多孔介質概述及其傳熱傳質的應用簡介

摘 要:對于現代大型機械，內部的結構改造已經達到很高的水平，如何繼續提高效率和生產力，如何更好的令科學研究深入到我們的生活應用中去，是我們更加關心的話題。材料領域的革新，將為中國的制造業，工農業等方面均帶來歷史性的跨步。多孔介質，自上個世紀提出便普遍受人關注，本文將結合達西定律，體積平均法，介紹過孔介質其傳熱傳質特性，以其應用推廣。

關鍵詞:多孔介質;傳質傳熱;達西定律;應用

中圖分類號:TK124 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0158-01

一、多孔介質的特點

多孔介質的結構特性如下:

(1)多孔介質中的空隙空間是相互連通的，即連通性。

(2)空隙尺寸較流體分子平均自由程大很多。

(3)相對宏觀特征尺寸，空隙空間尺寸很小。

根據上述多孔介質的定義及結構特性可知，多孔介質不僅包含了空隙絕對尺寸很小的物體，也包含了空襲絕對尺寸很大的物體。例如，對于工業換熱設備，流體在管束外橫向流動的傳熱過程也可以認為是多孔介質的流動關于傳熱問題。這是因為相對換熱設備的宏觀尺寸來講，管束外的流體空間即空隙是很小的。因此，可以這樣理解，無論固體骨架間空隙的絕對尺寸多大或多小，只要其結構特性符合上述限制，就可以認為是多孔介質。

二、結合達西定律，多孔介質理論在土壤凍脹問題中的數學模型

(一)土壤凍脹問題的工程背景。在我國東北、華北、西北地區部分土地屬于季節性凍土，這種災害一旦發生，會造成各種基礎設施的破壞，嚴重影響當地人民生活和工農業生產。解決凍土問題也是“青藏鐵路”、“青藏公路”、“西氣東輸”、“西電東送”等重大項目的關鍵突破口。

土壤在自然凍結時，未凍結區的水分不斷向凍結區遷移和積聚，并形成凍結凍脹區，所形成的凍脹力一旦大于上部基礎設施的自重，就會造成基礎設施的變形和破壞，所形成的凍脹力一旦大于上部基礎設施的自重，就會造成基礎設施的變形和破壞。

(二)基于多孔介質理論，土壤的宏觀模型。采用多孔介質的體積平均方法，可得到宏觀控制微分方程，用來描述了土壤中水分遷移的過程以及土壤中溫度場變化的規律等熱值傳遞的過程。

(三)抑制土壤凍脹的方法機理簡述。在不同的工程領域，抑制土壤凍脹的技術和方法有很多，隨著熱管技術的發展和應用，人們將這一技術應用于土壤凍脹，并取得了很好的效果。

根據熱管等溫的性質，土壤在縱深方向由徑向周圍結成凍結層，因此土壤的溫度場被改變，令其在同一時刻在凍脹溫區的范圍縮小，從而所形成的凍脹力也相應較小，不至于對基礎形成破壞。

熱管作用的同時也改變了土壤中水分的遷移規律，熱管周圍所形成的凍結區可阻隔橫向的水分遷移，水分遷移范圍縮小，起到的減小凍脹區的作用。

如上所述，土壤埋設熱管后，能有效的抑制土壤的凍脹發生，具體例子如下，在美國，熱管用于西伯利亞輸油管線的基礎，達到了防止基礎凍脹的效果;在我國，青藏鐵路部分區段采用了熱管抑制土壤凍脹的技術，去得了很好的效果;在我國東北地區，采用熱管技術有效地防止了高壓輸電線鐵打基礎凍脹，表明熱管抑制土壤凍脹的工程技術得到了人們的認可和應用。通過上述多孔介質理論建立理想模型，采用傳熱學數值計算的方法得到數值解，通過數值解來分析熱管一直土壤凍脹的機理，并得到相應的工程應用方案，是處理這類問題的普遍方案。

三、結語

材料是社會發展的先進動力，多孔介質的應用，更好的崔金了工農業，建筑業，環境科學，生命科學等各個領域的發展，材料屆的革命創新，是促進各學科間合作和邊緣學科發展的有效手段。對于多孔介質在傳熱方面的分析，也是工程熱物理的重要研究方向，而多孔介質的其他性質，如電阻率，蠕變性，耐壓性，消音儲能等方面也有待深化研究，必將在未來為社會進步和發展做出更重大的貢獻。

參考文獻:

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