（工程热物理专业论文）非饱和含湿多孔介质热湿传递特性研究.pdf

山东建筑大学硕士毕业论文 摘要 本文以砂子为研究对象，对堆积型含湿多孔介质有效导热系数进行了测量和实验研 究，并通过认识含湿多孔介质孔隙内水分分布及加热条件下水分演化过程，揭示了孔隙 尺度传递过程对介质有效导热系数测量结果的影响。本文研究主要有以下几个方面： 研究了h o td i s k 热常数分析仪测试含湿堆积砂导热系数时探头放置方式对测试结 果的影响。干燥试样和饱和含湿试样流动性好，探头与试样较易均匀密实接触，探头放 置方式对测量结果没有影响；非饱和含湿试样流动性差，探头放置方式对其与试样接触 状态有很大影响，进而对测量结果影响显著。 利用h o td i s k 热常数分析仪对不同含湿情况下的堆积砂有效导热系数进行测试和 分析；利用高速c c d 结合立体显微镜，对低含湿率和高含湿率砂子孔隙尺度水分分布 形态及孔隙内水分在加热条件下演化和扩散进行了细致的实验观察。并分析了孔隙内水 分分布形态及热湿传递对导热系数测量结果的影响机理。 四种粒径堆积砂干燥时的导热系数在0 2 2 4 - 0 2 2 8 w ( m k ) 之间，粒径的变化对其没 有明显规律性影响。随含湿率的增加，有效导热系数值明显呈增大的趋势。含湿率小于 2 5 的堆积砂有效导热系数值随含湿率的增加迅速增大；含湿率大于2 5 时，随含湿率 的增加，有效导热系数的增长速度变得相对缓慢。 当砂子含湿率较低( 小于2 5 ) 时，孔隙中的液体水主要以颗粒间孤立液桥形式存 在，各孔隙的液相水尚未相互联通。测试过程中，由于探头对试样进行加热，紧贴探头 区域孔隙内水分发生蒸发扩散，导致该区域的孤立液桥逐渐减小，甚至消失。从宏观角 度，由于探头附近水分的蒸发和扩散作用，使得探头周围的试样成分一直在发生变化且 与初始状态不同，导致试样的宏观导热性能持续变化，因此低含湿率时有效导热系数很 难准确测得。 随着含湿率的逐渐增大( 从2 5 开始) ，不同孔隙间的液态水相互联通。尽管测试时 贴近探头孔隙内水分发生蒸发扩散，但由于毛细力作用，使得远离探头的水分回流补充 到探头附近区域。从宏观上讲，测试过程中探头附近的区域能够一直维持相对稳定的状 态，试样构成与初始状态比较一致，所以含湿率较高时，有效导热系数较容易测得。 关键词：非饱和，含湿，多孔介质，导热系数，孔隙尺度 山东建筑大学硕士毕业论文 s t u d yo ft r a n s p o r tp r o p e r t i e so f u n s a t u r a t e d 台tp o r o u sm e d i a s u ix i a o f e n g ( e n g i n e e r i n gt h e 衄o p h y s i c s ) s u p e r v i s e db y y um i n g z h i a b s t r a c t n e n n a lc o n d u c t i v i t i e so fc u m u l a t ew e tp o r o u sm e d i ah a db e e ne x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t a l l yo b s e r v a t i o no fw a t e rm o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i o n s a n de v o l u t i o np e r f o r m a n c ew h e nh e a t i n gw a sc o n d u c t e dt o f u l l yu n d e r s t a n dt h e i n f l u e n c eo ft r a n s f e rp r o c e s s e si np o r e so nt h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so f p o r o u sm e d i a t h ei n f l u e n c eo ft h ew a y st h a tt h eh o td i s kc o n s t a n ta n a l y z e rs e n s o r sp l a c e di n s a m p l e so nt h em e a s u r e dc o n d u c t i v i t i e sw a si n v e s t i g a t e d b yt h eh i g hl i q u i d i t y ， t h ed r ya n ds a t u r a t e dw e ts a m p l e sc a ne a s i l yc o n t a c tw i t ht h es e n s o r ，t h e r e f o r et h e p l a c e m e n to ft h es e n s o rh a sn oi n f l u e n c eo nt h em e a s u r e dr e s u l t s o nt h ec o n t r a r y ， f o ru n s a t u r a t e do n e st h a th a v eb a dl i q u i d i t y ，t h es e n s o rp l a c e m e n ta p p a r e n t l y a f f e c tt h em e a s u r e m e n te f f e c t i v e n e s s t h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so ft h ec u m u l a t ew e ts a n d sw i t hd i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t sh a db e e n t e s t e d a n d ，b yac c dc o m b i n e dw i t ham i c r o s c o p e ， e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n w a sa l s oc o n d u c t e dt o v i s u a l l y o b s e r v ew a t e r m o r p h o l o g y ，d i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o np e r f o r m a n c ei np o r e sr e s p e c t i v e l y b a s e d o nt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h i s p a p e ra n a l y z e d t h em e c h a n i s m st h a tt h ew a t e r m o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i o n sa n de v o l u t i o np e r f o r m a n c ea f f e c tt h et e s tr e s u l t so ft h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so ft h ef o u rk i n d si n v e s t i g a t e dd r ys a m p l e sv a r yf r o m o 2 2 4w ( m 。k ) t o0 2 2 8w ( m 。k ) ，a n dt h et e s t i n gv a l u e sa l ei n d e p e n d e n to ft h es a n d s s i z e s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo b v i o u s l yi n c r e a s e sw i t ht h em o i s t u r e c o n t e n ti n c r e a s i n g w h e nt h em o i s t u r ec o n t e n ti sl e s st h a n2 5 ，t h et e s t i n gr e s u l t ss h a r p l y g r o ww i t ht h em o i s t u r ec o n t e n tg r o w i n g ，a n dt h e nt u r nt os l o w e rr i s i n gw h e nt h em o i s t u r e 山东建筑大学硕士毕业论文 c o n t e n tg e t sm o r et h a n2 5 a tl o wm o i s t u r ec o n t e n t s ( 1 e s st h a n2 5 ) ，m o s to ft h ew a t e re x i s t s 嬲l i q u i db r i d g e s a m o n gp a r t i c l e si nt h ep o r o u sm e d i a , a n dl i q u i db r i d g e si nd i f f e r e n tp o r e sd on o tc o n t a c t w i t he a c ho t h e r d u r i n gh e a t i n g ，e v a p o r a t i o na n dt r a n s p o r tp r o c e s s e so c c u l t e si np o r e s w h e nv a p o rd i f f u s e st ot h er e l a t i v e l yf a rr e g i o na f t e re v a p o r a t i o na n dn oo t h e rw a t e r s u p p l e m e n t , t h em o i s t u r ec o n t e n ti nt h eh e a t i n gs o u r c es u r r o u n d i n gd e c r e a s e sa n dt h e p r o p e r t i e so ft h i sr e g i o nb e c o m e sd i f f e r e n tf r o mt h e i ro r i g i n a l sa n dt h o s ei nt h er e l a t i v ef a r r e g i o n a sar e s u l t ，t h ec o n d u c t i v i t i e sm e a s u r e dt h e na r en o tt h er e a lv a l u eo ft h ew e t s a m p l ei ni t so r i g i n a ls t a t e f o rh i 【曲m o i s t u r ec o n t e n ts a m p l e s ，w a t e ru s u a l l ye x i s t sa sb i gw a t e rm a s s e s t h o u g h t h ew a t e rn e a rt h eh e a t i n gr e s o u r c ee v a p o r a t e s ，t h en e a rh e a t i n gs o u r c ep o r e sa r e c o m p l e m e n t e da ss o o na st h ew a t e rd r i v e nb a c kf i o mt h er e l a t i v e l yf a rp o r e sb yt h e c a p i l l a r yf o r c e f r o mm a c r o s c o p i cv i e w p o i n t ，t h er e g i o n sn e a rt h e s e n s o rc a nk e e pa c o m p a r a t i v e l ys t e a d ys t a t e ，s ot h a t ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yc a nb em e a s u r e de a s i l ya t i l i 曲m o i s t u r ec o n t e n t s k e y w o r d s ：u n s a t u r a t e d ，w e t ，p o r o u sm e d i a , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , p o r es c a l e 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：日期鱼遂：么塑 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其它手段保存、汇编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期兰塑：么垫 日期巡 2 ：i ：鲨 山东建筑大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 前言 多孔介质传热传质是构成众多自然现象和生产工艺的一个重要基本过程，热湿 传递是其中最为普遍和重要的现象。含湿多孔介质热湿传递涉及关乎人类生活、社 会经济发展的诸多领域，这些领域有：核反应堆冷却与绝热、煤炭的储存开发与燃 烧、高温元件的发汗冷却、铸造砂型的传热传湿、热管多孔芯吸液与传热、化工填 充床、太阳能与废热储能、航空航天器的热防护、石油热采、地热热储及地下核废 料热质扩散、环境工程中垃圾与污水处理、土地盐碱化与污染、建筑与绝热材料中 的传热传湿、物品( 如农产品、木材、化工、纺织与轻工业产品等) 干燥、食品( 如 蔬菜、水果等) 保鲜、植物体内及植物与土壤间的水分、养分传递、生物体内的传 递现象及强化传热等( 1 2 1 。上述众多过程不仅包括与人类生存息息相关的能量开发与 利用，也关系到工农业生产和人类生活的方方面面，关系到高科技发展甚至涉及生 命科学。 由此可见，多孔介质传递过程对人类生存与发展有着不可忽视的重要影响。现 在多孔介质内部的传热传质已成为一融多学科知识、对理论和实验要求都很高的传 热学研究领域。 多孔介质传递问题的研究内容很广。在实用中，由于研究目的以及多孔介质中 所发生的物理过程性质之不同，其研究内容各有侧重。如在地下水文及水力学、石 油开采中，重点是研究多孔体中各种流体的流动规律。在多孔物品干燥中，则着重 研讨多孔体中水分的质量传递。在高温元件多孔冷却和物体绝热中，则既要了解多 孔物质中的传热，又要注视多孔体中传质过程。对于多孔体在强化沸腾换热中的应 用，则涉及多孔介质中液体的强烈蒸发、气液两相流流动与传热传质问题。在化工 多孔填充床中，就不仅涉及气、液、固相传热传质，还与化学反应有关。总之，对 于各种多孔介质传递问题，其侧重点虽有不同，但它们均是一种涉及多种因素、多 种物理与化学方程的复杂现象。所以，对多孔介质传递现象的研究认识，还需要长 期的更深入和全面的研究。 多孔介质和多孔材料热湿性质的可信数据资料，无论对校验、发展和应用理论 都至关重要。含湿多孔介质和多孔材料的热湿迁移特性数据包括导热系数、导温系 山东建筑人学硕士毕业论文 数( 热扩散系数) 、质扩散系数、热质扩散系数、渗透率等，强烈地取决于温度、含 湿率或者湿饱和度、孔隙率和结构特性。正因为含湿多孔介质其复杂的内部结构和 诸多复杂因素的耦合影响，使得确定含湿多孔材料热湿迁移特性的研究受到制约。 多孔介质有效导热系数是研究多孑l 介质内传热传质过程的最重要的热物理特性参 数。而对含湿多孔介质有效导热系数的确定，目前研究仅限于多孔材料干燥和以及 饱和含湿情况下的导热系数。确定非饱和含湿多孔材料的有效导热系数，国际上至 今仍没有公认可靠的实用方法。 1 2 国内外研究现状及文献综述 1 2 1 关于多子l 介质 多孔介质是指内部含有众多孔隙( 空隙) 的固体材料，如土壤、建筑与保温制 品、化工填充床、煤炭与矿石堆、热管多孔芯、核反应堆冷却棒、木材、谷物等均 属不同类型的多孔介质。综合各种多孔物质的结构特征，可解释其含义【3 】为：多孔 介质是由多相物质所占据的空间，也是多相物质共存的一种组合体；从任一相来说， 其他相均弥散在其中，故又称多孔材料为弥散材料( d i s p e r s e dm a t e r i a l ) 。在多相物 质中，一定有固体相，而固体相又称固体骨架。没有固体骨架的那部分空间称作空 隙或孔隙，它由液体或气( 汽) 体或气液两相占有。固体骨架分布于多孔介质占据 的整个空间内，多数孔隙是相互联通的，这些联通的孔隙称为有效孔隙，那些不联 通或虽联通但流体很难流通的则称为死端孔隙。如图1 1 所示 图1 1孔隙结构示意图 一2 一 空隙 山东建筑大学硕士毕业论文 显然，流体可通过有效空隙从多孔介质的一端渗透到另一端，故又称多孔介质 为可渗透材料( p e r m e a b a lm a t e r i a l ) i 引。 多孔介质的固体骨架结构有各种不同的具体形式，如：颗粒堆积床、烧结金属 粉末、打过筛孔的挡板、毛毡滤芯、纤维膨化结构构件以及由高分子材料或陶瓷材 料做成的可渗透的镀层等。这些结构的孔隙通道都具有弯曲性、无定向性和随机性 的特点，因此多孔介质的结构十分复杂，因而其内部流体流动过程非常复杂。多孔 结构中的传递过程也因多孔介质的结构特点而十分复杂。 1 2 2 多孔介质的基本研究方法 现在多孔介质内部的传热传质己成为一融多学科知识、对理论和实验要求都很 高的传热学研究领域。就其研究方法所涉及的研究对象及研究范围，可以分为：分 子水平、微观水平和宏观水平三类1 3 j 。 所谓分子水平，就是将多孔介质中流体的分子运动作为研究对象，根据经典力 学与能量分析，获得分子运动与能量传递的变化规律。显然，从分子水平来观察研 究，流体是由大量离散的分子构成的，故要建立大量数学方程，去描述多孔介质中 流体的不同点、不同状态与传递过程。在建立这些数学表达式时，还要做出各种假 定，而这种假定也不是非常符合实际的。因此，用这种方法所得到的分析结果，只 能为工程实际应用提供某种参考。况且，一般说来，建立分子水平传递过程的数学 表达式已十分困难，而求解则几乎不可能。 为了获得工程需要的定量描述，工程上常采用另外一种观点和方法，即不去深 究流体微观粒子的构成和运动，而将流体视为连续介质，对连续介质中所发生的现 象，在某种范围与规则的限定下加以平均，进行较粗水平的处理。就是将多孔介质 及其孔隙中的流体，视为被连续多孔介质固体所包围起来的流体连续介质，在连续 介质中的每一质点处，是一个具有可容纳许多液体分子的集合体，质点集合体所占 据之范区远远大于分子平均自由程，但与整个连续介质相比，它又是足够小的。这 样一来，可从某种平均意义上确定该质点处的各种物理参数，然后再根据各种物理 定律，得到多孔孔隙内流体性质与规律的定量描述。上述方法被称为微观水平，这 意味着它不同于分子水平。但之所以称其为微观水平，是因为描述孔隙中流体质点 动量、能量、质量变化时，一定要将多孔体固体骨架的边界微细结构作为边界条件。 显然，对后者的定量描述也是非常困难的。 山东建筑大学硕士毕业论文 鉴于上述方法的局限性，工程应用中不得不采取更粗水平即宏观水平方法( 简 称宏观方法) 。宏观方法也持连续介质观点，但它是用一种假想的无固定结构的气液 固连续介质去代替多相多孔介质，即设固体、流体1 和流体2 均为充满多孔介质的 连续介质，它们在空间各点按时间连续分布，并具有其确定的参数值，而且它们之 间还可发生相互作用。对于一些更复杂、涉及面广的问题，往往采用更粗视水平方 法，即采用选择适当坐标系和积分平均法，将问题简化。如将三维流动变换为一、 二维流动问题，这是在经典水力学中使用过的方法，故将这种粗视( m e g a s c o p i c ) 水 平方法称为水力学方法( h y d r a u l i ca p p r o a c h ) 。 上述分子水平、微观水平、宏观水平和粗视水平研究方法各有所长。尽管前两 种方法局限性大，但在进行机理探讨中亦有其独到之处。在研究与分析多孔介质传 递过程中，应尽可能将上述方法结合起来。 1 2 3 表征体元、表征面元与表征线元和平均方法 1 2 3 1 表征体元( r e p r e s e n t a t i v ee e m e n t a r yv o u f i e , 简称雁” 在使用宏观方法时，就是在宏观水平上，对围绕多孔体内某p 点的流体参数进 行平均，用在一定范围内的平均值去代替局部真值。问题重于如何选择此平均范围 更为合理。早在1 9 3 4 年，l p r a n d t l 和d g t i e t j e n s 就提出了确定表征体元的方法 1 4 ，至今仍被沿用。其要点为： ( 1 ) 此r e v 应是绕p 点的小范围，它远比整个流体区域尺寸小。 ( 2 ) r e v 应比单个孔隙空间大得多，一直能包含足够多的孔隙。 ( 3 ) 在r e v 中，其基本参数随空间坐标的变化幅度小。其平均值逼近于真值。 cs l a t t e r y 则有另一种说法【5 1 ，即基本参数不是空间坐标显函数的区域，可划分为 r e v 。但对于基本参数是空间坐标隐函数者，是可以允许的。如某一函数是其他参 数的函数，而其他参数又是空间坐标函数的情形。 上述三条是确定r e v 的关键性原则。在对特定的多孔介质传递现象的本质进行 充分分析与辨识，确定尽可能少的基本参数( 这里所说的基本参数，既可能是一单 变量，而对于复杂现象又可能是一个由多个变量组成的有因次或无因次综合变量) 的基础上，对所有基本参数岛( 卢l ，2 ，3 ，) ，选择出相应的表征体元尬k ( 即 以e ，在此体元中随空间坐标变化不大的要求，去确定尬形) ，然后再在诸咫所中， 以 山东建筑大学硕士毕业论文 堕6 a k 为判据，选出最适当的胜以为表征体元。式( 1 1 ) 【6 1 中是数量级近零的小量。即 o ( a ) = o ( o ) 。 1 2 3 2 粗宏观表征体元( r e p r e s e n t a t i v em a c r o v a u m e , 简称r m i ) 处理各种实际问题中，会遇到更复杂的情形。当不能利用式( 1 - 1 ) 去确定肛n 或者将传递基本参数的变化归纳到r e v 平均方程系数中较为困难时，或者对平均化 要求不太严格时，则在更粗水平上进行参数平均。也就是说，在粗视水平上去选取 控制元，此控制元称为粗宏观表征体元r m v ，其含义是：在多孔介质内p 点处存在 一个区域，其特征长度，小于整个区域特征尺寸三，又大于宏观参数粗不均度尺寸 矿，即矿s ，盟时，称此区域为r m v o 若仍以e 为某基本参数，y 为容积，则满足【3 】 l i m 堕：0( 1 2 ) v - + v oa v 1 2 3 3 表征面元( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r ya r e a , 简称朐) 在多孔介质中的三维问题，应该也必学选用p e v 或r ? 帆对二维问题，则利用 表征面元尼幽更为简便。 ? l e a 定义和条件与p e v 类似。设过多孔介质内p 点有一系列相互平行的平面， 诸平面的共有法线方向为z 。这些平面即穿过多孔体固相有穿过孔隙，故有 ( 馘) ，+ ( 似) ，= ( 蝉) ，式中彳表示面积，下标v 墨r 分别表示孔隙、固相及总面 积，f 表示第f 平面( f _ 1 ，2 ，3 ，) ，将这一系列平面中基本参数变化不大的那一 面积( 鲋) 。定义为表正面元，记做p e a 。即用3 1 l i ma e ：0 u ( 1 3 ) = l1 jj 一叫月) 0 谢 1 2 3 4 表征线元( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yi i n e , 简称腽) 表征线元的定义与p e v , r e a 类似，只不过从三维、二维区域缩到一维线段上。 现以上表示多孔介质中经某p 点的一线段，仍以e 作为某基本参数，则以满足【3 】 l i m 坐：u “ ( 1 4 ) = l1 j l - + ( l ) oa l 要求去选择的线元( ) 。，称之为尼阻。 一a 一 山东建筑大学硕士毕业论文 在多孔介质传递过程分析中，经常使用的是r e v 和r e a 。也就是说，在三维问 题中，是将各物理参数在r e v 上去平均值；而对二维问题，则是在r e a 上取各物理 参数的平均值，以构成问题的数学方法。 1 2 3 5 平均方法 在r e v 与r e a 上求平均的方法有很多种。从求平均的范围之不同去区别，可 分为空间平均值及质量平均值，而空间平均值又分为容积平均值与面积平均值。若 从相属及其组分之不同去平均，又可以分为相平均( 气、液、固三相) 和本征相平 均( 实质平均值) 【7 1 。 ( 1 ) 容积平均值( 甲) 矿 ( 甲) 矿= 乜唧 5 ， 式中：v o 为r e v 体积。 ( 2 ) 面积平均值( 甲) 爿 ( 甲) 月= 去l 恻 6 ， 式中：a d 为r e a 面积。 ( 3 ) 质量平均值( 甲) 。 ( 甲) 。= 去l 甲咖 7 ， 式中：m d 为r e v 中物体质量。 ( 4 ) 相平均值( 甲，) ( 甲，) 5 瓦1 甲，d y 一5 最，砂 ( 1 8 ) 则( 甲，) ( 甲，) ( 甲g ) 分别表示肛矿中固、液、气相参数甲的平均值。例如，甲= 丁时， ( 甲，) = ( i ) 为r e v 中固相平均温度。由于( 甲。) 只对固相有意义，而对其他相， ( 、壬，) = o ，故式( 1 - 8 ) 可以写成： 一6 一 山东建筑大学硕士毕业论文 ( 1 9 a ) ( 1 9 b ) ( 甲g ) 2 瓦1 ”d 矿 ( 1 9 c ) 归纳则有： ( 甲，) = 吉l 叫矿o = s , l g ) ( 1 1 。) 其中，k ，巧，为固、液、气相在r e v 中所占体积 ( 5 ) 本征平均值( 甲 本征平均值又称实质平均值，有下式定义： ( 甲= 矿1 工甲，d 矿 一= 只t ( 1 1 1 ) 其中，巧为第i 相在r e v 中所占体积。由于甲，在i 相以外的各相中均为零，故上式 可写成： ( 甲f ) ，= 歹1 丘甲，d y p = st 砂 ( 1 1 2 ) 需要指出的是，上述平均化表达式均就单一的独立参数而言的，若对组合参数 或由各参数组成的关系式进行平均，就远远不像上述方法那样简单，这是要借助有 关的平均化理论 5 ，7 ，羽。还要说明的是，即使对于单一参数，其平均方法也不仅限于 上述几种。究竟采用何种平均化方案更为妥当，则要根据多孔介质中传递过程的实 际物理模型来确定。 一 应当指出，上述表征体元、表征面元、表征线元和平均方法，都是宏观研究方 法。与传热传质学科的研究类似，在宏观方法中，首先要在被研究系统中选取控制 体去分析传递过程。多孔介质传递问题宏观研究方法所选择的控制体为表征体元 ( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e ，简称r e v ) 。这种方法具有以下特点：首先是着 眼于宏观的观点，不考虑微细结构；其次，设其各参量是连续变化的( 即为可微分 变量) ，故可用一般的数学方法描述和求解；另外，所选取的表征体元与参数宏观测 y 矿 咖 秒 y 甲 t 丘 ，一 一 = = i、，、， 甲 甲 山东建筑大学硕士毕业论文 量仪器传感器尺寸一致，使参数在宏观上具有可测性，因而这种方法得到了广泛应 用。 由于宏观方法也持连续介质观点，是用一种假想的无固定结构的气液固连续介 质去代替多相多孔介质。这种利用宏观方法所得到的结果，是与客观的微观状态不 同的，只能以增加调整系数的办法去修正。 含湿多孔介质宏观上热量传递、水分传递过程，温度场分布、水蒸气分压等值 线等与密实介质中热量传递和温度场分布相似，若把视角引向局部和孔隙个体，或 是宏观尺度变小至与代表性多孔单元尺度可比时，基于体积平均的描述和相关理论 应当受到质疑，甚至是根本性的挑战。孔隙尺度上，骨架结构徒增复杂性，水分形 态显现影响力，可以预计传热传质性质及过程势必发生变异。 1 2 4 含湿多孔介质的理论和实验研究 非湿饱和多孔介质传热传质过程更为复杂，影响因素更多。热传递不仅依靠温 度梯度下的导热，更主要依靠内部流体伴有相变的对流和扩散。而流体在介质内的 流动和扩散原因是复杂的，有重力势、温度和湿度引起的毛细势和宏观压力势下的 迁移，也有温度梯度和湿度梯度下引起的蒸发和扩散凝结。研究含湿多孔介质内部 热质耦合的传递规律不仅能丰富传热质总理论，更深入地了解多孔介质的结构及物 理和化学性能，而且有广泛的实用价值，对节约能源、控制产品质量及提供新型开 发技术等方面都起着重要作用。 1 2 4 1l u i k o v 模型 苏联著名学者l u i k o v 在1 9 5 4 年就认识到温度对水分迁移过程的影响【引，他根 据不可逆热力学、宏观质量、能量守恒定律，并引入迁移势的概念认为热传递不仅 取决于热传导，而且还取决于湿组分的再分布；质传递不仅取决于湿扩散，还取决 于热扩散。在傅立叶导热方程中引入质传递的影响项，在菲克传质方程引入热传递 的影响项，建立了多孔介质传热传质温度和湿度为参变量的双参数理论模型。这种 模型不涉及多孔介质的具体特征，一切物性都概括在四个综合性参数里，大量实验 表明，这些系数不仅随介质的不同而不同，而且还受温度和含湿量变化的强烈影响。 此后，l u i k o v 进一步考虑到多孔介质内部压力对热质传递的影响，导出了以温度丁、 含湿量u 和压力尸涉及9 个综合性系数的组偏微分方程【9 j 。 由于l u i k o v 模型中涉及到一些物性参数难以确定且方程求解困难，严重影响了 一8 一 山东建筑大学硕士毕业论文 该模型的广泛应用。目前该模型主要用于建筑热工、干燥及土壤研究中。 1 2 4 2 p h i i i p - d ev r i e s 模型 p h m p 和d ev r i e s 在5 0 年代中期针对土壤中热质传递而建立起的模型认为： 含湿量的迁移可分为液体的毛细流动和蒸汽的扩散渗透，并把多孔介质处理成连续 介质，从而导出一组以温度和含湿饱和度为基本参变量的双参数偏微分方程组【1 0 1 。 该模型在地质、水文和石油等学科领域内应用较多。 1 2 4 3 w h i t a k e r - c h e n g 模型 w h i t a k e r 和c h e n g 结合经典输运理论、空间平均定理，并作了一些必要的假设 1 1 1 , 1 2 】，将多相组分的多孔介质转化为更粗水平上的假想连续介质，分别导出了多孔 介质中多相运动方程和能量方程。方程的各项具有明确的物理意义，且各系数都可 从实验中获得。 肖宝诚提出的等效耦合扩散模型【1 3 1 4 1 贝0 是以w h i t a k e r - c h e n g 模型为基础，经过 更进一步详细的数学推导，得到的一组类似于扩散型的偏微分方程。 林建海【l5 j 以w h 加k e r 的体平均方程为基础，参照等效耦合扩散模型的推导方法， 不仅考虑了自由水的毛细流动、蒸汽的整体流动和扩散传输，而且还考虑了“结合 水的毛细流动，推导出一组偏微分方程用来模拟吸湿性和非吸湿性多孔介质的内 部热质传递过程。 1 2 4 4 非饱和含湿介质传热传质三参数渗流模型 雷树业等 1 6 , 1 7 1 在多相渗流和蒸汽扩散理论的基础上，提出了实用化的三参数模 型，即以温度、空气压力、湿饱和度为独立变量来描述多孔介质内的热湿动态特性。 该模型考虑了湿分迁移与气相压力的变化，所用物性系数通用性好，且易于测定。 理论上该模型具有较宽的适用范围。 但是要实现这些复杂过程的再现，仍有大量实际工作需要研究。例如：模型中 涉及到的毛细压力忍在束缚水饱和度以下与饱和度的关系还缺少有效的研究手段； 含湿多孔介质导热系数的影响因素及获取方法；非饱和多孔介质传热传质的边界效 应和滞后效应；非饱和多孔介质中含湿饱和度的测量等等。 1 2 5 多孔介质有效导热系数的确定 多孔介质有效导热系数是研究多孔介质内传热传质过程的最重要的热物理特性 一9 一 山东建筑大学硕士毕业论文 参数，长期以来，为了确定多孔介质的有效导热系数，已发展了许多的导热模型。 根据这些模型所得到的有效导热系数表达式通常只与多孔介质的一个特性尺度 孔隙率有关。显然对于实际孔隙分布不规则的多孔介质来说，这些有效导热系数计 算式将会出现较大的误差。 近年来p i t c h u m a n i 和t a o 将分形理论引入到有效导热系数的研究中分别获得了 有效导热系数的表达式i s , 1 9 。但是，在他们的模型中确定多孔介质局部分形维数的 过程比较复杂，用特征尺度来确定多孔介质的局部结构的计算工作量较大，在实用 上存在一定的困难。在分析、借鉴已有的测试方法与技术【2 0 2 1 】的基础上，探索并发 展出一种动态、快速、同时测试含湿多孔体有效导热系数、有效热扩散系数、质扩 散系数的全新使用方法和技术1 2 2 1 ，拟定了利用一组实验数据推算其它温度和含湿率 时热湿迁移性质数据的方法【2 3 】，还提出了在一次实验中确定质扩散系数随温度和含 湿率变化的方法和技术【2 4 j ，可望改变国际上沿用的静态、单项测试的繁琐费时的局 面，但这些方法只限于固体骨架刚性、不出现沸腾凝结和冻结融化的情况，而且 所定制的推算方法具体涉及到毛细压力，从而牵涉到由l e v e r e t tm c 于1 9 4 1 年所发 现和阐述的“毛细滞后现象。为此，对经典的毛细滞后理论提出了质疑并作出新 的解释【2 卯，使非湿饱和的多孑l 介质毛细压力无论在加湿过程或者去湿过程中有可能 成为含湿量的统一单值函数。 黄犊子等【2 6 】对饱和含水的砂子及饱和含水进入冰点的砂子的有效导热系数进行 了实验研究，研究发现对于干砂，有效导热系数随砂子颗粒粒径的增大而增大；对 于饱和含水的砂子，粒径2 0 0 0 夥m 以下时，材料的有效导热系数随砂子颗粒粒径的增 大而增大，粒径大于2 0 0 0 m 时，材料的有效导热系数随砂子颗粒粒径增大而下降； 对于饱和含水进入冰点的砂子( 文中为饱含冰的砂子) ，在2 0 0 0 m 以下，有效导热 系数随颗粒的粒径增大而增大，在这之后再增加颗粒粒径对多孔介质的有效导热系 数并没有太大改变。 王铁行等【2 7 1 基于平板导热原理采用准稳态法测量黄土导热系数和比热容，比较 黄土导热系数和比热容随含水量、密度的变化。实验结果揭示：在含水量一定的情 况下，导热系数和比热容随密度增大而增大；在密度相同的情况下，导热系数和比 热容亦随含水量的增大而增大。进一步对实验结果进行回归分析，得到相对于随密 度的变化，黄土导热系数和比热容随含水量的变化尤为显著的观点。 山东建筑大学硕士毕业论文 朱国平等【2 8 】采用双试件热导率测定仪，对三种含水率情况下的高庙子膨润土导 热系数进行测试。研究表明，当膨润土初始含湿量小于塑限时，导热系数随着膨润 土含湿率的增加而增加，利用石英砂作为添加剂，可以有效地改善膨润土的导热性 能，在相同含湿率条件下，随着石英砂含量的增加，导热系数增加。 王补宣等【2 9 】用常功率平面热源法测定含湿加气混凝土砌块的导热系数，也认为 多孔湿材料的真导热系数值随着含湿率的增大而增大。 正因为多孔介质有效导热系数是研究多孔介质内传热传质过程的最重要的热物 理特性参数，含湿多孔介质有效导热系数的确定时，由于含湿多孔介质其复杂的内 部结构和诸多复杂因素的耦合影响，使得确定含湿多孔材料的热湿迁移特性的研究 受到制约。目前研究仅限于多孔材料干燥和以及饱和含湿情况下的导热系数。确定 非饱和含湿多孔材料的有效导热系数，国际上至今仍没有公认可靠的实用方法可鉴。 所以提出非饱和含湿多孔介质有效导热系数的简单而有效的研究方法，可为研究含 湿多孔介质热湿传递机理提供强有力的理论基础，极具现实意义和应用价值。 1 3 存在问题 现今关于含湿多孔介质有效导热系数的研究，主要集中在多孔材料饱和含湿情 况下，或是在干燥时多孔介质有效导热系数的研究，并且所作的大量研究均是从宏 观角度入手。而关于非饱和含湿状态下多孔介质有效导热系数的研究非常少，同时 也忽视了微观尺度的变化对宏观表象所产生的影响。从孔隙尺度研究非饱和含湿多 孔介质的有效导热系数，能从深层次理解其影响因素，从而为探讨确定含湿多孔介 质有效导热系数的方法提供理论研究基础。 1 4 论文工作 1 4 1 目标 本课题将从微细观角度着手，研究堆积型含湿多孔介质不同条件下( 包括不同 粒径、不同含湿率等) 孔隙内及骨架表面水分形态及分布，以及加热条件下水分形 态演化及迁移过程，以期探求微细观传递过程与宏观传递现象之间的内在联系，提 供更为完善合理的多孔介质热湿传递机理认识。 、1 1 4 2 主要研究内容 实验测试研究非饱和含湿堆积砂的有效导热系数值，并分析其影响的因素，探 山东建筑人学硕士毕业论文 求空隙内部传热传质机理对多孔介质在宏观表象的影响； 实验考察和分析孔隙结构内具有不同形态水的迁移( 或运动) 规律，实验测试分析 和认识多孔介质孔隙尺度微小化对热质迁移的影响和规律； 实验测试含湿多孔介质的表观传递特性，分析孔隙尺度传递对宏观传递的影响 机理，探索分析影响热物性测试准确度的因素。 山东建筑大学硕士毕业论文 第二章实验研究系统 2 1 引言 导热系数表征了材料的导热性能，关系到材料在各个领域内的应用，如空间科 学、能源、材料以及微电子和计算机技术等。物体导热系数的精确测量越来越受瞩 目，热物性测量技术和测量理论已经成为各国关注的焦点。对非饱和含湿材料而言， 热湿传递较密实介质或干燥介质的热传递复杂得多，包括骨架、液态水及孔隙中气 体的导热，孔隙中水和气体的热对流，高温时孔隙中还需考虑热辐射等，另外多孔 介质中的水分扩散、水分蒸发和凝结及水蒸气扩散等也会产生热量传递，而且介质 中的热湿传递是相互耦合影响的。非饱和含湿多孔介质的导热系数表征了其综合热 湿传递特性，从宏观上反应了介质内部热湿传递的耦合结果，因此对含湿多孔介质 导热系数的研究将有助于理解和认识其内部的热湿传递特性。鉴于此本文将对不同 粒径、不同含湿率情况下的堆积型多孔介质有效导热系数测试进行实验研究。 2 2 主要实验仪器 2 2 1 精密分析天平 实验中所采用的精密天平，是m e t t l e rt o l e d o 公司，型号为p l 3 0 0 2 ，可读性为 o o l g 的高分辨率分析天平。称量范围从5 1 9 到3 1 0 0 9 。如图2 1 所示。 p l 系列分析天平各项技术参数如表2 1 所示： 表2 1 精密分析天平p l 3 0 0 2 的各项技术参数 参数技术指标 实际分度值( d ) o o l g 检定分度值( e ) 0 1 9 最大称量范围( m a x ) 3 1 0 0 9 重复性( s ) 0 o l g 线性+ 0 0 3 9 注：在使用儿系列分析天平时，为了获得准确的称量结果，在进行首次称量前必 须至少预热6 0 分钟以达到工作温度。 图2 1精密分析天平p l 3 0 0 2 2 2 2c o d 摄像头 实验中采用的c c d 摄像头有两种，一种是m i n t r o nm t v 18 8 1 e x ，图像分 辨率为7 6 8 5 7 6 像素。采用的图像采集卡是m a t r o xp u l s a r ，最大采集速度为 2 5 f p s 。另一种是高速c c d ，型号r e d l a k em o t i o n s c o p e1 0 0 0 s ，图像分辨率为4 8 0 x 4 2 0 像素，最小采集速度为6 0 f p s ，最大采集速度为1 0 0 0 f p s 。c c d 摄像头及 其高速采集卡见图2 2 。 2 2 3 立体显微镜 立体显微镜型号为o l y m p u ss z i14 5 c t v ，通过调节几乎可以观察任意角度 和位置的目标，物镜焦距几乎恒定在约7 c m ，从而对实验观察和光源使用带来 极大便利。显微镜还可以安装c c d ，一方面增大了图像放大倍数，一方面可通 过计算机实时显示和采集图像( 见图2 3 ) 。 2 2 4 力口热针 加热针为自制，采用直径0 9 r a m ，长8 c m 医用穿刺针作针体，康铜丝折成 8 股布置在穿刺针内做加热元件，康铜丝直径0 0 9 r a m ，外