多孔介质内汽液相变传递的非均匀性效应

论文摘要

多孔介质广泛存在于自然界,如土壤、矿石、动植物组织等,其中汽液相变传递过程更是常见的物理现象。温差作用下,水分发生相变和迁移,同时包括流动、传热、传质和相变,比单一动量、能量或质量传递复杂得多,又本质性地影响着实际应用。多孔介质内汽液相变传递过程的研究还远未完善,各种机理的认识和描述均不够清晰,包括基本宏观物性和微细观过程特征,所采用的一些假设和理论也还强烈地期盼有更为坚实的物理基础与实验事实支撑。本文提出从物质分布非均匀性的新视角重新审视和认识这一复杂传递过程。试图由唯象方程出发,按统一思路在数学上定义宏观和孔隙尺度非均匀性,阐明非均匀性产生、所引发的效应及它们作用于传递过程的机理。具体从宏观和孔隙尺度两个层次切入,探讨冷凝、蒸发和孔隙局部冷凝蒸发共存三种现象中水分分布、溶质分布和结构非均匀性效应。冷凝过程中,液体在孔隙内部铺展特性引发非均匀水分分布,形成特征复杂的冷凝前沿。在其附近,蒸汽扩散和导热有效通道面积都快速变化,引起物质和能量传递在此处明显起伏,表现出冷凝速率和温度梯度在空间上迅速变化。多孔介质内溶液表面蒸发过程的定向特点和多孔介质本身结构特点引起溶质向表面富集、析出并团簇状生长。这种非均匀分布使得干燥过程与纯净液体的干燥明显异同,干燥曲线上附加产生一个短暂的第一减速干燥段。溶质析出初期扩展了干燥表面积,后期形成溶质层阻碍干燥进行,尤其析出溶质的生长及形态对干燥过程产生重要影响。从孔隙尺度来看,宏观上的均匀孔隙有更细致的微观结构。孔隙中固液气复杂弯曲界面构成孔隙结构非均匀性,扭曲了物理量的分布,极大影响传递过程。非均匀性使得各相对传递(如导热)的贡献处在非对称位置上,引发一些非常规局部传递现象(如局部蒸发冷凝共存),结构对传递过程影响变得异常繁杂。本文引入定量描述孔隙尺度非均匀性的参数,简明、有效地分析阐明物理过程和机理,提供了认识复杂问题的新思路和技术手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 背景与意义
• 1.2 多孔结构
• 1.3 多孔介质传递过程的唯象描述
• 1.3.1 体平均方法
• 1.3.2 流动-渗透率
• 1.3.3 导热-有效导热系数
• 1.3.4 质扩散-有效扩散系数
• 1.4 汽液相变
• 1.5 存在的问题与研究思路
• 1.6 研究内容
• 第2章 多孔介质内冷凝传递过程
• 2.1 引言
• 2.2 建模及数值方法
• 2.2.1 问题的物理描述
• 2.2.2 数学建模
• 2.2.3 数值方法
• 2.3 传递过程基本特性
• 2.4 对文献中简化的审视
• 2.5 各参数影响
• 2.5.1 温度水平
• 2.5.2 颗粒直径
• 2.5.3 孔隙率
• 2.5.4 颗粒导热系数
• 2.6 实验观察
• 2.7 与文献的比较
• 2.8 小结
• 第3章 水分分布非均匀性效应
• 3.1 引言
• 3.2 数学表述
• 3.3 水分分布非均匀性
• 3.4 水分分布非均匀性对冷凝速率的影响
• 3.5 水分分布非均匀性对温度场的影响
• 3.6 水分分布的实验观察
• 3.6.1 实验原理
• 3.6.2 简单孔隙结构中的水分迁移
• 3.6.3 复杂孔隙中的水分分布
• 3.6.4 实验观察小结
• 3.7 小结
• 第4章 溶质分布非均匀性效应
• 4.1 引言
• 4.2 背景
• 4.3 实验观测分析
• 4.3.1 实验方案及条件
• 4.3.2 颗粒直径影响
• 4.3.3 溶液浓度影响
• 4.3.4 溶质析出及影响
• 4.3.4.1 溶质析出的特点
• 4.3.4.2 溶质析出的影响
• 4.4 数值模拟
• 4.4.1 假设条件
• 4.4.2 控制方程
• 4.4.3 计算方法
• 4.4.4 计算结果
• 4.4.5 溶质分布非均匀性效应
• 4.5 结果讨论
• 4.6 小结
• 第5章 孔隙结构非均匀性效应与孔隙尺度传递机理
• 5.1 引言
• 5.2 孔隙结构非均匀性概念
• 5.3 敏感度
• 5.4 饱和多孔介质内的导热
• 5.4.1 问题描述
• 5.4.2 界面处理方法
• 5.4.3 传递特征
• 5.4.4 敏感度分析
• 5.5 非饱和多孔介质内的导热
• 5.6 非饱和多孔介质内的汽液相变传热
• 5.6.1 模型
• 5.6.2 尺度影响分析
• 5.6.3 计算结果
• 5.6.4 两种相变机理的比较
• 5.6.5 温差影响分析
• 5.7 孔隙非均匀性效应的体平均化数学描述
• 5.7.1 体平均方法
• 5.7.2 导热体平均方程
• 5.7.3 非饱和多孔介质汽液相变传热体平均方程
• 5.8 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 有关4.4.1 假设条件的验证
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果