多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用

前言

自然現(xiàn)象、生命現(xiàn)象和諸多生產(chǎn)領(lǐng)域中涉及的多孔介質(zhì)傳熱與流動問題十分復(fù)雜，尤其是多孔介質(zhì)中的相變傳熱與流動問題，涉及工程熱物理學(xué)科與其他多個學(xué)科的廣泛交叉，因此精確描述和揭示多孔介質(zhì)中能量、動量和質(zhì)量的傳輸機理和規(guī)律十分困難。國內(nèi)外研究以無相變的飽和多孔介質(zhì)問題居多，對非飽和多孔介質(zhì)中相變傳熱與流動的研究較少。迄今為止，國內(nèi)尚缺少上述領(lǐng)域的研究專著，也沒有較為合適的本科和研究生教材。自20世紀(jì)80年代以來，本書的第一著者一直從事多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的課題研究，并為博士和碩士研究生講授“多孔介質(zhì)傳熱與流動”課程，而且近年來，為了總結(jié)教學(xué)和研究工作，在不斷完善課程講義的基礎(chǔ)上，一直在進行本書的撰寫工作。盡管本書定稿已值2006年秋，但終于完成了系統(tǒng)介紹多孔介質(zhì)傳輸理論和應(yīng)用研究進展的夙愿。希望本書的出版能為推動國內(nèi)多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)方向的教學(xué)和研究，盡一點綿薄之力。關(guān)于多孔介質(zhì)學(xué)科方向的課題研究，著者有幾點基本的看法。第一，多孔介質(zhì)自身只是多種物質(zhì)狀態(tài)的集合體，但由于其特殊的物理屬性和特有的輸運性質(zhì)，以致在不同的應(yīng)用場合，可以發(fā)揮全然不同的作用，因此理論研究要與實際應(yīng)用相結(jié)合，并指導(dǎo)工程和科學(xué)實踐，這是科學(xué)研究的意義所在。第二，多孔介質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域很寬，一些新興技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，因此只有以多學(xué)科交叉的視角，不斷在新的領(lǐng)域拓展新的研究方向，才能獲得新的發(fā)展和突破，使該學(xué)科方向的研究始終充滿生機與活力。第三，工程和生產(chǎn)實踐中所遇到的多孔介質(zhì)相變傳熱與流動的問題往往十分復(fù)雜，精確的理論建模和準(zhǔn)確的實驗?zāi)M都比較困難，因此在研究方法上，要在對傳輸過程各種物理機制深刻分析的基礎(chǔ)上，抓住矛盾的主要方面，忽略次要因素，將過程的主要規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系抽象出來進行分析和研究，從而深入認(rèn)識并揭示各種實際輸運現(xiàn)象的物理本質(zhì)?；诖耍咴噲D在本書中按照“理論與應(yīng)用相結(jié)合”這一主線，將多年來在教學(xué)和研究工作中積累的心得和體會，進行較為系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，使讀者在研究對象、研究內(nèi)容和研究方法上，對多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論及其應(yīng)用領(lǐng)域，有一個相對完整、系統(tǒng)的認(rèn)識和了解。本書第一著者的博士和碩士研究生為本書的完成做出了積極的貢獻，他（她）們是范愛武、黃曉明、張浙、趙緒新、陳威、劉炳成、朱光明、楊昆、劉志春、明廷臻、萬忠民、陳麗湘、張學(xué)偉、蓋東興、申盛、鄧芳芳、韓延明、曾海波、金弋、王強等；楊金國老師在多孔介質(zhì)的實驗研究方面提供了大量的幫助和指導(dǎo)，沒有他（她）們卓有成效的工作和全力支持，著者也不可能完成本書的撰寫工作，在此一并致謝。

內(nèi)容概要

多孔介質(zhì)中質(zhì)量、動量及能量的傳遞現(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。本書內(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，土壤鹽漬化的機理、預(yù)報和實驗，多孔介質(zhì)分形的研究進展，以及多孔介質(zhì)理論在建筑節(jié)能、太陽溫室、多孔填料、航天器熱控制、CO2吸附、對 流干燥、生物傳熱、太陽能熱氣流發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用。    本書體系完整、內(nèi)容全面，可供能源、動力、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。

書籍目錄

前言主要符號第一章 引論　1.1 概述　1.2 多孔介質(zhì)的基本參數(shù)　1.3 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)過程的表述　1.4 理論建模及求解　參考文獻第二章 多孔介質(zhì)傳熱與流動的理論基礎(chǔ)　2.1 飽和多孔介質(zhì)傳熱與流動的控制方程　2.2 非飽和多孔介質(zhì)傳熱與流動的控制方程　參考文獻第三章 土壤內(nèi)的熱量、濕分和溶質(zhì)傳輸過程　3.1 土壤水熱傳輸機制　3.2 土壤內(nèi)熱、濕傳遞過程的數(shù)值計算　3.3 濕分分層土壤內(nèi)的熱濕傳遞過程　3.4 溫度效應(yīng)對土壤熱、濕運動的影響　3.5 土壤次生鹽漬化的機理研究　參考文獻第四章 植物覆蓋土壤中的熱物理現(xiàn)象　4.1 REPS系統(tǒng)中的傳輸問題　4.2 植物土壤內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程　4.3 作物生長土壤中熱量、濕分和氧氣的耦合遷移　4.4 植物根系體積占位對土壤熱濕遷移的影響　4.5 基于根系結(jié)構(gòu)的土壤熱濕遷移模擬　4.6 植物覆蓋土壤床實驗　4.7 植被條件下的土壤鹽漬化問題　參考文獻第五章 多孔介質(zhì)在建筑物節(jié)能及溫室中的應(yīng)用　5.1 多孔介質(zhì)自由蒸發(fā)冷卻分析　5.2 一種建筑采暖系統(tǒng)的傳熱與流動分析　5.3 太陽能溫室及其蓄熱層中的傳熱與流動　5.4 被動式太陽能溫室?采暖房中對流傳熱的數(shù)值分析　5.5 多孔介質(zhì)復(fù)合Trombe墻的傳熱與流動特性　5.6 太陽能多孔集熱墻內(nèi)傳熱與流動的數(shù)值模擬　參考文獻第六章 封閉空腔中多孔介質(zhì)的流動與傳熱特性　6.1 封閉腔含濕多孔介質(zhì)水分的靜態(tài)分布特性　6.2 高Da數(shù)下封閉填料床內(nèi)熱濕遷移特性　6.3 低Da數(shù)下封閉填料床內(nèi)熱濕遷移特性　6.4 封閉腔內(nèi)非飽和多孔介質(zhì)穩(wěn)態(tài)自然對流的近似分析解　6.5 傾斜矩形腔內(nèi)非飽和多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳輸特性研究　6.6 多孔介質(zhì)中的場協(xié)同分析　參考文獻第七章 多孔介質(zhì)理論在航天器熱控制技術(shù)中的應(yīng)用　7.1 CPL和LHP的研究概況　7.2 CPL蒸發(fā)器毛細(xì)芯的傳熱與流動特性　7.3 冷凝器毛細(xì)芯的傳熱與流動特性　7.4 平面式CPL和LHP蒸發(fā)器的數(shù)值模擬　7.5 小型平板CPL蒸發(fā)器預(yù)熱驅(qū)動過程　7.6 CPL系統(tǒng)的動態(tài)仿真　7.7 LHP系統(tǒng)的動態(tài)仿真　參考文獻第八章 分形理論在多孔介質(zhì)研究中的應(yīng)用　8.1 分形理論中的一些基本概念　8.2 多孔介質(zhì)分形模型有關(guān)的基本概念　8.3 多孔介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的分形描述　8.4 多孔介質(zhì)滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)的分形研究進展　8.5 分形幾何在植物根系研究中的應(yīng)用　參考文獻第九章 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論的其他應(yīng)用　9.1 CO2吸附過程的熱量和物質(zhì)傳遞　9.2 利用多孔介質(zhì)實現(xiàn)管內(nèi)強化傳熱　9.3 多孔介質(zhì)對流干燥過程的熱質(zhì)傳輸　9.4 生物組織中的熱質(zhì)傳輸過程　9.5 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬　參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：土壤中薄膜水達(dá)到一定值后，若含水量進一步增加，則增加的水分便由毛細(xì)力吸附在土壤細(xì)小空隙中，形成毛細(xì)水，這些水分通過薄膜水相連通，呈現(xiàn)為彌散狀態(tài)，此時的孔隙氣體為連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)水分含量繼續(xù)增加時，水珠將相互接觸，使得液態(tài)水與氣體均處于連續(xù)狀態(tài)，這時，可能出現(xiàn)在重力作用下可移動的水分，即重力水。圖3.1為土壤水分垂直分布簡圖。從以上分析可知：土壤中的薄膜水、毛管水、重力水具有遷移性的特征，這些水分的運動不僅僅由毛管力維持，而且受到多種力的驅(qū)動，如固體顆粒對液體的達(dá)西阻力，氣體與液體之間的相互作用，液膜運動的慣性力及液體重力等。3.1.1.2蒸汽擴散機制土壤中蒸汽的擴散與土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)有非常密切的關(guān)系。擴散機理視土壤內(nèi)部毛細(xì)孔道的形狀、大小及氣體的密度而異。當(dāng)密度較大的氣體通過孔道時，碰撞主要發(fā)生在氣體的分子之間，而分子與孔道壁面碰撞的機會較少，此類擴散的規(guī)律仍遵循菲克定律，成為菲克型分子擴散。當(dāng)毛細(xì)孔道的直徑很小，密度較小的氣體通過孔道時，碰撞主要發(fā)生在氣體分子與孔道壁面之間，而分子之間的碰撞退居次要地位，其沿空隙的擴散阻力主要產(chǎn)生于分子對孔壁的碰撞，而不像一般擴散那樣，是由于分子之間的碰撞，此類擴散不遵循菲克定律，稱為克努森擴散。當(dāng)毛細(xì)孔道直徑與氣體分子的平均自由程相當(dāng)時，分子之間的碰撞以及分子與孔道壁面之間的碰撞同等重要，亦即既有菲克擴散，也有克努森擴散，這類擴散稱為過渡區(qū)擴散。土壤結(jié)構(gòu)決定了蒸汽的擴散形式，通常有菲克擴散、克努森擴散，或二者兼有。由于一般所研究的土壤的毛細(xì)通道較大，因此，菲克擴散占主要地位。蒸汽的運動除了要考慮其擴散運動外，還應(yīng)考慮蒸汽跟隨著不凝性氣體（即空氣）的整體運動，即蒸汽運動具有絕對速度和相對速度。

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