多孔介質(zhì)概述及其傳熱傳質(zhì)的應(yīng)用簡介

摘 要:對于現(xiàn)代大型機(jī)械，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改造已經(jīng)達(dá)到很高的水平，如何繼續(xù)提高效率和生產(chǎn)力，如何更好的令科學(xué)研究深入到我們的生活應(yīng)用中去，是我們更加關(guān)心的話題。材料領(lǐng)域的革新，將為中國的制造業(yè)，工農(nóng)業(yè)等方面均帶來歷史性的跨步。多孔介質(zhì)，自上個世紀(jì)提出便普遍受人關(guān)注，本文將結(jié)合達(dá)西定律，體積平均法，介紹過孔介質(zhì)其傳熱傳質(zhì)特性，以其應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞:多孔介質(zhì);傳質(zhì)傳熱;達(dá)西定律;應(yīng)用

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

一、多孔介質(zhì)的特點(diǎn)

多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性如下:

(1)多孔介質(zhì)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(jù)上述多孔介質(zhì)的定義及結(jié)構(gòu)特性可知，多孔介質(zhì)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(yè)換熱設(shè)備，流體在管束外橫向流動的傳熱過程也可以認(rèn)為是多孔介質(zhì)的流動關(guān)于傳熱問題。這是因?yàn)橄鄬Q熱設(shè)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(jié)構(gòu)特性符合上述限制，就可以認(rèn)為是多孔介質(zhì)。

二、結(jié)合達(dá)西定律，多孔介質(zhì)理論在土壤凍脹問題中的數(shù)學(xué)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(qū)部分土地屬于季節(jié)性凍土，這種災(zāi)害一旦發(fā)生，會造成各種基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣裆詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)。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(xiàng)目的關(guān)鍵突破口。

土壤在自然凍結(jié)時，未凍結(jié)區(qū)的水分不斷向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚，并形成凍結(jié)凍脹區(qū)，所形成的凍脹力一旦大于上部基礎(chǔ)設(shè)施的自重，就會造成基礎(chǔ)設(shè)施的變形和破壞，所形成的凍脹力一旦大于上部基礎(chǔ)設(shè)施的自重，就會造成基礎(chǔ)設(shè)施的變形和破壞。

(二)基于多孔介質(zhì)理論，土壤的宏觀模型。采用多孔介質(zhì)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(guī)律等熱值傳遞的過程。

(三)抑制土壤凍脹的方法機(jī)理簡述。在不同的工程領(lǐng)域，抑制土壤凍脹的技術(shù)和方法有很多，隨著熱管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們將這一技術(shù)應(yīng)用于土壤凍脹，并取得了很好的效果。

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

熱管作用的同時也改變了土壤中水分的遷移規(guī)律，熱管周圍所形成的凍結(jié)區(qū)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(qū)的作用。

如上所述，土壤埋設(shè)熱管后，能有效的抑制土壤的凍脹發(fā)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(chǔ)，達(dá)到了防止基礎(chǔ)凍脹的效果;在我國，青藏鐵路部分區(qū)段采用了熱管抑制土壤凍脹的技術(shù)，去得了很好的效果;在我國東北地區(qū)，采用熱管技術(shù)有效地防止了高壓輸電線鐵打基礎(chǔ)凍脹，表明熱管抑制土壤凍脹的工程技術(shù)得到了人們的認(rèn)可和應(yīng)用。通過上述多孔介質(zhì)理論建立理想模型，采用傳熱學(xué)數(shù)值計算的方法得到數(shù)值解，通過數(shù)值解來分析熱管一直土壤凍脹的機(jī)理，并得到相應(yīng)的工程應(yīng)用方案，是處理這類問題的普遍方案。

三、結(jié)語

材料是社會發(fā)展的先進(jìn)動力，多孔介質(zhì)的應(yīng)用，更好的崔金了工農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)，環(huán)境科學(xué)，生命科學(xué)等各個領(lǐng)域的發(fā)展，材料屆的革命創(chuàng)新，是促進(jìn)各學(xué)科間合作和邊緣學(xué)科發(fā)展的有效手段。對于多孔介質(zhì)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(zhì)的其他性質(zhì)，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(jìn)步和發(fā)展做出更重大的貢獻(xiàn)。

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