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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

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

2.1.3.1　简单流动32

2.1.3.2　较复杂流动的扩展32

2.2　非饱和多孔介质传热与流动的控制方程33

2.2.1　非饱和多孔介质输运模型的发展过程34

2.2.1.1　梯度驱动模型34

2.2.1.2　连续介质模型36

2.2.1.3　混合模型37

2.2.2　非饱和多孔介质输运机制38

2.2.2.1　质量传输机制39

2.2.2.2　热量传输机制44

2.2.3　非饱和多孔介质传热与流动的数学模型45

2.2.3.1　连续性方程46

2.2.3.2　动量方程47

2.2.3.3　能量方程49

2.2.4　非饱和多孔介质的物性参数52

2.2.4.1　平均比热容52

2.2.4.2　有效渗透率52

2.2.4.3　水力传导系数和气体传导系数53

2.2.4.4　有效导热系数53

2.2.4.5　有效热弥散系数53

2.2.4.6　温度对物性的影响54

2.2.5　小结55

参考文献55

第三章　土壤内的热量、湿分和溶质传输过程59

3.1　土壤水热传输机制59

3.1.1　土壤内水气运动机制59

3.1.1.1　水分运动机制59

3.1.1.2　蒸汽扩散机制60

3.1.1.3　土壤内气相运动机制61

3.1.2　土壤内热迁移机制61

3.1.3　土壤内热、湿迁移的理论模型61

3.2　土壤内热、湿传递过程的数值计算63

3.2.1　物理模型63

3.2.2　边界条件63

3.2.3　计算结果与分析64

3.2.3.1　夏天和冬天土壤温度响应的比较65

3.2.3.2　环境因素对土壤内热湿迁移的动态影响67

3.2.3.3　小结71

3.3　湿分分层土壤内的热湿传递过程71

3.3.1　数学模型71

3.3.2　计算结果与分析72

3.3.2.1　湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟72

3.3.2.2　湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟75

3.3.2.3　土壤床内部水分含量和温度的动态变化75

3.3.2.4　环境因素对土壤热、湿迁移的动态影响76

3.3.3 自然条件下土壤热湿迁移及水分蒸发的分层实验78

3.3.3.1　实验过程78

3.3.3.2　实验结果与分析78

3.3.3.3　小结81

3.4　温度效应对土壤热、湿运动的影响81

3.4.1 温度效应对土壤湿分及其物性的影响81

3.4.2　考虑温度效应的土壤热、湿耦合运移的改进模型82

3.4.3　温度效应影响的计算比较83

3.4.4　小结85

3.5　土壤次生盐渍化的机理研究85

3.5.1　土壤中热量、水分和溶质的耦合运移模型86

3.5.1.1　土壤中盐分运移的机理86

3.5.1.2　土壤水、热和溶质耦合运移模型86

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87

3.5.2.1　地下水埋深和矿化度与土壤积盐的关系87

3.5.2.2　土壤次生盐渍化之水盐运动规律的实验研究87

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92

3.5.2.4　小结93

3.5.3　热效应对土壤中盐分输运的影响94

3.5.3.1　热效应对土壤盐分物性的影响94

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94

3.5.3.3　土壤盐分运移温度效应的数值分析94

3.5.3.4　小结98

3.5.4　地下水水位及矿化度对土壤盐分运移的影响98

3.5.4.1　数值模拟98

3.5.4.2　实验模拟102

3.5.4.3　小结102

参考文献102

第四章　植物覆盖土壤中的热物理现象105

4.1 REPS系统中的传输问题105

4.1.1　土温对植物生长发育的影响105

4.1.2　土壤水分迁移模型107

4.1.3　土壤空气状况107

4.1.4　小结109

4.2　植物土壤内传热传质过程109

4.2.1　根系吸水模型109

4.2.2　作物冠层对土壤表面热通量112

4.2.3　植物覆盖土壤的热湿耦合迁移模型及数值模拟114

4.2.3.1　基本假设114

4.2.3.2　数学模型114

4.2.3.3　数值计算结果及分析115

4.2.4　小结119

4.3　作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移119

4.3.1　土壤空气的迁移转化120

4.3.1.1　土壤空气的浊化过程120

4.3.1.2　土壤空气的更新过程120

4.3.2　氧气输运方程121

4.3.3　作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移模型122

4.3.4　土壤氧气浓度场的数值模拟123

4.3.5　小结124

4.4　植物根系体积占位对土壤热湿迁移的影响124

4.4.1　根系占位土壤的数学模型125

4.4.1.1　根系体积百分含量计算公式125

4.4.1.2　边界条件125

4.4.2　计算结果与分析125

4.4.2.1　根系占位和不占位的植物覆盖土壤床内部各场量分布比较125

4.4.2.2　太阳辐射对含根系土壤床内水分含量场分布的影响129

4.4.3　小结130

4.5　基于根系结构的土壤热湿迁移模拟131

4.5.1　根系动态生长的计算机模拟131

4.5.2　土壤根系构型模拟软件132

4.5.2.1　根系生长与分布的数学描述132

4.5.2.2　根系构型模拟软件132

4.5.2.3　根系构型模拟软件绘制机理135

4.5.2.4　根系构型模拟软件框图136

4.5.2.5　模拟结果136

4.5.3　基于根系结构的土壤热湿迁移数学模型140

4.5.4　小结141

4.6　植物覆盖土壤床实验141

4.6.1　实验条件和方法142

4.6.2　实验结果分析143

4.6.3　小结147

4.7　植被条件下的土壤盐渍化问题147

4.7.1　植物生长对土壤盐渍化影响147

4.7.2　土壤次生盐渍化的防治措施149

参考文献151

第五章　多孔介质在建筑物节能及温室中的应用155

5.1　多孔介质自由蒸发冷却分析155

5.1.1　水平多孔填料床的热湿迁移特性156

5.1.1.1　多孔床结构及数学模型156

5.1.1.2　计算结果分析157

5.1.1.3　小结159

5.1.2　竖置多孔填料床的热湿迁移特性160

5.1.2.1　数学模型160

5.1.2.2　计算结果分析161

5.1.3　多孔床填料性能实验163

5.1.3.1　风洞实验台设计及系统结构163

5.1.3.2　实验过程165

5.1.3.3　实验结果分析167

5.1.4　小结172

5.2　一种建筑采暖系统的传热与流动分析172

5.2.1　基于工质相变循环的太阳能采暖系统172

5.2.2　简化数学模型173

5.2.3　计算结果及分析176

5.2.3.1　流动特性分析176

5.2.3.2　传热特性分析178

5.2.4　小结179

5.3　太阳能温室及其蓄热层中的传热与流动180

5.3.1　物理模型180

5.3.2　数学模型180

5.3.2.1　温室气体的湍流模型181

5.3.2.2　蓄热层气相饱和多孔介质模型184

5.3.2.3　边界条件及初始条件185

5.3.3　数值计算与结果分析186

5.3.3.1　温室北墙内表面特性对温室气温和气流分布的影响186

5.3.3.2　温室顶部倾角变化对温室气温和气流分布的影响187

5.3.3.3　具有多孔岩床蓄热层温室的顶部倾角变化的影响187

5.3.4　实验研究189

5.3.5　小结191

5.4　被动式太阳能温室-采暖房中对流传热的数值分析191

5.4.1　数学模型192

5.4.1.1　太阳能温室-采暖房的热平衡192

5.4.1.2　太阳能温室-采暖系统数学模型192

5.4.1.3　多孔蓄热层数学模型193

5.4.1.4　边界条件及初始条件194

5.4.2　数值计算与结果分析194

5.4.2.1　受采暖房北墙影响的计算结果194

5.4.2.2　受岩床蓄热层影响的计算结果195

5.4.2.3　实验研究196

5.4.3　小结200

5.5　多孔介质复合Trombe墙的传热与流动特性200

5.5.1　Trombe墙及其改进200

5.5.2　多孔介质复合Trombe墙201

5.5.2.1　复合Trombe墙的热平衡分析202

5.5.2.2　复合Trombe墙的数学模型204

5.5.3　复合Trombe墙的数值计算206

5.5.3.1　数值计算方法206

5.5.3.2　结果分析与讨论207

5.5.4　小结209

5.6　太阳能多孔集热墙内传热与流动的数值模拟210

5.6.1　物理模型210

5.6.2　数学模型211

5.6.3　数值计算与结果分析212

5.6.3.1　气体流动速度对温度分布的影响212

5.6.3.2　多孔材料有效导热系数对温度的影响213

5.6.3.3　气体和固体骨架间的体积对流换热系数对温度分布的影响213

5.6.3.4　多孔集热墙厚度对温度分布的影响214

5.6.4　结论214

参考文献215

第六章　封闭空腔中多孔介质的流动与传热特性218

6.1　封闭腔含湿多孔介质水分的静态分布特性218

6.2　高Da数下封闭填料床内热湿迁移特性220

6.2.1　简化模型221

6.2.2　控制方程221

6.2.3　计算结果及分析223

6.2.3.1　非饱和流动特性分析223

6.2.3.2　传热特性分析225

6.2.3.3　壁温及形状比对传热的影响226

6.2.4　小结227

6.3　低Da数下封闭填料床内热湿迁移特性227

6.3.1　模型简化227

6.3.2　无量纲数学模型228

6.3.3　计算结果与分析230

6.3.4　小结232

6.4　封闭腔内非饱和多孔介质稳态自然对流的近似分析解232

6.4.1　模型简化及推导233

6.4.2　计算结果比较237

6.4.3　小结238

6.5　倾斜矩形腔内非饱和多孔介质热质传输特性研究238

6.5.1　物理模型及数学描述239

6.5.2　数值分析及讨论240

6.5.2.1　对流模式240

6.5.2.2　传热特征244

6.5.3　小结245

6.6　多孔介质中的场协同分析245

6.6.1　场协同原理246

6.6.1.1　将对流换热比拟为有内热源的导热问题246

6.6.1.2　速度场与热流场的配合和协同246

6.6.1.3　场协同原理的表述247

6.6.2　多孔介质自然对流的场协同分析247

6.6.2.1　理论推导247

6.6.2.2　多孔介质自然对流传热的场协同计算249

6.6.2.3　小结250

参考文献251

第七章　多孔介质理论在航天器热控制技术中的应用253

7.1 CPL和LHP的研究概况253

7.2　CPL蒸发器毛细芯的传热与流动特性255

7.2.1　蒸发器毛细芯两区-饱和模型256

7.2.1.1　模型描述256

7.2.1.2　数值模拟257

7.2.2　蒸发器毛细芯三区-非饱和模型260

7.2.2.1　单相区（蒸汽或液体）260

7.2.2.2　两相区（蒸汽＋液体）261

7.2.2.3　数值模拟262

7.2.3　场协同原理在蒸发器毛细芯传热强化中的应用264

7.2.3.1　基于两区-饱和模型的场协同计算265

7.2.3.2　基于三区-非饱和模型的场协同计算268

7.2.4　小结271

7.3　冷凝器毛细芯的传热与流动特性272

7.3.1　EOF和VOF界面追踪方法272

7.3.1.1　流体体积函数（VOF）模型272

7.3.1.2　流体内能函数（EOF）模型274

7.3.2　冷凝器物理模型275

7.3.3　VOF模型用于多孔芯冷凝器换热的数值模拟276

7.3.3.1　控制方程276

7.3.3.2　数值计算及结果分析277

7.3.4　EOF模型用于多孔芯冷凝器换热的数值模拟279

7.3.4.1　EOF模型控制方程279

7.3.4.2　数值计算及结果分析281

7.3.5　小结282

7.4　平面式CPL和LHP蒸发器的数值模拟283

7.4.1　蒸发器的物理模型283

7.4.2　控制方程283

7.4.3　蒸发器材料对CPL传热特性的影响285

7.4.4　小结287

7.5　小型平板CPL蒸发器预热驱动过程287

7.5.1　小型平板CPL预热启动过程的数学模型287

7.5.2　计算结果分析288

7.5.3　小结292

7.6　CPL系统的动态仿真292

7.6.1　系统稳定运行的热力过程分析292

7.6.2　系统内工质的压力损失295

7.6.3　单位时间内工质的蒸发量与冷凝量297

7.6.4　系统热平衡分析298

7.6.5　CPL系统仿真模块299

7.6.5.1　Matlab/Simulink介绍299

7.6.5.2　仿真模块构成299

7.6.5.3　计算步骤与程序流程311

7.6.6　仿真与实验结果的比较314

7.6.6.1　热负荷不变运行的仿真结果与实验数据比较314

7.6.6.2　热负荷变化下运行的仿真结果与实验数据比较314

7.6.6.3　系统运行极限的仿真预测316

7.6.7　小结318

7.7　LHP系统的动态仿真319

7.7.1　LHP系统建模319

7.7.2　LHP系统仿真320

7.7.3　计算步骤与程序流程321

7.7.4　仿真结果及分析323

7.7.5　小结324

参考文献326

第八章　分形理论在多孔介质研究中的应用331

8.1　分形理论中的一些基本概念332

8.1.1　分形几何的产生332

8.1.2　分形的定义333

8.1.3　分维的形式333

8.2　多孔介质分形模型有关的基本概念335

8.2.1　表征多孔介质结构的分形参数335

8.2.2　分形布朗运动336

8.2.3　逾渗理论和分形结构中的反常扩散337

8.2.4　分形理论中动力学传输模型338

8.3　多孔介质物理结构的分形描述339

8.3.1　Menger海绵340

8.3.2　多孔介质孔隙率的分形描述340

8.3.3　多孔介质比表面积的分形描述340

8.4　多孔介质渗透率和导热系数的分形研究进展341

8.4.1　多孔介质导热分形模型341

8.4.2　多孔介质物质传输分形模型344

8.5　分形几何在植物根系研究中的应用355

8.5.1　根系分枝的分形特性355

8.5.2　土壤剖面上根系参数分布的分形特性356

8.5.3　根系分形研究的前景展望358

参考文献359

第九章　多孔介质传热传质理论的其他应用362

9.1　CO2吸附过程的热量和物质传递362

9.1.1　吸附操作的基本原理362

9.1.2　吸附过程的质量和热量传递过程363

9.1.2.1　质量传递过程363

9.1.2.2　热量传递过程364

9.1.3　数学模型与数值求解365

9.1.3.1　计算区域的设置和物理模型365

9.1.3.2　数学模型365

9.1.3.3　计算方法与结果366

9.1.4　小结368

9.2　利用多孔介质实现管内强化传热369

9.2.1　管内强化换热370

9.2.2　管内流动充分发展段热边界层的构造370

9.2.3　数值计算及结果分析370

9.2.3.1　理论模型370

9.2.3.2　数值计算方法372

9.2.3.3　结果及讨论372

9.2.4　场协同分析375

9.2.5　小结376

9.3　多孔介质对流干燥过程的热质传输376

9.3.1　多孔介质对流干燥机理描述376

9.3.2　对流干燥的数学模型378

9.3.3　计算方法380

9.3.4　计算结果及讨论381

9.3.5　小结382

9.4　生物组织中的热质传输过程382

9.4.1　生物传热模型的发展383

9.4.2　人体发汗的热调节机理探索384

9.4.3　人体肢体隐性发汗及其降温效应385

9.4.3.1　物理模型385

9.4.3.2　传热传质数学模型386

9.4.3.3　汗液的成分组成和热物性参数389

9.4.3.4　数值求解及其模拟结果389

9.4.3.5　皮表温度的实验测量395

9.4.4　人体肢体在显性发汗条件下的降温效应397

9.4.4.1　显性发汗的传热传质数学模型397

9.4.4.2　数值计算398

9.4.5　小结400

9.5　太阳能热气流发电系统的数值模拟401

9.5.1　无蓄热层系统的传热与流动特性分析402

9.5.1.1　物理模型402

9.5.1.2　集热棚和烟囱内传热与流动数学模型402

9.5.1.3　边界条件与求解403

9.5.1.4　计算结果与讨论403

9.5.2　有蓄热层系统的传热与流动特性分析405

9.5.2.1　蓄热介质内传热与流动数学模型405

9.5.2.2　边界条件与求解406

9.5.2.3　稳态计算结果与分析407

9.5.2.4　非稳态计算结果与分析411

9.5.3　具有风机系统的耦合数值模拟方法413

9.5.3.1　概述413

9.5.3.2　数学模型与模拟方法414

9.5.4　小结415

参考文献415