多孔介质的自然对流传热与传质问题与工农业生产及工程实际联系紧密,了解多孔介质内部结构特性及热质传递规律对相关领域的过程优化和效率提升有重要作用。《多孔介质自然对流传热传质》重点关注全部填充及部分填充多孔介质封闭腔体内的自然对流传热传质问题。第2~4章探讨了多孔介质封闭腔体内的自然对流传热传质耦合效应的有限元数值求解及电化学实验研究方法,第5~7章探讨了部分填充多孔介质封闭腔体内的自然对流交界面滑移效应的有限元数值求解及交界面滑移效应的PIV实验测试研究,第8、9章介绍了多孔介质内部结构X-CT实验测试方法,并探讨了多孔介质的结构重构和LBM方法的数值求解。
《多孔介质自然对流传热传质》既可作为本科院校学生及研究生参考用书,亦可供相关领域学者参考。
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多孔介质中的传递现象遍及自然界及工农业生产的各个方面,相关的传热传质学研究也已渗透到包括农业、能源、冶金、化工、材料、建筑、空间科学、环境科学、生命科学和医学等在内的科学和技术领域。多孔介质结构的复杂性和多相的存在,尤其是多孔介质内部流动、温度、浓度等各种物理场的耦合作用,产生诸如耦合扩散、相界面作用、界面滑移、毛细作用等各种复杂效应,对其传热传质过程产生重要的影响。
本书的第一著者从20世纪90年代初开始研究多孔介质中的传递问题,重点关注了多孔介质及其复合系统内部由于温度梯度和浓度梯度产生的自然对流及热质传递现象,曾承担多个多孔介质领域相关的国家自然科学基金项目,在数值模拟和实验研究方面进行了不懈的探索。多孔介质内传递现象的各种效应是复杂多变的,著者从自己涉猎的研究领域作一总结,理论分析、数值模拟和实验研究相结合,试图从宏观层面和孔隙尺度方面,分别利用有限元方法和格子玻尔兹曼方法,辅以电化学实验方法和PIV实验方法和X-CT测试技术,探讨多孔介质的耦合扩散效应、界面滑移效应及其对传热传质的影响。
本书主要包括三部分内容,第一部分为多孔介质内部由于存在温度梯度和浓度梯度所导致的双浮生力自然对流及热质传递过程中的耦合效应问题,其中包括数值模拟研究进展,也包括电化学方法的实验研究。第二部分关注了部分填充多孔介质复合腔体内的自然对流,采用有限元数值模拟和PIV实验测试相结合的方法,研究多孔介质和流体空间交界面处的流体动力学特性及其对整个复合系统传热传质的影响,重点讨论交界面处界面滑移效应的问题。第三部分为借助X-CT技术进行的多孔介质的三维重构问题,以及基于多孔介质的实际骨架结构,采用格子玻尔兹曼方法进行数值模拟。
本书是著者及所在课题组多年来研究成果的总结,其主要内容取自于陈宝明教授的博士论文、刘芳的博士论文、云和明的研究成果、博士研究生耿文广的博士论文、硕士研究生张立强、王丽、芦凯、蔡鹏飞、邱伟国和张国庆的硕士论文及其发表成果。本课题组的硕士研究生宋林泉、张洋洋、马芳芳、郜凯凯、魏茂丰、李玮对本书的编排及校对工作付出了辛勤的劳动,没有他们的高效工作与全力支持,著者不可能顺利完成本书的撰写工作,在此一并表示感谢。
本书的研究工作获得了国家自然科学基金(59806008、50646022、51076086)的资助,在此一并致谢。
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目录
前言
第1章绪论1
1.1多孔介质的基本概念2
1.1.1多孔介质的定义2
1.1.2多孔介质的结构参数3
1.1.3流体属性5
1.2基本方程7
1.2.1渗流速度与连续性方程7
1.2.2动量方程8
1.3多孔介质中传递过程及其耦合机理10
1.4多孔介质与流体空间交界面处的滑移效应12
参考文献14
第2章多孔介质传热传质耦合效应的机理和数学描述16
2.1多孔介质传热传质耦合效应16
2.1.1局域平衡假设18
2.1.2非平衡态区域的划分18
2.1.3二维体系内传热传质耦合20
2.2数学建模及求解方法22
2.2.1封闭腔体内自然对流传热传质耦合扩散效应的数学模型22
2.2.2数学模型的求解方法25
参考文献29
第3章封闭腔体多孔介质自然对流的交叉耦合扩散效应数值模拟31
3.1稳态水平温度梯度和浓度梯度导致的自然对流传热传质31
3.1.1双浮升力自然对流机理分析31
3.1.2瑞利数、浮升力比数及刘易斯数对流动和传热传质的影响32
3.1.3瑞利数、浮升力比数和刘易斯数对边壁传热传质速率的影响34
3.2热附加扩散效应——索瑞特效应39
3.2.1索瑞特效应对传热传质的影响39
3.2.2索瑞特效应的影响机理42
3.3扩散附加热效应——杜弗尔效应52
3.3.1杜弗尔效应对传热传质的影响52
3.3.2扩散附加热效应的影响机理56
3.4考虑交叉耦合扩散效应传热传质的综合关联式66
参考文献67
第4章多孔介质自然对流传热传质的电化学测量69
4.1电化学方法原理及其实验系统70
4.1.1实验系统70
4.1.2实验原理及方法73
4.1.3实验步骤75
4.2温度场及浓度场测试及结果76
4.2.1多孔腔体内的温度场及浓度场分布76
4.2.2实验结果的误差分析80
4.3封闭腔体内自然对流传热传质测试结果及分析83
4.3.1封闭腔体内的温度测量83
4.3.2努塞特数随时间的变化86
4.3.3壁面上舍伍德数的分布情况86
4.3.4实验结果与数值模拟结果的对比88
参考文献89
第5章部分填充多孔介质复合腔体内滑移效应的数学模型91
5.1部分填充多孔介质复合腔体内滑移效应的描述91
5.1.1多孔介质与流体空间交界面处的流体动力学特性91
5.1.2界面滑移条件的研究进展92
5.2部分填充多孔介质复合腔体内流动及传热的数学模型95
5.2.1微观尺度下质点的控制方程96
5.2.2基于体积平均法的控制方程97
5.2.3宏观尺度下的控制方程112
参考文献120
第6章部分填充多孔介质复合腔体内传热传质及交界面处滑移效应的分析123
6.1多孔介质复合腔体内数值模拟研究进展123
6.2部分填充多孔介质复合腔体内自然对流传热传质分析127
6.2.1典型工况127
6.2.2多孔介质结构特性的影响127
6.2.3流动参数的影响134
6.2.4交界面应力滑移条件对流动和传热传质的影响140
6.3填充规则型多孔介质复合腔体界面滑移效应的分析145
6.3.1滑移效应对流动的影响147
6.3.2滑移效应对传热的影响149
6.4部分填充实际多孔介质交界面处滑移效应分析151
6.5双层多孔介质与流体交界面处速度滑移系数的分析155
6.5.1多孔介质结构特性的影响156
6.5.2流体物性及流动参数的影响159
参考文献161
第7章部分填充多孔介质腔体交界面处的滑移效应实验研究165
7.1实验研究进展165
7.2PIV测试原理及实验研究166
7.2.1PIV测试原理及图像处理166
7.2.2实验方案168
7.3测试结果及处理分析171
7.3.1典型测试工况171
7.3.2黏性应力滑移系数的测试分析174
7.4实验结果与数值模拟对比176
7.4.1典型工况下的流线分布比较176
7.4.2不同高度处的速度分布比较176
参考文献181
第8章实际多孔介质结构的三维重构183
8.1X-CT测试原理183
8.2多孔介质内部结构X-CT图像处理185
8.2.1多孔介质内部切片结构的X-CT扫描及图像处理185
8.2.2图像的去噪186
8.2.3空间平滑滤波188
8.2.4频率域滤波188
8.2.5图像增强191
8.2.6边缘获取192
8.2.7图像分割192
8.2.8最大类间方差法195
8.3三维多孔介质的重构198
8.3.1三维多孔介质孔隙结构的获取198
8.3.2三维多孔介质重构后的应用202
参考文献204
第9章基于LBM的多孔介质自然对流的介观模拟205
9.1格子玻尔兹曼方法205
9.1.1格子玻尔兹曼方法的研究进展205
9.1.2LBM模型207
9.1.3热LBM模型209
9.1.4LBM程序结构211
9.1.5LBM在复合腔体内自然对流中的应用211
9.2二维多孔介质自然对流的LBM数值模拟212
9.2.1二维多孔介质/流体腔体内自然对流的LBM模型212
9.2.2流固耦合计算与验证213
9.2.3二维LBM模拟与实验结果的对比216
9.3真实三维多孔介质自然对流的LBM数值模拟217
9.3.1物理模型217
9.3.2算法与验证217
9.3.3真实多孔介质腔体LBM模拟结果218
9.3.4三维多孔介质腔体自然对流的研究220
9.3.5三维复合腔体多孔介质交界面流动传热的研究226
参考文献231
基本符号表233