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第一章　引论 1

1.1　概述 1

1.1.1　多孔介质传输现象的研究概况 1

1.1.2　多孔介质的定义 2

1.1.2.1　定义 2

1.1.2.2　异质及各向异性 3

1.1.2.3　饱和多孔介质与非饱和多孔介质 3

1.1.3　多孔介质热质传输过程研究方法 5

1.1.3.1　基本研究方法 5

1.1.3.2　表征体元 6

1.2　多孔介质的基本参数 7

1.2.1　结构参数 7

1.2.1.1　孔隙率 7

1.2.1.2　比面 7

1.2.1.3　迂曲度 8

1.2.1.4　固体颗粒尺寸 8

1.2.1.5　空隙尺寸 8

1.2.2　基本特性参数 9

1.2.2.1　渗透率 9

1.2.2.2　水力传导系数 10

1.2.2.3　饱和度 10

1.2.2.4　毛细压力 10

1.2.3　基本参数的测量 11

1.2.3.1　孔隙率的测量 11

1.2.3.2　比面的测量 13

1.2.3.3　渗透率的测量 13

1.2.4　孔隙率、渗透率和比面的典型值 14

1.3　多孔介质传热传质过程的表述 15

1.3.1　多孔介质中的传热过程 15

1.3.2　多孔介质中的传质过程 15

1.4　理论建模及求解 16

1.4.1　理论建模的基本过程 17

1.4.2　唯象定律 17

1.4.2.1　基本定律 17

1.4.2.2　唯象律的适用性 19

1.4.2.3　多孔介质各种传递过程的耦合 19

1.4.3　体积平均方法 21

1.4.4　初始条件与边界条件 23

1.4.5　数学模型的简化 23

1.4.5.1　确定无因次量 24

1.4.5.2　方程无因次化 24

1.4.5.3　求解方法 26

参考文献 27

第二章　多孔介质传热与流动的理论基础 28

2.1　饱和多孔介质传热与流动的控制方程 28

2.1.1　连续方程 28

2.1.2　运动方程 28

2.1.2.1　达西定律 28

2.1.2.2　滑动流动 30

2.1.2.3　达西定律的修正 30

2.1.3　能量方程 32

2.1.3.1　简单流动 32

2.1.3.2　较复杂流动的扩展 32

2.2　非饱和多孔介质传热与流动的控制方程 33

2.2.1　非饱和多孔介质输运模型的发展过程 34

2.2.1.1　梯度驱动模型 34

2.2.1.2　连续介质模型 36

2.2.1.3　混合模型 37

2.2.2　非饱和多孔介质输运机制 38

2.2.2.1　质量传输机制 39

2.2.2.2　热量传输机制 44

2.2.3　非饱和多孔介质传热与流动的数学模型 45

2.2.3.1　连续性方程 46

2.2.3.2　动量方程 47

2.2.3.3　能量方程 49

2.2.4　非饱和多孔介质的物性参数 52

2.2.4.1　平均比热容 52

2.2.4.2　有效渗透率 52

2.2.4.3　水力传导系数和气体传导系数 53

2.2.4.4　有效导热系数 53

2.2.4.5　有效热弥散系数 53

2.2.4.6　温度对物性的影响 54

2.2.5　小结 55

参考文献 55

第三章　土壤内的热量、湿分和溶质传输过程 59

3.1　土壤水热传输机制 59

3.1.1　土壤内水气运动机制 59

3.1.1.1　水分运动机制 59

3.1.1.2　蒸汽扩散机制 60

3.1.1.3　土壤内气相运动机制 61

3.1.2　土壤内热迁移机制 61

3.1.3　土壤内热、湿迁移的理论模型 61

3.2　土壤内热、湿传递过程的数值计算 63

3.2.1　物理模型 63

3.2.2　边界条件 63

3.2.3　计算结果与分析 64

3.2.3.1　夏天和冬天土壤温度响应的比较 65

3.2.3.2　环境因素对土壤内热湿迁移的动态影响 67

3.2.3.3　小结 71

3.3　湿分分层土壤内的热湿传递过程 71

3.3.1　数学模型 71

3.3.2　计算结果与分析 72

3.3.2.1　湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟 72

3.3.2.2　湿分分层时土壤床热湿传输的非稳态数值模拟 75

3.3.2.3　土壤床内部水分含量和温度的动态变化 75

3.3.2.4　环境因素对土壤热、湿迁移的动态影响 76

3.3.3 自然条件下土壤热湿迁移及水分蒸发的分层实验 78

3.3.3.1　实验过程 78

3.3.3.2　实验结果与分析 78

3.3.3.3　小结 81

3.4　温度效应对土壤热、湿运动的影响 81

3.4.1 温度效应对土壤湿分及其物性的影响 81

3.4.2　考虑温度效应的土壤热、湿耦合运移的改进模型 82

3.4.3　温度效应影响的计算比较 83

3.4.4　小结 85

3.5　土壤次生盐渍化的机理研究 85

3.5.1　土壤中热量、水分和溶质的耦合运移模型 86

3.5.1.1　土壤中盐分运移的机理 86

3.5.1.2　土壤水、热和溶质耦合运移模型 86

3.5.2　土壤次生盐渍化水盐运动规律的实验研究和数值分析 87

3.5.2.1　地下水埋深和矿化度与土壤积盐的关系 87

3.5.2.2　土壤次生盐渍化之水盐运动规律的实验研究 87

3.5.2.3　土壤次生盐渍化过程中水分和盐分运移的数值模拟 92

3.5.2.4　小结 93

3.5.3　热效应对土壤中盐分输运的影响 94

3.5.3.1　热效应对土壤盐分物性的影响 94

3.5.3.2　考虑温度效应的土壤热量、湿分和盐分耦合运移模型 94

3.5.3.3　土壤盐分运移温度效应的数值分析 94

3.5.3.4　小结 98

3.5.4　地下水水位及矿化度对土壤盐分运移的影响 98

3.5.4.1　数值模拟 98

3.5.4.2　实验模拟 102

3.5.4.3　小结 102

参考文献 102

第四章　植物覆盖土壤中的热物理现象 105

4.1 REPS系统中的传输问题 105

4.1.1　土温对植物生长发育的影响 105

4.1.2　土壤水分迁移模型 107

4.1.3　土壤空气状况 107

4.1.4　小结 109

4.2　植物土壤内传热传质过程 109

4.2.1　根系吸水模型 109

4.2.2　作物冠层对土壤表面热通量 112

4.2.3　植物覆盖土壤的热湿耦合迁移模型及数值模拟 114

4.2.3.1　基本假设 114

4.2.3.2　数学模型 114

4.2.3.3　数值计算结果及分析 115

4.2.4　小结 119

4.3　作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移 119

4.3.1　土壤空气的迁移转化 120

4.3.1.1　土壤空气的浊化过程 120

4.3.1.2　土壤空气的更新过程 120

4.3.2　氧气输运方程 121

4.3.3　作物生长土壤中热量、湿分和氧气的耦合迁移模型 122

4.3.4　土壤氧气浓度场的数值模拟 123

4.3.5　小结 124

4.4　植物根系体积占位对土壤热湿迁移的影响 124

4.4.1　根系占位土壤的数学模型 125

4.4.1.1　根系体积百分含量计算公式 125

4.4.1.2　边界条件 125

4.4.2　计算结果与分析 125

4.4.2.1　根系占位和不占位的植物覆盖土壤床内部各场量分布比较 125

4.4.2.2　太阳辐射对含根系土壤床内水分含量场分布的影响 129

4.4.3　小结 130

4.5　基于根系结构的土壤热湿迁移模拟 131

4.5.1　根系动态生长的计算机模拟 131

4.5.2　土壤根系构型模拟软件 132

4.5.2.1　根系生长与分布的数学描述 132

4.5.2.2　根系构型模拟软件 132

4.5.2.3　根系构型模拟软件绘制机理 135

4.5.2.4　根系构型模拟软件框图 136

4.5.2.5　模拟结果 136

4.5.3　基于根系结构的土壤热湿迁移数学模型 140

4.5.4　小结 141

4.6　植物覆盖土壤床实验 141

4.6.1　实验条件和方法 142

4.6.2　实验结果分析 143

4.6.3　小结 147

4.7　植被条件下的土壤盐渍化问题 147

4.7.1　植物生长对土壤盐渍化影响 147

4.7.2　土壤次生盐渍化的防治措施 149

参考文献 151

第五章　多孔介质在建筑物节能及温室中的应用 155

5.1　多孔介质自由蒸发冷却分析 155

5.1.1　水平多孔填料床的热湿迁移特性 156

5.1.1.1　多孔床结构及数学模型 156

5.1.1.2　计算结果分析 157

5.1.1.3　小结 159

5.1.2　竖置多孔填料床的热湿迁移特性 160

5.1.2.1　数学模型 160

5.1.2.2　计算结果分析 161

5.1.3　多孔床填料性能实验 163

5.1.3.1　风洞实验台设计及系统结构 163

5.1.3.2　实验过程 165

5.1.3.3　实验结果分析 167

5.1.4　小结 172

5.2　一种建筑采暖系统的传热与流动分析 172

5.2.1　基于工质相变循环的太阳能采暖系统 172

5.2.2　简化数学模型 173

5.2.3　计算结果及分析 176

5.2.3.1　流动特性分析 176

5.2.3.2　传热特性分析 178

5.2.4　小结 179

5.3　太阳能温室及其蓄热层中的传热与流动 180

5.3.1　物理模型 180

5.3.2　数学模型 180

5.3.2.1　温室气体的湍流模型 181

5.3.2.2　蓄热层气相饱和多孔介质模型 184

5.3.2.3　边界条件及初始条件 185

5.3.3　数值计算与结果分析 186

5.3.3.1　温室北墙内表面特性对温室气温和气流分布的影响 186

5.3.3.2　温室顶部倾角变化对温室气温和气流分布的影响 187

5.3.3.3　具有多孔岩床蓄热层温室的顶部倾角变化的影响 187

5.3.4　实验研究 189

5.3.5　小结 191

5.4　被动式太阳能温室-采暖房中对流传热的数值分析 191

5.4.1　数学模型 192

5.4.1.1　太阳能温室-采暖房的热平衡 192

5.4.1.2　太阳能温室-采暖系统数学模型 192

5.4.1.3　多孔蓄热层数学模型 193

5.4.1.4　边界条件及初始条件 194

5.4.2　数值计算与结果分析 194

5.4.2.1　受采暖房北墙影响的计算结果 194

5.4.2.2　受岩床蓄热层影响的计算结果 195

5.4.2.3　实验研究 196

5.4.3　小结 200

5.5　多孔介质复合Trombe墙的传热与流动特性 200

5.5.1　Trombe墙及其改进 200

5.5.2　多孔介质复合Trombe墙 201

5.5.2.1　复合Trombe墙的热平衡分析 202

5.5.2.2　复合Trombe墙的数学模型 204

5.5.3　复合Trombe墙的数值计算 206

5.5.3.1　数值计算方法 206

5.5.3.2　结果分析与讨论 207

5.5.4　小结 209

5.6　太阳能多孔集热墙内传热与流动的数值模拟 210

5.6.1　物理模型 210

5.6.2　数学模型 211

5.6.3　数值计算与结果分析 212

5.6.3.1　气体流动速度对温度分布的影响 212

5.6.3.2　多孔材料有效导热系数对温度的影响 213

5.6.3.3　气体和固体骨架间的体积对流换热系数对温度分布的影响 213

5.6.3.4　多孔集热墙厚度对温度分布的影响 214

5.6.4　结论 214

参考文献 215

第六章　封闭空腔中多孔介质的流动与传热特性 218

6.1　封闭腔含湿多孔介质水分的静态分布特性 218

6.2　高Da数下封闭填料床内热湿迁移特性 220

6.2.1　简化模型 221

6.2.2　控制方程 221

6.2.3　计算结果及分析 223

6.2.3.1　非饱和流动特性分析 223

6.2.3.2　传热特性分析 225

6.2.3.3　壁温及形状比对传热的影响 226

6.2.4　小结 227

6.3　低Da数下封闭填料床内热湿迁移特性 227

6.3.1　模型简化 227

6.3.2　无量纲数学模型 228

6.3.3　计算结果与分析 230

6.3.4　小结 232

6.4　封闭腔内非饱和多孔介质稳态自然对流的近似分析解 232

6.4.1　模型简化及推导 233

6.4.2　计算结果比较 237

6.4.3　小结 238

6.5　倾斜矩形腔内非饱和多孔介质热质传输特性研究 238

6.5.1　物理模型及数学描述 239

6.5.2　数值分析及讨论 240

6.5.2.1　对流模式 240

6.5.2.2　传热特征 244

6.5.3　小结 245

6.6　多孔介质中的场协同分析 245

6.6.1　场协同原理 246

6.6.1.1　将对流换热比拟为有内热源的导热问题 246

6.6.1.2　速度场与热流场的配合和协同 246

6.6.1.3　场协同原理的表述 247

6.6.2　多孔介质自然对流的场协同分析 247

6.6.2.1　理论推导 247

6.6.2.2　多孔介质自然对流传热的场协同计算 249

6.6.2.3　小结 250

参考文献 251

第七章　多孔介质理论在航天器热控制技术中的应用 253

7.1 CPL和LHP的研究概况 253

7.2　CPL蒸发器毛细芯的传热与流动特性 255

7.2.1　蒸发器毛细芯两区-饱和模型 256

7.2.1.1　模型描述 256

7.2.1.2　数值模拟 257

7.2.2　蒸发器毛细芯三区-非饱和模型 260

7.2.2.1　单相区（蒸汽或液体） 260

7.2.2.2　两相区（蒸汽＋液体） 261

7.2.2.3　数值模拟 262

7.2.3　场协同原理在蒸发器毛细芯传热强化中的应用 264

7.2.3.1　基于两区-饱和模型的场协同计算 265

7.2.3.2　基于三区-非饱和模型的场协同计算 268

7.2.4　小结 271

7.3　冷凝器毛细芯的传热与流动特性 272

7.3.1　EOF和VOF界面追踪方法 272

7.3.1.1　流体体积函数（VOF）模型 272

7.3.1.2　流体内能函数（EOF）模型 274

7.3.2　冷凝器物理模型 275

7.3.3　VOF模型用于多孔芯冷凝器换热的数值模拟 276

7.3.3.1　控制方程 276

7.3.3.2　数值计算及结果分析 277

7.3.4　EOF模型用于多孔芯冷凝器换热的数值模拟 279

7.3.4.1　EOF模型控制方程 279

7.3.4.2　数值计算及结果分析 281

7.3.5　小结 282

7.4　平面式CPL和LHP蒸发器的数值模拟 283

7.4.1　蒸发器的物理模型 283

7.4.2　控制方程 283

7.4.3　蒸发器材料对CPL传热特性的影响 285

7.4.4　小结 287

7.5　小型平板CPL蒸发器预热驱动过程 287

7.5.1　小型平板CPL预热启动过程的数学模型 287

7.5.2　计算结果分析 288

7.5.3　小结 292

7.6　CPL系统的动态仿真 292

7.6.1　系统稳定运行的热力过程分析 292

7.6.2　系统内工质的压力损失 295

7.6.3　单位时间内工质的蒸发量与冷凝量 297

7.6.4　系统热平衡分析 298

7.6.5　CPL系统仿真模块 299

7.6.5.1　Matlab/Simulink介绍 299

7.6.5.2　仿真模块构成 299

7.6.5.3　计算步骤与程序流程 311

7.6.6　仿真与实验结果的比较 314

7.6.6.1　热负荷不变运行的仿真结果与实验数据比较 314

7.6.6.2　热负荷变化下运行的仿真结果与实验数据比较 314

7.6.6.3　系统运行极限的仿真预测 316

7.6.7　小结 318

7.7　LHP系统的动态仿真 319

7.7.1　LHP系统建模 319

7.7.2　LHP系统仿真 320

7.7.3　计算步骤与程序流程 321

7.7.4　仿真结果及分析 323

7.7.5　小结 324

参考文献 326

第八章　分形理论在多孔介质研究中的应用 331

8.1　分形理论中的一些基本概念 332

8.1.1　分形几何的产生 332

8.1.2　分形的定义 333

8.1.3　分维的形式 333

8.2　多孔介质分形模型有关的基本概念 335

8.2.1　表征多孔介质结构的分形参数 335

8.2.2　分形布朗运动 336

8.2.3　逾渗理论和分形结构中的反常扩散 337

8.2.4　分形理论中动力学传输模型 338

8.3　多孔介质物理结构的分形描述 339

8.3.1　Menger海绵 340

8.3.2　多孔介质孔隙率的分形描述 340

8.3.3　多孔介质比表面积的分形描述 340

8.4　多孔介质渗透率和导热系数的分形研究进展 341

8.4.1　多孔介质导热分形模型 341

8.4.2　多孔介质物质传输分形模型 344

8.5　分形几何在植物根系研究中的应用 355

8.5.1　根系分枝的分形特性 355

8.5.2　土壤剖面上根系参数分布的分形特性 356

8.5.3　根系分形研究的前景展望 358

参考文献 359

第九章　多孔介质传热传质理论的其他应用 362

9.1　CO2吸附过程的热量和物质传递 362

9.1.1　吸附操作的基本原理 362

9.1.2　吸附过程的质量和热量传递过程 363

9.1.2.1　质量传递过程 363

9.1.2.2　热量传递过程 364

9.1.3　数学模型与数值求解 365

9.1.3.1　计算区域的设置和物理模型 365

9.1.3.2　数学模型 365

9.1.3.3　计算方法与结果 366

9.1.4　小结 368

9.2　利用多孔介质实现管内强化传热 369

9.2.1　管内强化换热 370

9.2.2　管内流动充分发展段热边界层的构造 370

9.2.3　数值计算及结果分析 370

9.2.3.1　理论模型 370

9.2.3.2　数值计算方法 372

9.2.3.3　结果及讨论 372

9.2.4　场协同分析 375

9.2.5　小结 376

9.3　多孔介质对流干燥过程的热质传输 376

9.3.1　多孔介质对流干燥机理描述 376

9.3.2　对流干燥的数学模型 378

9.3.3　计算方法 380

9.3.4　计算结果及讨论 381

9.3.5　小结 382

9.4　生物组织中的热质传输过程 382

9.4.1　生物传热模型的发展 383

9.4.2　人体发汗的热调节机理探索 384

9.4.3　人体肢体隐性发汗及其降温效应 385

9.4.3.1　物理模型 385

9.4.3.2　传热传质数学模型 386

9.4.3.3　汗液的成分组成和热物性参数 389

9.4.3.4　数值求解及其模拟结果 389

9.4.3.5　皮表温度的实验测量 395

9.4.4　人体肢体在显性发汗条件下的降温效应 397

9.4.4.1　显性发汗的传热传质数学模型 397

9.4.4.2　数值计算 398

9.4.5　小结 400

9.5　太阳能热气流发电系统的数值模拟 401

9.5.1　无蓄热层系统的传热与流动特性分析 402

9.5.1.1　物理模型 402

9.5.1.2　集热棚和烟囱内传热与流动数学模型 402

9.5.1.3　边界条件与求解 403

9.5.1.4　计算结果与讨论 403

9.5.2　有蓄热层系统的传热与流动特性分析 405

9.5.2.1　蓄热介质内传热与流动数学模型 405

9.5.2.2　边界条件与求解 406

9.5.2.3　稳态计算结果与分析 407

9.5.2.4　非稳态计算结果与分析 411

9.5.3　具有风机系统的耦合数值模拟方法 413

9.5.3.1　概述 413

9.5.3.2　数学模型与模拟方法 414

9.5.4　小结 415

参考文献 415