[科普中国]-渗流传热

基本概念渗流

在岩土空隙中运动的地下水叫做渗流。天然多孔介质包括土体和岩层等多孔性和裂隙性介质。水利工程中有很多方面涉及渗流。例如水工建筑物的透水地基中以及与建筑物连接的岩层或土体中的绕渗及渗流、挡水土坝中的渗流、灌溉抽水或施工排水时在地层中引起的渗流等。主要研究的渗流问题是：渗流区域内的水头或地下水位的分布、渗流量的确定、渗流作用于建筑物基底上的力、渗流速度分布及其引起的土体结构变形等。由于作为渗流通道的孔隙尺寸微小但数量众多，且表面积很大，所以渗流阻力较大,渗流流动速度较慢,因而惯性力和动能往往可以不计。

传热传热（或作热传、热传递）是物理学上的一个物理现象，是热能从高温向低温部分转移的过程。传热是一种复杂现象。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为传热模式。物体的传热过程分为三种基本传热模式，即: 热传导、热对流和热辐射。传递热量的单位为J（焦耳）。热传递现象无时无处不在，它的影响几乎遍及现代所有的工业部门，也渗透到农业、林业等许多技术部门中。可以说除了极个别的情况以外，很难发现一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系。在某些环节上，传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素。

二维裂隙岩体在地热能源的利用、核废料的填埋、地下水污染的扩散等实际问题中，均会遇到深层裂隙岩体多场耦合问题，主要是渗流过程，伴随着热传输、离子传输、力学过程、化学反应等。在地热利用领域，无论是传统的中低温地热水的开采、高温地热田发电，还是增强型地热系统的运行，裂隙岩体的渗流与传热过程对其生命周期和经济效益均有重要影响。

文献1以深层地热资源的利用为背景，讨论一种基于离散裂隙网络模型的裂隙岩体的渗流传热计算方法。针对裂隙岩体渗流传热问题，用解析方法，比较2种不同岩石基质与裂隙水界面热交换假设下的计算结果，对一般裂隙岩体，2种假设下的计算结果相同。基于离散裂隙网络模型的思想，在商业有限元软件COMSOL中实现一种计算已知裂隙网络的裂隙岩体渗流和传热过程的数值方法，该方法可以同时计算岩石基质与裂隙中的渗流和传热过程及二者间的交换，并与解析解比较进行验证。用该方法对一随机生成的二维裂隙岩体进行计算，得到的出口温度曲线，可以反映裂隙岩体渗流传热的早期热突破和长尾效应等特点，并分析岩石基质渗透率、热传导系数的不同取值对裂隙岩体渗流和传热过程的影响。

填砂裂隙岩体近年来，我国核电事业飞速发展。据报道，截至2010年，国务院已批准建设34台核电机组，其中已开工在建机组达25台，是全球核电在建规模最大的国家。核电以及核军工设施将会产生高放射性核废料，对于这些高放废物的处理和处置将会成为一个重大的安全和环保问题。目前，国际上公认的高放射核废物的处置方法是建造深部(地表以下约100～1000m)地下处置库封存，处置库的围岩主要包括黏土岩、花岗岩、岩盐、凝灰岩等。高放射核废物地质处置的目的在于实现高放废物与人类和生态环境之间的长时间隔离。封存于地下处置库的高放射核废物会长期地向围岩释放热量，产生传热、地下水流动和岩体应力之间的耦合作用。目前，我国已制订了高放射核废物处置库建设规划，并将甘肃=lt,th地区作为处置库的重要预选场区。

文献2选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区——甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验；对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响.模型试验表明,当热源温度维持在120℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95℃时一致；热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长；裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况.模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致.试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大.模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间.数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显.

离心渗铸工艺离心铸造法是近年来国际上研制优质陶瓷颗粒增强铝基复合材料最有成效的新技术，其工艺过程是在高速旋转的SiC(碳化硅陶瓷)颗粒多孔预型体中均匀浇铸金属铝熔体，使其在离心压力作用下渗入粒子的间隙，凝固后得到被SiC粒子化的陶瓷颗粒增强铝基复合材料。离心铸造技术有着十分广阔的应用前景，最适合制造表面耐磨的高速轧辊和导向轮以及耐腐蚀的陶瓷颗粒增强金属复合管道和套筒。

金属熔体在多孔介质内的渗流和热传递现象对于铸造工艺过程起着十分重要的用。文献3针对离心力场中铝熔体在SiC多孔介质内的渗流传热现象,考虑离心力对渗流传热过程的影响,根据局部非热平衡假设建立了多孔介质渗流传热模型.采用全隐格式TDMA算法和第一类迎风差分方法对渗流过程的温度场进行了数值计算.研究分析了不同复合层厚度下离心渗透过程中的流场和温度场瞬态变化规律.计算结果表明,在渗透区域,熔体与SiC颗粒存在着一定温差,而在渗透前沿,这种温差相对较大.渗流速度变化存在两个十分明显的阶段,渗流速度较高且急剧下降的初始渗透阶段以及渗流速度相当平稳的后续阶段.渗流速度的这种瞬态变化规律主要是多孔介质内流体流动与离心压力相互作用的结果.渗透初期形成的紊流状态,是导致熔体卷吸空气、使复合材料内部形成气孔的主要原因之一.选择合适的工艺参数对于确保铸件质量是十分关键的.