多孔介质传热传质理论与应用内容简介

《多孔介质传热传质理论与应用》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。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。《多孔介质传热传质理论与应用》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。

前言

主要符号

第一章 引论

§1.1 概述

1.1.1 多孔介质传输现象的研究概况

1.1.2 多孔介质的定义

1.1.2.1 定义

1.1.2.2 异质及各向异性

1.1.2.3 饱和多孔介质与非饱和多孔介质

1.1.3 多孔介质热质传输过程研究方法

1.1.3.1 基本研究方法

1.1.3.2 表征体元

§1.2 多孔介质的基本参数

1.2.1 结构参数

1.2.1.1 孔隙率

1.2.1.2 比面

1.2.1.3 迂曲度

1.2.1.4 固体颗粒尺寸

1.2.1.5 空隙尺寸

1.2.2 基本特性参数

1.2.2.1 渗透率

1.2.2.2 水力传导系数

1.2.2.3 饱和度

1.2.2.4 毛细压力

1.2.3 基本参数的测量

1.2.3.1 孔隙率的测量

1.2.3.2 比面的测量

1.2.3.3 渗透率的测量

1.2.4 孔隙率、渗透率和比面的典型值

§1.3 多孔介质传热传质过程的表述

1.3.1 多孔介质中的传热过程

1.3.2 多孔介质中的传质过程

§1.4 理论建模及求解

1.4.1 理论建模的基本过程

1.4.2 唯象定律

1.4.2.1 基本定律

1.4.2.2 唯象律的适用性

1.4.2.3 多孔介质各种传递过程的耦合

1.4.3 体积平均方法

1.4.4 初始条件与边界条件

1.4.5 数学模型的简化

1.4.5.1 确定无因次量

1.4.5.2 方程无因次化

1.4.5.3 求解方法

参考文献

第二章 多孔介质传热与流动的理论基础

§2.1 饱和多孔介质传热与流动的控制方程

2.1.1 连续方程

2.1.2 运动方程

2.1.2.1 达西定律

2.1.2.2 滑动流动

2.1.2.3 达西定律的修正

2.1.3 能量方程

2.1.3.1 简单流动

2.1.3.2 较复杂流动的扩展

§2.2 非饱和多孔介质传热与流动的控制方程

2.2.1 非饱和多孔介质输运模型的发展过程

2.2.1.1 梯度驱动模型

2.2.1.2 连续介质模型

2.2.1.3 混合模型

2.2.2 非饱和多孔介质输运机制

2.2.2.1 质量传输机制

2.2.2.2 热量传输机制

2.2.3 非饱和多孔介质传热与流动的数学模型

2.2.3.1 连续性方程

2.2.3.2 动量方程

2.2.3.3 能量方程

2.2.4 非饱和多孔介质的物性参数

2.2.4.1 平均比热容

2.2.4.2 有效渗透率

2.2.4.3 水力传导系数和气体传导系数

2.2.4.4 有效导热系数

2.2.4.5 有效热弥散系数

2.2.4.6 温度对物性的影响

2.2.5 小结

参考文献

第三章 土壤内的热量、湿分和溶质传输过程

§3.1 土壤水热传输机制

3.1.1 土壤内水气运动机制

3.1.1.1 水分运动机制

3.1.1.2 蒸汽扩散机制

3.1.1.3 土壤内气相运动机制

3.1.2 土壤内热迁移机制

3.1.3 土壤内热、湿迁移的理论模型

§3.2 土壤内热、湿传递过程的数值计算

3.2.1 物理模型

3.2.2 边界条件

3.2.3 计算结果与分析

3.2.3.1 夏天和冬天土壤温度响应的比较

3.2.3.2 环境因素对土壤内热湿迁移的动态影响

3.2.3.3 小结

§3.3 湿分分层土壤内的热湿传递过程

3.3.1 数学模型

3.3.2 计算结果与分析

3.3.2.1 湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟

3.3.2.2 湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟

3.3.2.3 土壤床内部水分含量和温度的动态变化

3.3.2.4 环境因素对土壤热、湿迁移的动态影响

3.3.3 自然条件下土壤热湿迁移及水分蒸发的分层实验

3.3.3.1 实验过程

3.3.3.2 实验结果与分析

3.3.3.3 小结

§3.4 温度效应对土壤热、湿运动的影响

3.4.1 温度效应对土壤湿分及其物性的影响

3.4.2 考虑温度效应的土壤热、湿耦合运移的改进模型

3.4.3 温度效应影响的计算比较

3.4.4 小结

§3.5 土壤次生盐渍化的机理研究

3.5.1 土壤中热量、水分和溶质的耦合运移模型

3.5.1.1 土壤中盐分运移的机理

3.5.1.2 土壤水、热和溶质耦合运移模型

3.5.2 土壤次生盐渍化水盐运动规律的实验研究和数值分析

3.5.2.1 地下水埋深和矿化度与土壤积盐的关系

3.5.2.2 土壤次生盐渍化之水盐运动规律的实验研究

3.5.2.3 土壤次生盐渍化过程中水分和盐分运移的数值模拟

3.5.2.4 小结

3.5.3 热效应对土壤中盐分输运的影响

3.5.3.1 热效应对土壤盐分物性的影响

3.5.3.2 考虑温度效应的土壤热量、湿分和盐分耦合运移模型

3.5.3.3 土壤盐分运移温度效应的数值分析

3.5.3.4 小结

3.5.4 地下水水位及矿化度对土壤盐分运移的影响

3.5.4.1 数值模拟

3.5.4.2 实验模拟

3.5.4.3 小结

参考文献

第四章 植物覆盖土壤中的热物理现象

§4.1 REPS系统中的传输问题

4.1.1 土温对植物生长发育的影响

4.1.2 土壤水分迁移模型

4.1.3 土壤空气状况

4.1.4 小结

§4.2 植物土壤内传热传质过程

4.2.1 根系吸水模型

4.2.2 作物冠层对土壤表面热通量

4.2.3 植物覆盖土壤的热湿耦合迁移模型及数值模拟

4.2.3.1 基本假设

4.2.3.2 数学模型

4.2.3.3 数值计算结果及分析

4.2.4 小结

§4.3 作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移

4.3.1 土壤空气的迁移转化

4.3.1.1 土壤空气的浊化过程

4.3.1.2 土壤空气的更新过程

4.3.2 氧气输运方程

4.3.3 作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移模型

4.3.4 土壤氧气浓度场的数值模拟

……

第五章 多孔介质在建筑物节能及温室中的应用

第六章 封闭空腔中多孔介质的流动与传热特性

第七章 多孔介质理论在航天器热控制技术中的应用

第八章 分形理论在多孔介质研究中的应用

第九章 多孔介质理论的其他应用

本书共分为8章，前3章为基础理论部分，内容涉及导热问题分析求解的基本方法，对流换热过程的特点与规律性，以及辐射传热原理与计算方法；第4-8章为传热学的专题应用部分，包括建筑环境传热与建筑节能技术，相变传热与蓄热，航天器热控制基础知识，多孔介质中的传热与传质，以及微/纳米尺度下的传热问题等内容。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的发动机

多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。实验表明,在常压条件下,多孔介质的存在可使燃烧速率提高10倍 。如果燃烧在更高的压力下进行,则燃烧速率还可进一步提高。可见,多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。这意味着,以瞬态燃烧为特征的内燃机,如采用多孔介质技术,则有望达到优良的排放性能。首先,适当的设计多孔介质燃烧室,就可对燃烧温度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述诸因素,包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部)较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。

美国人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介质发动机的概念,并将其称为再生式或蓄热式发动机。其提出的一种柴油机改造方案。多孔介质蓄热器置于气缸顶部,通过一驱动杆与活塞同步运动。蓄热器在大部分时间内,不是与缸盖接触,便是与活塞顶接触。吸气时,蓄热器固定在缸盖上。压缩行程中,蓄热器与活塞做反向运动,迫使气体穿越多孔介质的孔隙,从而吸取其中已积蓄的热量。喷油和燃烧后,蓄热器向上而活塞向下运动,高温燃气穿越多孔介质并将热量传给后者,从而完成一个循环。蓄热器的性能取决于多孔介质的材料,结构和几何形状。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的实验结果表明,与未加蓄热器的原型柴油机相比,在相同的空燃比下,热效率可提高50%,而比油耗可减少33%。另外,燃烧室顶部的气体平均温度有所增加,但其总体的温度则有所降低.

日本歧阜大学的花村克悟和越后亮三等人在超绝热燃烧方面做了不少开拓性工作。他们在1995年就提出了超绝热发动机的概念,并试制出一台样机。其设计思想类似于斯特林发动机。它由两个活塞(动力活塞与扫气活塞)和一个多孔介质蓄热器组成(实际上两个活塞分别置于两个气缸内,通过联动机构实现同步运动)。蓄热器位于两个活塞顶之间且固定不动。首先,新鲜混合气被吸入气缸,扫除缸内废气,然后扫气活塞对混合气进行压缩,而动力活塞则靠近蓄热器而保持不动。在压缩末期,两个活塞以几乎相同的速度同向运动,使得被压缩的混合气在多孔介质蓄热器中被预热并着火,从而实现等容燃烧。在后续的膨胀过程中,燃烧热通过动力活塞的运动转变成机械运动,此时,扫气活塞则靠近蓄热器保持不动。最后在排气冲程中,两个活塞同步右行,废气在穿越蓄热器时,其剩余热焓被有效地吸收并储存在多孔介质中。计算表明,即使对压缩比仅为2的情况,其热效率仍然可达26%,高于常规的奥托循环和狄塞尔循环。花村等人认为,在此基础上,可以研制出低压缩比的环保性好的高效率新型内燃机。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的热光伏系统

热光伏系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能。热光伏系统主要包括3大部分：燃烧器、选择性波长辐射器和光电池。热光伏系统的优点包括高功率密度，可使用多种燃料，便捷性，低噪音，可在无太阳光条件下运行，同时维修成本低。最近几年，基于III-V族半导体的低能带光电池的发展 ，热光伏系统的研究引起了人们的关注。热光伏系统在空间尺度上的缩小，使面积/容积比率增大，可更充分地利用燃烧辐射来激发热光电转换器产生电流，提高能量转换效率。一些军事组织对热光伏系统的转换产生了浓厚的兴趣，因为热光伏系统可能实现战略上的优势。加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。河南科技大学薛宏 等人以甲烷为燃料，对多孔介质燃烧器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合气流量的情况下作了一些研究。

序

前言

第1章 热传导理论分析

第2章 对流换热分析

第3章 辐射传热分析与计算

第4章 建筑环境传热

第5章 相变传热与蓄热

第6章 航天器热控制基础

第7章 多孔介质中的传热与传质

第8章 微/纳米尺度传热简介

附录 高斯误差函数及其性质