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多孔介质强化传热
多孔介质强化传热是一种有效的技术手段，其应用主要涉及能源、化工、环保等领域。
以下是一些关于多孔介质强化传热的应用实例：
1.在汽车工业中，多孔介质被用于强化发动机的冷却系统，从而提高发动机的工作效率。
通过多孔介质的特殊结构，可以增加冷却液与发动机的接触面积，从而增强换热效果。
2.在建筑领域，多孔介质也被用于强化建筑的隔热性能。
多孔介质具有很好的透气性，可以有效地阻隔外界热量和冷气的侵入，从而保持室内温度的稳定。
3.在石油化工领域，多孔介质的应用更为广泛。
在油品加工过程中，多孔介质被用作高效油水分离器，提高油品分离效率。
同时，多孔介质在催化反应中也有广泛应用，可以提高反应速率和产物收率。
4.在环保领域，多孔介质也被用于废气和废水的处理。
多孔介质可以增加废气与催化材料的接触面积，提高废气的处理效率。
在废水处理中，多孔介质可以增加水流的流动阻力，使废水在流动过程中得到充分净化。
总之，多孔介质强化传热是一种非常有前景的技术手段，其应用领域广泛，具有很大的发展潜力。
通过不断的研究和开发，可以期待更多优秀的应用实例的出现。
内燃机燃烧技术的研究现状及发展关键词：内燃机；燃烧技术；工作原理前言：内燃机的发明至今已有100多年的历史，经过大量的应用实践，其供热效率、功率范围、应用技术都得到了长足的发展。
现如今，内燃机燃烧技术已经在工业、农业、交通运输业等领域普及，不过，随着科学发展观与生态保护意识的不断发展，各生产领域对内燃机燃烧技术提出了更高、更严格的要求，如何有效的降低内燃机有害气体的排放量，成为了全世界共同关心的课题。
一、关于内燃机燃烧技术（一）压燃式发动机压燃式发动机俗称柴油机，其工作原理是通过缸内压缩混合气体到一定温度和压力，使混合气体产生自燃，其预热混燃烧量与初始放热率峰值成正比，然后继续扩散燃烧工作，使燃油与空气边混合边燃烧。
所以，传统柴油机对喷射压力的要求较高，保证适当的空气涡流强度，方便扩散燃烧工作顺利完成。
压燃式燃烧技术的主要优缺点包括：（1）由于柴油机燃烧技术可以采用较高的压缩比，其热效率比较高，性价比与经济产能比较高。
（2）由于在上止点前的第一阶段非均质预混合燃烧会引起较高的压力升高率，所以压燃式燃烧技术在应用的过程中会产生的噪音。
（3）预混合燃烧会使燃烧温度不断提高，而且缸内空气比较充足，所以，柴油机在工作的过程中会排放大量的PM。
（二）点燃式发动机点燃式发动机俗称汽油机，与柴油机相比，汽油机属于典型的预混燃烧技术的应用，其燃烧技术的主要优缺点包括：（1）为了防止在工作过程中出现爆震现象，汽油机的压缩比较低、热效率比较低、经济产能比较低。
与柴油机相比HC、CO排放量比较高。
（2）在进气行程燃油就喷入进气管，燃油与空气有足够的时间在燃放发生之前进行充分的混合，形成均匀的可燃混合气体。
因此汽油机在工作的过程当中比柴油机更为柔和，震动幅度和噪音比较小。
（3）由于柴油机的工作动力源于基本均匀的预混合气体燃烧，PM的排放量比较少。
除此之外，由于燃烧温度比较低，所以汽油机在工作过程中产生的NO某要比柴油机产生的少。
多孔介质中的流动、传热与化学反应姜元勇; 徐曾和; 曹建立【期刊名称】《《金属矿山》》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】多孔介质; 流动; 传热; 化学反应; 跨尺度; 相互作用【作者】姜元勇; 徐曾和; 曹建立【作者单位】东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TD80多孔介质是一种由固体骨架和孔隙（空隙）空间所组成的多相介质。
多孔介质的分布非常广泛，在人们的日常生活、工程实践和科学研究中比较常见，如煤层、岩体、球团矿和土壤等。
多孔介质中发生的流动过程、传热传质过程和化学反应过程具有重要的工程和科研价值，多年来一直受到众多研究者的关注［1-6］。
1 多孔介质中的流动多孔介质中的孔隙通道通常被流体所占据，在一定的能量梯度驱动下，流体便会沿着彼此联通的孔隙通道流动。
由于孔隙通道几何结构的复杂性，使得流体在多孔介质中流动时，孔隙流体与固体骨架之间的接触面构型也很复杂，很难进行精确描述［7］。
Bear［8］采用连续介质方法，将微观水平与宏观水平联系起来，通过引入表征体元（Representative Elementary Volume），给出了多孔介质物性参数的严格定义，如孔隙率、比面等，奠定了多孔介质流体动力学研究的基础。
流体在多孔介质中流动时，由于孔隙通道曲折、通道壁面不够光滑、流体具有一定的黏性等原因，造成多孔介质对于在其中流动的流体表现出一定的阻力作用［9］。
为了探究多孔介质中流动动力与阻力之间的关系，许多科研人员进行了不懈的努力。
早在1856年，Darcy就通过实验，研究了水在直立均质砂柱中的流动过程，获得了Darcy公式J=aq，也就是所谓的线性渗流定律（比流量与水力梯度成线性关系），此定律后来被进行了推广和理论证明。
实践中发现，Darcy定律主要反映黏性阻力的影响，具有一定的适用范围，即雷诺数满足Re=1～10。
多孔介质多相渗流的基本概念前面几节课，我们主要讲述了单相流体渗流的问题，所谓单相流体渗流，也就是只有一相流体参与的渗流问题。
在这里我们主要介绍了，对于多孔介质，我们介绍了达西在1852～1855年通过大量实验得出达西定律。
达西定律是渗流中最基本的定律, 其形式简洁( v= kJ ), 最早是由实验在(1.4)式中q为单裂隙流量，J为水力坡降，b为裂隙宽度，g为重力加速度，ν为水流的运动粘滞系数。
那么，什么是多相渗流呢？实际上也就是两种或两种以上的流体在同一介质中流动。
自然界中有许多问题都涉及多相渗流问题，比如，我们熟知的油气田，在油气田中，孔隙的一部分由油占据，而其它部分由水或气体占据，原油中通常含有大量的溶解气，当地层压力降到饱和压力以下时，溶解气就会从原油中分离出来，从而形成油气两相渗流。
再比如，我们经常遇到的非饱和带水份运移问题，什么时非饱和带，也就是说水没有占据所有空间，有一部分空间被空气所占据。
这样，水和空气就在非饱和带中形成了多相渗流。
还有就是近些年来非常热点的海水入侵问题，当海水入侵到陆地下面的淡水层中会出现咸水和淡水可混溶的两相流渗。
那么实际上，对于油气田和非饱和带这样的多相渗流问题，我们称为不可混溶多相渗流问题，英文叫immiscible.对于海水入侵这样的多相渗流问题，就immiscible.同时也叫solute transport.下面，我们讲四个多相渗流的基本概念：1.流体的饱和度对于多相渗流的饱和度概念，实际上是，单相渗流饱和度概念的推广，当多孔介质的孔隙空间被两种或两种以上流体所占据时，对于一相流体而言，其饱和度为Si=Vif/Vp特别地，对于水和油所饱和的多孔介质而言，随任时刻，水和油的饱和度之和均为1目前，在实验室中，不破坏被多种流体所饱和的多孔介质条件下，直接测量各相流体饱和度的方法是目前重要的研究课题。
目前，主要有电阻法（），x射线法，数字图像处理方法。
2.湿润性对于湿润性，我们以前学习单相渗流的时候，并没有涉及到，大家可能感到有点陌生。
多孔介质燃烧技术1 多孔介质燃烧技术加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。
在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。
与自由空间燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，调节范围广，污染物排放低和结构紧凑等优点。
多孔介质预混燃烧特点是燃烧设备的热效率较高，其原因有以下两个方面：①燃气与空气预先充分混合, 在过剩空气很小的情况下也可达到完全燃烧, ②由于辐射作用, 多孔介质的高温后部对低温的前部进行加热, 从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用, 加快了燃烧速度。
因此对多孔介质传热传质和燃烧的研究具有重大的学术价值，已成为当前最活跃最前沿的研究领域之一[1]。
传统的气体燃料燃烧主要是以自由火焰为特征的燃烧。
这种燃烧需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温。
当温度高于1500℃时，NO生x成变得明显[2]。
由于NO的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。
传统燃烧器的x换热器主要以烟气辐射和对流换热为主，换热系数小。
多孔介质燃烧技术是一种新颖独特的燃烧方式[3]。
其与自由空间燃烧的区别在于：（1）多孔介质的空隙率很大相对于自由空间有较大的固体表面积，因而有较强的蓄热能力[4]；（2）多孔介质的存在使混合气体在其中产生剧烈的扰动，强化了换热。
（3）相对于气体来说多孔介质有较强的导热和辐射能力，可以使预混气体燃烧产生的部分热量从下游的高温区传递到上游的低温区预热未然混合气体，这样就提高了燃烧速率并可使燃料完全燃烧，减少了CO的排放；（4）多孔介质良好的换热特性是燃烧区域温度迅速趋于均匀，保持了平稳的温度梯NO生成量；（5）辐射燃烧效率最高可达度，降低了最高温度水平，减少了x80%-90%，而常规辐射燃烧器对辐射的转换效率充其量为30%[5]，在相同的热负荷下,多孔介质预混燃烧热效率较高，比本生式燃烧节约燃气30-50%[6]。
多孔介质燃烧技术工业应用数值模拟研究
多孔介质燃烧技术是一种新型的燃烧技术，它利用多孔介质的特殊结构和性质，将燃料和氧气混合后在多孔介质内进行燃烧反应，从而实现高效、低污染的燃烧过程。
该技术已经在工业领域得到了广泛的应用，如燃气轮机、燃煤锅炉、燃油发动机等。
为了更好地理解多孔介质燃烧技术的工业应用，数值模拟研究成为了必不可少的手段。
数值模拟可以通过计算机模拟多孔介质内的流动和燃烧过程，从而预测多孔介质燃烧技术的性能和优化设计。
在数值模拟研究中，需要考虑多孔介质的物理和化学特性，如孔隙率、孔径分布、热传导系数、燃料和氧气的扩散系数等。
数值模拟研究可以帮助工程师和科学家更好地理解多孔介质燃烧技术的工作原理和性能，从而优化设计和改进工艺。
例如，在燃气轮机中，多孔介质燃烧技术可以提高燃烧效率和减少污染物排放，数值模拟可以帮助优化多孔介质的结构和燃烧参数，从而提高燃气轮机的性能和可靠性。
多孔介质燃烧技术是一种新型的燃烧技术，已经在工业领域得到了广泛的应用。
数值模拟研究是理解多孔介质燃烧技术的工作原理和性能的重要手段，可以帮助优化设计和改进工艺，提高燃烧效率和减少污染物排放。
多孔介质燃烧技术
1. 引言
多孔介质燃烧技术近年来受到了广泛的关注。
通过改变燃料与空气的混合方式，多孔介质燃烧技术可以使燃烧更加均匀、增加燃烧温度、减少氮氧化物的排放等诸多优点。
本文将从多孔介质燃烧技术的基本原理、工程应用和未来发展趋势等方面进行论述。
2. 基本原理
多孔介质燃烧技术的主要原理是通过多孔介质将燃料和氧气进行混合，使得燃烧反应能够更加均匀和完全。
多孔介质可以是陶瓷、金属、陶瓷金属复合物等材料，其中具有许多微小孔隙。
在燃气通过多孔介质的过程中，会形成许多微小的涡旋或者湍流，这种流动能够达到更加均匀混合燃料和氧气的效果。
3. 工程应用
多孔介质燃烧技术已广泛应用于行业燃烧领域中。
例如，多孔介质燃烧技术应用于工业炉、锅炉和燃气轮机等设备中，已经显著提高了燃烧效率和能源利用率。
此外，多孔介质还可以用于燃气汽车发动机和燃料电池等领域，改善了燃料的利用率和减少了污染物的排放。
4. 未来发展趋势
未来，多孔介质燃烧技术将继续得到发展和推广。
目前已经有许多新的研究正在进行，例如将多孔介质应用于高温氧化、蜂窝状多孔
介质燃烧等方面的研究。
此外，多孔介质的材料研究也将得到进一步深入，从而提高多孔介质的性能和适用范围。
5. 结论
总之，多孔介质燃烧技术是一项应用广泛的新技术，在燃气应用和清洁能源方面具有很大的潜力。
通过进一步研究和发展，它将达到更高的效率和更广泛的应用。
多孔介质（PM）发动机技术作者：MMM 指导老师：MMM0 摘要多孔介质(PM)发动机是基于多孔介质燃烧技术的新型发动机，能够实现均质和稳定燃烧。
1 引言能源危机与环保是人类日益关注的两大焦点，随着排放法规的愈加严格，对发动机的排放提出了更高的要求。
由于均质压然（HCCI）发动机具有高热效率、低NO和微粒排放的X突出优点而成为发动机领域当前最大的研究热点。
但目前HCCI技术还面临着预混合气均质形成、全工况适应性差及自然着火速率缺乏有效控制等困难。
基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机在解决这些问题上具有明显的优势。
多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧。
多孔介质内的可控燃烧是一种新型燃烧技术，该技术不仅可以大幅度降低排放，在提高效率方面也有很大潜力，同时兼有燃烧稳定、结构经凑、负荷调节范围广等特点。
基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机概念，已得到各国学者的广泛关注。
2 PM发动机的工作过程多孔介质发动机一般有两种形式,一是多孔介质与气缸周期性接触，另一种为多孔介质与气缸保持永久性接触。
（1）多孔介质与汽缸周期性接触模型介绍：如图1所示，多孔介质燃烧室安装在气缸顶部，在TDC附近，新鲜空气进入缸内，此时PM室与气缸隔离，PM室内是燃油蒸汽．进气、压缩过程与传统发动机一样，为绝热过程。
压缩过程末期(TDC前)PM室阀门开放，压缩空气进入PM室发生瞬时回热，实现完全气化，回热近似为等容过程。
空气与燃油蒸汽在PM室内迅速混合并自点火燃烧，燃烧放出大量热量，一部分存储在PM内，一部分推动活塞做功，燃烧近似为等温吸热过程。
在绝热膨胀冲程末期，PM室阀门关闭，燃油喷射到PM室内，实现气化。
此过程持续时间很长(直到下一循环压缩末期)，可以保证燃油完全气化。
经过排气冲程后，开始新一循环的进气冲程。
每次循环，PM在压缩末期放热，在燃烧过程吸热。
图（1）（2）多孔介质与气缸保持永久性接触：如图2所示，多孔介质( PM)燃烧室安装在气缸顶部，与气缸始终保持耦合状态。
在进气过程中，PM对缸内热力环境的影响很小。
压缩前期，PM室内气体较少,对缸内工质的影响很小，随压缩过程的进行，PM室内空气增多,热交换增强,在上止点(TDC)处几乎所有空气都进入PM室。
在TDC前,喷嘴向PM内喷油,燃油在PM 室内迅速汽化,并与空气混合，压缩至TDC附近，发生自点火燃烧，火焰迅速贯穿整个PM体。
膨胀过程基本发生在PM 体外，与传统机近似。
3、多孔介质发动机原理分析3.1多孔介质简介：目前研究一般选用泡沫陶瓷作为多孔介质。
泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料。
其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%～95%之间,使用温度为常温～1600℃。
自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷，其身产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质，设和于不同用途，如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷。
泡沫陶瓷是具有三位空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体。
具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，可广泛应用于热交换材料，布气材料，汽车尾气装置等。
在多孔介质发动机中，多孔介质相对于自由空间有大得多的热容和表面积, 因而吸热和蓄热能力要大得多。
与气体相比, 多孔介质的导热能力和辐射能力也要大得多,所以能显著增强火焰中的传热传质过程。
国内外的大量研究都表明: 预混合气在多孔介质中燃烧可大幅度提高燃烧速率, 显著增强火焰的稳定性,使火焰温度升高, 扩展可燃极限, 降低有害污染物排放量。
3.2 多孔介质中预混合气燃烧的特点：多孔介质发动机充分利用了多孔介质燃烧技术的特点，使发动机可以实现均质燃烧，有望成功地解决发动机的节能与排放问题。
多孔介质发动机对燃料的选择性较低，气体和液体燃料都可适用。
嵌入燃烧室内的多孔介质蓄热体在发动机完成一个工作循环之后，从燃烧产物中吸收了大量的热量从而保持在很高的温度水平上。
燃用液体燃料时,油雾在高温多孔介质中受到加热,并且由于多孔介质复杂的内部结构，不仅改变了油滴的运动方向而且能够形成油滴的二次甚至多次雾化，因此在多孔介质内油滴得以快速蒸发、雾化并与空气充分混合，从而形成均匀度很高的混合气。
燃用气体燃料时，喷入多孔介质的燃料，受到多孔介质的加热和多孔介质结构的影，气体燃料与空气也能良好地混合，并实现多点同时压燃着火。
根据迄今为止各种理论和实验研究的结果,多孔介质中预混合气体稳定燃烧的特点一般可概括如下：1) 由于多孔介质具有很大的热容量以及气固之间的传热效率高, 使燃烧过程可在较低温度下进行。
2) 反应区中温度分布均匀, 因而燃烧状态易于控制。
3) 反应区尺度大, 其厚度可达自由火焰厚度的数百倍。
4) 燃烧速率远远大于自由火焰的传播速率。
5) 多孔介质内不存在宏观尺度上的火焰。
6) 燃烧过程非常稳定而完全, 从而有利于对燃烧过程的控制。
7) 污染物排放可达很低的水平。
8) 可达到很高的功率密度，从而实现强化燃烧。
9) 动力范围具有很强的调制性。
10) 由于燃烧过程具有良好的可控性, 故燃烧噪声小。
由于上述众多的优点，多孔介质燃烧技术在人们力图实现高效低污染燃烧的各种装置中均有可能获得实际的应用。
而且，多孔介质燃烧器不仅可以燃烧气体，还可以成功地燃烧汽油、柴油和其他液体燃料。
由此可开发出高质量的稳态燃烧系统。
这里起关键作用的是燃料的蒸发过程。
不完善的蒸发会直接影响燃空混合气的形成, 而导致较高的CO、NO和HCX排放, 而多孔介质恰恰具有促进液体燃料蒸发的优越性能。
具体表现在:1) 优良的总体热输运特性作为多孔介质的固体材料的导热率比气体要大几个量级, 即使孔隙率高达0.95 的多孔介质,其导热率仍然是气体的300～500 倍。
从而, 燃烧效率可相应提高16～20 倍。
与高导热率同时存在的高辐射率使燃烧室内温度趋于均匀，避免了局部高温区的形成，从而显著削减NO的排放。
X2) 大热容量多孔介质的热容比气体要大百倍到千倍，从而大大增强燃烧稳定性。
例如，在大气压条件下多孔介质中燃烧区的时间稳定性可达几秒的量级。
这样就可保证燃烧过程基本不受燃料供给和气流扰态等外因变化的影响。
3) 大的内表面积这可有力的促进燃油的蒸发。
燃料分布在大量孔隙的内表面上，形成很薄的油膜，从而可快速地受热并蒸发，形成可燃混合气。
多孔介质燃烧的突出优点使它也十分适合像内燃机这样的非稳态燃烧过程。
实现快速瞬态燃烧的关键因素是混合气与多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速传热。
多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。
实验表明, 在常压条件下, 多孔介质的存在可使燃烧速率提高10 倍。
如果燃烧在更高的压力下进行, 则燃烧速率还可进一步提高。
按此计算，燃烧过程可在10- 4 s 量级的时间内完成。
可见, 多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。
多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。
这意味着，以瞬态燃烧为特征的内燃机，如采用多孔介质技术，则有望达到优良的排放性能。
首先，在整个燃烧过程中，由于多孔介质内温度分布一直保持相当均匀，从而可削减CO的形成。
同时, 适当的设计多孔介质燃烧室, 就可对燃烧温度加以控制以降低NO的排放。
这是因为多孔介X质中固相物质的存在防止了燃烧热全部被气体吸收, 从而避免了局部高温区。
再者, 多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC 的排放。
常规内燃机中引起HC 排放的两个主要因素, 即过浓或过稀的混合, 在多孔介质发动机中都可得以避免。
这是因为燃油并不是喷入缸内自由空间, 而是喷入多孔介质内部。
其巨大的比表面积和热容量以及孔隙内强烈的小尺度运动使得混合过程在整个反应区内均匀的进行。
而且这一过程与燃油喷注的雾化并没有直接关系, 从而可降低对喷射系统和雾化质量的要求。
上述诸因素, 包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部) 较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。
据此，有研究者称：利用多孔介质燃烧技术, 可以实现零排放发动机之梦。
4 研究现状：多孔介质发动机的研究目前还处于起步阶段, 国际上公开发表的成果尚不多见。
美国人Ferrenberg 于1990 年最早提出了多孔介质发动机的概念，并将其称为再生式或蓄热式发动机( regenera ted engine)。
其提出的一种柴油机改造方案如图3 所示。
多孔介质蓄热器置于气缸顶部，通过一驱动杆与活塞同步运动。
5 结语（1）由于多孔介质对混合气的预热作用, PM区内的混合蒸气燃烧比较容易,而且混合气的温度受其他参数的影响较小,主要取决于PM的初始温度,因此PM区的着火时刻比较稳定。
(2) PM发动机中气缸区的着火过程与HCCI的着火很相似,燃烧过程主要集中在气缸区,但由于PM区燃烧向缸内放热使气缸区在较低压缩比下也能够着火燃烧,着火受压缩比的影响不像HCCI发动机那么明显,这扩大了发动机的可运行范围。
(3) 增压可以大大缩短着火延迟,增大压力峰值,而对温度峰值的影响却很小,因此增压对PM发动机是一项十分具有吸引力的措施。
(4) 将液相燃油喷入多孔介质,由多孔介质内的汽化过程控制PM发动机的燃烧,对解决HCCI发动机无法有效控制着火时刻的问题,是一个很好的解决方案。
（5）通过建立存在传热和摩擦损失时, 多孔介质发动机循环的有限时间热力学模型, 并对循环进行了有限时间热力学分析, 导出了循环的功率、效率的特性关系, 分析了各种参数对循环性能的影响特点，证实了相同条件下PM 循环性能要优于O t to 循环的性能。
参考文献:【1】解茂昭、一种新概念内燃机—基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机[J ].热科学与技术,2003,2(3) : 189—194.【2】赵治国、多孔介质发动机压燃着火的数值研究、中国科学E辑：技术科学，2008，38（3）：381~392.【3】李宏升、多孔介质发动机工作过程单区模型模拟、内燃机学报2007（2）。
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