具有吸湿性固体骨架的含水多孔介质热湿迁移特性研究

The solid matrices of wet porous media can be classified into two types of hygroscopicity and non-hygroscopicity according to their ability of adsorbing water vapor. Sand mold, which is widely used in the manufacturing industry, is a typical and characteristic porous medium, its solid matrix is made of numerous sand particles bonded together by a hygroscopic binder. Water in porous medium pores can be classified into two kinds, i.e., free water existing in the pores and adsorption water existing in the binder. With the sand mold drying as a background, the present project will study the heat and moisture transports in the wet porous medium having a hygroscopic solid matrix, establish physical and mathematical models, pursue the numerical method that can effectively solve the set of the equations included in the model; make a systematic study of the coupling effects and interactions of various transport mechanisms occurring in the wet porous medium, propose the criterion for judging the relative importance of each mechanism; conduct a deep study and analysis of the effects of the adsorptive and wetting property of the solid matrix on the heat and moisture transports in the wet porous medium. The present research involves the fluid mechanics, non-equilibrium thermodynamics, interface science, surface physics and chemistry, heat and mass transfer, etc., so it has an obvious interdisciplinary feature. The relevant research achievements can not only enrich and broaden the fundamental theory of the heat and mass transfer in a porous medium but also promote the mutual penetration and developments of the abovementioned disciplines.

含水多孔介质的固体骨架按其是否具有吸收水分的能力可以划分为吸湿性和非吸湿性两种。制造业中大量使用的铸造砂型是一种典型且颇具特色的多孔介质，它所拥有的固体骨架是由粘结剂粘结在一起的无数沙粒所组成，粘结层具有吸湿性。砂型中的水分可以分为两种，即存在于空隙中的自由水和存在于粘结剂中的吸附水。本项目以砂型干燥为背景，研究具有吸湿性固体骨架的含水多孔介质的热湿迁移过程，建立物理数学模型，寻求可以有效求解模型方程的数值方法；系统研究含水多孔介质各种传递机制的耦合作用及相互影响，提出可以用来判断不同传递机制相对重要性的准则关系；深入研究和分析固体骨架的吸附及湿润特性对多孔介质热湿迁移过程的影响。本项目研究涉及流体力学、非平衡热力学、界面科学、表面物理化学、传热传质学等，具有明显的多学科交叉的特征，研究成果不仅可以充实和拓宽多孔介质传热传质的基础理论，而且能够促进上述各学科的相互渗透和发展。

含水多孔介质固体骨架按其是否具有吸收水分的能力可以分为吸湿性和非吸湿性两种，分析表明固体骨架的吸湿效果只有在固体表面的自由水消失后才能发挥作用。本项目采用理论分析、数值模拟和实验测量相结合的方法，以界面科学、热力学、传热传质学等基础理论为指导，对含水多孔介质热湿迁移特性开展了系列研究：首先研究了绝热固壁表面和导热性球形表面水膜蒸发特性，建立了水膜蒸发传热传质的非稳态数学模型，研究了不同空气条件和固壁参数对水膜蒸发特性的影响；针对空气流过水面时的对流传热传质过程，研究了质量流密度对传热传质特性的影响，探讨了传热传质类比关联式的适用条件；建立了含水多孔介质热湿迁移的非稳态物理数学模型，模型考虑毛细力推动的毛细流动、压差推动的达西渗透、浓度差推动的分子扩散以及温差传热与相变等诸多物理机制，同时采用水蒸气的质量浓度作为对流传质的驱动势，系统研究了含水多孔介质热湿迁移特性，探讨了采用不同水蒸气浓度作为传质驱动势时计算结果的差异；分析了多孔介质内部不同驱动势对湿分迁移的贡献，研究了多孔介质热风干燥进入干区后固体骨架的吸附特性对介质干燥特性的影响；模拟研究了孔隙内毛细压力与饱和度的关系，给出了孔隙为球形腔时二者关系的解析表达式，数值研究了不同截面形状毛细通道内弯液面的动态特性及毛细行为；此外还研究了多孔介质的生成方法，并结合格子-玻尔兹曼方法模拟研究了多孔介质孔隙尺度的流动特性。