孔隙尺度物理过程对含湿多孔介质宏观传递特性影响机理研究

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含湿多孔介质导热系数的准确测量在科学研究和工程应用等许多领域有非常重要的价值和意义。含湿多孔介质导热系数是其内部热湿传递的宏观表征,但单纯从宏观尺度研究,很难完全掌握宏观传递特性的规律本质,因此从孔隙尺度深入研究非饱和含湿多孔介质的传递过程,特别是水分对宏观传递过程的影响机理,能从深层次理解宏观表象的内在影响因素,有助于分析发现导热系数测量手段中存在的不足,以便改善测量方法和技术,提高测量的可靠性和准确性。目前关于含湿多孔介质导热系数和水分含量之间关系的研究,大多数都侧重两者之间的数值关系,而对于两者间微细观影响机理研究较少。不同的水分含量下颗粒间水分呈现不同的水分形态,其对颗粒有不同作用,这一作用会引起颗粒出现不同的聚集状态,颗粒孔隙结构变化,该变化会影响介质导热系数的变化趋势。本文选用玻璃珠和不锈钢珠作为试样模拟堆积型多孔介质,用Hotdisk热常数分析仪对不同含湿率下堆积试样的导热系数进行测量,利用CCD(Mintron MTV-1802CB)结合体式显微镜(OLYMPUS SZ61TR)观察不同含湿率下试样孔隙内的水分形态及颗粒聚集状态,分析液桥对颗粒力的作用,及其对试样宏观结构和表观体积的影响,在此基础上分析不同含湿率时水分对多孔介质的宏观传热特性的影响机理。研究表明:试样的导热系数随含湿率的增大呈非单调递增趋势。不同含湿率下堆积型多孔介质孔隙内水分形态不同,含湿率较低时,孔隙内水分主要以孤立液桥形式存在,当含湿率增大到某一程度时,孔隙内液桥开始相互联通,水分主要以连通水形式存在。不同水分形态对颗粒的作用力不同,导致堆积颗粒结构发生变化,进而表观体积变化,表观体积随含湿率的增加呈增大-减小-增大-减小的变化趋势。水分含量、水分形态、颗粒间结构的变化均会影响介质的导热系数变化,在不同阶段,影响程度占优势者决定导热系数的变化方向。目前根据不同的机理己建立许多多孔介质的有效导热系数理论模型,在这些理论模型中均需要确定骨架导热系数。本文提出了一种确定骨架导热系数的计算模型,经过验证该模型在流体相的导热系数与固相骨架导热系数相差不大时有较高的有效性。
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