于模擬并在線監(jiān)測移動源或固定源中NH3、NOx、N2O、SO2等無機(jī)物和氯苯、聯(lián)苯等有機(jī)物等物質(zhì)的濃度的監(jiān)測，并開展對NOx和VOCs等環(huán)境污染物去除的相關(guān)研究。該設(shè)備滿足目前我校環(huán)境污染物相關(guān)研究工作的迫切需要。 2100433B

《非穩(wěn)固路基上水泥混凝土路面設(shè)計(jì)施工新技術(shù)》是一本圖書，作者是傅智

作者

傅智

出版時間

2007年7月

頁數(shù)

258 頁

定價

38.00 元

ISBN

9787114066665

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