滲流傳熱

滲流傳熱是指多孔介質中流動的液體發生的傳熱。滲流是指在岩土空隙中運動的地下水。天然多孔介質包括土體和岩層等多孔性和裂隙性介質。人造多孔介質種類很多。人造多孔介質與天然多孔介質中流動的液體發生的傳熱有相似之處。

基本介紹

• 中文名：滲流傳熱
• 外文名：flowand heat transfer
• 讀音：shèn liúchuán rè
• 基本釋義：多孔介質中流動的液體發生的傳熱
• 基本概念：滲流、傳熱
• 領域：能源利用

基本概念

滲流

在岩土空隙中運動的地下水叫做滲流。天然多孔介質包括土體和岩層等多孔性和裂隙性介質。水利工程中有很多方面涉及滲流。例如水工建築物的透水地基中以及與建築物連線的岩層或土體中的繞滲及滲流、擋水土壩中的滲流、灌溉抽水或施工排水時在地層中引起的滲流等。主要研究的滲流問題是：滲流區域內的水頭或地下水位的分布、滲流量的確定、滲流作用於建築物基底上的力、滲流速度分布及其引起的土體結構變形等。由於作為滲流通道的孔隙尺寸微小但數量眾多，且表面積很大，所以滲流阻力較大,滲流流動速度較慢,因而慣性力和動能往往可以不計。

傳熱

傳熱（或作熱傳、熱傳遞）是物理學上的一個物理現象，是熱能從高溫向低溫部分轉移的過程。傳熱是一種複雜現象。從本質上來說，只要一個介質內或者兩個介質之間存在溫度差，就一定會發生傳熱。我們把不同類型的傳熱過程稱為傳熱模式。物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式，即: 熱傳導、熱對流和熱輻射。傳遞熱量的單位為J（焦耳）。熱傳遞現象無時無處不在，它的影響幾乎遍及現代所有的工業部門，也滲透到農業、林業等許多技術部門中。可以說除了極個別的情況以外，很難發現一個行業、部門或者工業過程和傳熱完全沒有任何關係。在某些環節上，傳熱技術及相關材料設備的研製開發甚至成為整個系統成敗的關鍵因素。

二維裂隙岩體

在地熱能源的利用、核廢料的填埋、地下水污染的擴散等實際問題中，均會遇到深層裂隙岩體多場耦合問題，主要是滲流過程，伴隨著熱傳輸、離子傳輸、力學過程、化學反應等。在地熱利用領域，無論是傳統的中低溫地熱水的開採、高溫地熱田發電，還是增強型地熱系統的運行，裂隙岩體的滲流與傳熱過程對其生命周期和經濟效益均有重要影響。

文獻以深層地熱資源的利用為背景，討論一種基於離散裂隙網路模型的裂隙岩體的滲流傳熱計算方法。針對裂隙岩體滲流傳熱問題，用解析方法，比較2種不同岩石基質與裂隙水界面熱交換假設下的計算結果，對一般裂隙岩體，2種假設下的計算結果相同。基於離散裂隙網路模型的思想，在商業有限元軟體COMSOL中實現一種計算已知裂隙網路的裂隙岩體滲流和傳熱過程的數值方法，該方法可以同時計算岩石基質與裂隙中的滲流和傳熱過程及二者間的交換，並與解析解比較進行驗證。用該方法對一隨機生成的二維裂隙岩體進行計算，得到的出口溫度曲線，可以反映裂隙岩體滲流傳熱的早期熱突破和長尾效應等特點，並分析岩石基質滲透率、熱傳導係數的不同取值對裂隙岩體滲流和傳熱過程的影響。

填砂裂隙岩體

近年來，我國核電事業飛速發展。據報導，截至2010年，國務院已批准建設34台核電機組，其中已開工在建機組達25台，是全球核電在建規模最大的國家。核電以及核軍工設施將會產生高放射性核廢料，對於這些高放廢物的處理和處置將會成為一個重大的安全和環保問題。目前，國際上公認的高放射核廢物的處置方法是建造深部(地表以下約100～1000m)地下處置庫封存，處置庫的圍岩主要包括黏土岩、花崗岩、岩鹽、凝灰岩等。高放射核廢物地質處置的目的在於實現高放廢物與人類和生態環境之間的長時間隔離。封存於地下處置庫的高放射核廢物會長期地向圍岩釋放熱量，產生傳熱、地下水流動和岩體應力之間的耦合作用。目前，我國已制訂了高放射核廢物處置庫建設規劃，並將甘肅=lt,th地區作為處置庫的重要預選場區。

文獻選取中國高放射核廢物地下處置庫重要預選場區——甘肅北山地區的花崗岩,加工組合成規則裂隙岩體,將垂直裂隙用粒徑為0.5～0.63 mm的砂土填充,進行了裂隙水滲流傳熱試驗；對模型試驗進行了數值模擬,進而計算分析了熱源溫度、裂隙水流速和裂隙開度變化對裂隙岩體模型穩態溫度場的影響.模型試驗表明,當熱源溫度維持在120℃時,裂隙水仍無相變,裂隙岩體模型穩態溫度場分布規律與熱源溫度為95℃時一致；熱源溫度越高,熱源的水平影響距離越大,模型達到穩態需要的時間越長；裂隙填砂加強了裂隙兩側岩石之間的熱傳導,熱源的水平影響距離和模型到達穩態需要的時間均明顯大於無填充裂隙岩體模型的情況.模型試驗得到的岩體模型溫度場與數值計算得到的岩體模型溫度場規律一致.試驗過程中裂隙岩體模型在邊界上存在一些熱量散失,無法與數值計算中的絕熱邊界條件等同,致使試驗數據低於數值計算值,並且熱源溫度越高,兩者之間的差異越大.模型試驗和數值計算均表明,鄰近熱源側的裂隙水滲流對模型的溫度場分布起控制作用,而遠離熱源側的裂隙水滲流則主要影響該側的邊界溫度和模型達到穩態所需要的時間.數值參數敏感性分析表明,裂隙水流速與裂隙開度越大,裂隙水對水平傳熱的阻滯作用越明顯.

離心滲鑄工藝

離心鑄造法是近年來國際上研製優質陶瓷顆粒增強鋁基複合材料最有成效的新技術，其工藝過程是在高速旋轉的SiC(碳化矽陶瓷)顆粒多孔預型體中均勻澆鑄金屬鋁熔體，使其在離心壓力作用下滲入粒子的間隙，凝固後得到被SiC粒子化的陶瓷顆粒增強鋁基複合材料。離心鑄造技術有著十分廣闊的套用前景，最適合製造表面耐磨的高速軋輥和導向輪以及耐腐蝕的陶瓷顆粒增強金屬複合管道和套筒。

金屬熔體在多孔介質內的滲流和熱傳遞現象對於鑄造工藝過程起著十分重要的用。文獻針對離心力場中鋁熔體在SiC多孔介質內的滲流傳熱現象,考慮離心力對滲流傳熱過程的影響,根據局部非熱平衡假設建立了多孔介質滲流傳熱模型.採用全隱格式TDMA算法和第一類迎風差分方法對滲流過程的溫度場進行了數值計算.研究分析了不同複合層厚度下離心滲透過程中的流場和溫度場瞬態變化規律.計算結果表明,在滲透區域,熔體與SiC顆粒存在著一定溫差,而在滲透前沿,這種溫差相對較大.滲流速度變化存在兩個十分明顯的階段,滲流速度較高且急劇下降的初始滲透階段以及滲流速度相當平穩的後續階段.滲流速度的這種瞬態變化規律主要是多孔介質內流體流動與離心壓力相互作用的結果.滲透初期形成的紊流狀態,是導致熔體卷吸空氣、使複合材料內部形成氣孔的主要原因之一.選擇合適的工藝參數對於確保鑄件質量是十分關鍵的.