多孔介質的自然對流傳熱與傳質問題與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及工程實際聯(lián)系緊密，了解多孔介質內(nèi)部結構特性及熱質傳遞規(guī)律對相關領域的過程優(yōu)化和效率提升有重要作用。《多孔介質自然對流傳熱傳質》重點關注全部填充及部分填充多孔介質封閉腔體內(nèi)的自然對流傳熱傳質問題。第2～4章探討了多孔介質封閉腔體內(nèi)的自然對流傳熱傳質耦合效應的有限元數(shù)值求解及電化學實驗研究方法，第5～7章探討了部分填充多孔介質封閉腔體內(nèi)的自然對流交界面滑移效應的有限元數(shù)值求解及交界面滑移效應的PIV實驗測試研究，第8、9章介紹了多孔介質內(nèi)部結構X-CT實驗測試方法，并探討了多孔介質的結構重構和LBM方法的數(shù)值求解。
《多孔介質自然對流傳熱傳質》既可作為本科院校學生及研究生參考用書，亦可供相關領域學者參考。
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多孔介質中的傳遞現(xiàn)象遍及自然界及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，相關的傳熱傳質學研究也已滲透到包括農(nóng)業(yè)、能源、冶金、化工、材料、建筑、空間科學、環(huán)境科學、生命科學和醫(yī)學等在內(nèi)的科學和技術領域。多孔介質結構的復雜性和多相的存在，尤其是多孔介質內(nèi)部流動、溫度、濃度等各種物理場的耦合作用，產(chǎn)生諸如耦合擴散、相界面作用、界面滑移、毛細作用等各種復雜效應，對其傳熱傳質過程產(chǎn)生重要的影響。
本書的第一著者從20世紀90年代初開始研究多孔介質中的傳遞問題，重點關注了多孔介質及其復合系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度梯度和濃度梯度產(chǎn)生的自然對流及熱質傳遞現(xiàn)象，曾承擔多個多孔介質領域相關的國家自然科學基金項目，在數(shù)值模擬和實驗研究方面進行了不懈的探索。多孔介質內(nèi)傳遞現(xiàn)象的各種效應是復雜多變的，著者從自己涉獵的研究領域作一總結，理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結合，試圖從宏觀層面和孔隙尺度方面，分別利用有限元方法和格子玻爾茲曼方法，輔以電化學實驗方法和PIV實驗方法和X-CT測試技術，探討多孔介質的耦合擴散效應、界面滑移效應及其對傳熱傳質的影響。
本書主要包括三部分內(nèi)容，第一部分為多孔介質內(nèi)部由于存在溫度梯度和濃度梯度所導致的雙浮生力自然對流及熱質傳遞過程中的耦合效應問題，其中包括數(shù)值模擬研究進展，也包括電化學方法的實驗研究。第二部分關注了部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)的自然對流，采用有限元數(shù)值模擬和PIV實驗測試相結合的方法，研究多孔介質和流體空間交界面處的流體動力學特性及其對整個復合系統(tǒng)傳熱傳質的影響，重點討論交界面處界面滑移效應的問題。第三部分為借助X-CT技術進行的多孔介質的三維重構問題，以及基于多孔介質的實際骨架結構，采用格子玻爾茲曼方法進行數(shù)值模擬。
本書是著者及所在課題組多年來研究成果的總結，其主要內(nèi)容取自于陳寶明教授的博士論文、劉芳的博士論文、云和明的研究成果、博士研究生耿文廣的博士論文、碩士研究生張立強、王麗、蘆凱、蔡鵬飛、邱偉國和張國慶的碩士論文及其發(fā)表成果。本課題組的碩士研究生宋林泉、張洋洋、馬芳芳、郜凱凱、魏茂豐、李瑋對本書的編排及校對工作付出了辛勤的勞動，沒有他們的高效工作與全力支持，著者不可能順利完成本書的撰寫工作，在此一并表示感謝。
本書的研究工作獲得了國家自然科學基金（59806008、50646022、51076086）的資助，在此一并致謝。
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目錄
前言
第1章緒論1
1.1多孔介質的基本概念2
1.1.1多孔介質的定義2
1.1.2多孔介質的結構參數(shù)3
1.1.3流體屬性5
1.2基本方程7
1.2.1滲流速度與連續(xù)性方程7
1.2.2動量方程8
1.3多孔介質中傳遞過程及其耦合機理10
1.4多孔介質與流體空間交界面處的滑移效應12
參考文獻14
第2章多孔介質傳熱傳質耦合效應的機理和數(shù)學描述16
2.1多孔介質傳熱傳質耦合效應16
2.1.1局域平衡假設18
2.1.2非平衡態(tài)區(qū)域的劃分18
2.1.3二維體系內(nèi)傳熱傳質耦合20
2.2數(shù)學建模及求解方法22
2.2.1封閉腔體內(nèi)自然對流傳熱傳質耦合擴散效應的數(shù)學模型22
2.2.2數(shù)學模型的求解方法25
參考文獻29
第3章封閉腔體多孔介質自然對流的交叉耦合擴散效應數(shù)值模擬31
3.1穩(wěn)態(tài)水平溫度梯度和濃度梯度導致的自然對流傳熱傳質31
3.1.1雙浮升力自然對流機理分析31
3.1.2瑞利數(shù)、浮升力比數(shù)及劉易斯數(shù)對流動和傳熱傳質的影響32
3.1.3瑞利數(shù)、浮升力比數(shù)和劉易斯數(shù)對邊壁傳熱傳質速率的影響34
3.2熱附加擴散效應——索瑞特效應39
3.2.1索瑞特效應對傳熱傳質的影響39
3.2.2索瑞特效應的影響機理42
3.3擴散附加熱效應——杜弗爾效應52
3.3.1杜弗爾效應對傳熱傳質的影響52
3.3.2擴散附加熱效應的影響機理56
3.4考慮交叉耦合擴散效應傳熱傳質的綜合關聯(lián)式66
參考文獻67
第4章多孔介質自然對流傳熱傳質的電化學測量69
4.1電化學方法原理及其實驗系統(tǒng)70
4.1.1實驗系統(tǒng)70
4.1.2實驗原理及方法73
4.1.3實驗步驟75
4.2溫度場及濃度場測試及結果76
4.2.1多孔腔體內(nèi)的溫度場及濃度場分布76
4.2.2實驗結果的誤差分析80
4.3封閉腔體內(nèi)自然對流傳熱傳質測試結果及分析83
4.3.1封閉腔體內(nèi)的溫度測量83
4.3.2努塞特數(shù)隨時間的變化86
4.3.3壁面上舍伍德數(shù)的分布情況86
4.3.4實驗結果與數(shù)值模擬結果的對比88
參考文獻89
第5章部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)滑移效應的數(shù)學模型91
5.1部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)滑移效應的描述91
5.1.1多孔介質與流體空間交界面處的流體動力學特性91
5.1.2界面滑移條件的研究進展92
5.2部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)流動及傳熱的數(shù)學模型95
5.2.1微觀尺度下質點的控制方程96
5.2.2基于體積平均法的控制方程97
5.2.3宏觀尺度下的控制方程112
參考文獻120
第6章部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)傳熱傳質及交界面處滑移效應的分析123
6.1多孔介質復合腔體內(nèi)數(shù)值模擬研究進展123
6.2部分填充多孔介質復合腔體內(nèi)自然對流傳熱傳質分析127
6.2.1典型工況127
6.2.2多孔介質結構特性的影響127
6.2.3流動參數(shù)的影響134
6.2.4交界面應力滑移條件對流動和傳熱傳質的影響140
6.3填充規(guī)則型多孔介質復合腔體界面滑移效應的分析145
6.3.1滑移效應對流動的影響147
6.3.2滑移效應對傳熱的影響149
6.4部分填充實際多孔介質交界面處滑移效應分析151
6.5雙層多孔介質與流體交界面處速度滑移系數(shù)的分析155
6.5.1多孔介質結構特性的影響156
6.5.2流體物性及流動參數(shù)的影響159
參考文獻161
第7章部分填充多孔介質腔體交界面處的滑移效應實驗研究165
7.1實驗研究進展165
7.2PIV測試原理及實驗研究166
7.2.1PIV測試原理及圖像處理166
7.2.2實驗方案168
7.3測試結果及處理分析171
7.3.1典型測試工況171
7.3.2黏性應力滑移系數(shù)的測試分析174
7.4實驗結果與數(shù)值模擬對比176
7.4.1典型工況下的流線分布比較176
7.4.2不同高度處的速度分布比較176
參考文獻181
第8章實際多孔介質結構的三維重構183
8.1X-CT測試原理183
8.2多孔介質內(nèi)部結構X-CT圖像處理185
8.2.1多孔介質內(nèi)部切片結構的X-CT掃描及圖像處理185
8.2.2圖像的去噪186
8.2.3空間平滑濾波188
8.2.4頻率域濾波188
8.2.5圖像增強191
8.2.6邊緣獲取192
8.2.7圖像分割192
8.2.8最大類間方差法195
8.3三維多孔介質的重構198
8.3.1三維多孔介質孔隙結構的獲取198
8.3.2三維多孔介質重構后的應用202
參考文獻204
第9章基于LBM的多孔介質自然對流的介觀模擬205
9.1格子玻爾茲曼方法205
9.1.1格子玻爾茲曼方法的研究進展205
9.1.2LBM模型207
9.1.3熱LBM模型209
9.1.4LBM程序結構211
9.1.5LBM在復合腔體內(nèi)自然對流中的應用211
9.2二維多孔介質自然對流的LBM數(shù)值模擬212
9.2.1二維多孔介質/流體腔體內(nèi)自然對流的LBM模型212
9.2.2流固耦合計算與驗證213
9.2.3二維LBM模擬與實驗結果的對比216
9.3真實三維多孔介質自然對流的LBM數(shù)值模擬217
9.3.1物理模型217
9.3.2算法與驗證217
9.3.3真實多孔介質腔體LBM模擬結果218
9.3.4三維多孔介質腔體自然對流的研究220
9.3.5三維復合腔體多孔介質交界面流動傳熱的研究226
參考文獻231
基本符號表233
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