土壤中的传热传质

1、土壤中传热传质的研究基础

多孔介质的传热与传质是当前工程热物理领域中由各学科相互渗透、具有重要工程背景的一项前沿课题。所谓多孔介质是指多相物质所占据的一部分空间。在多相物质中至少有一相不是固体，它们可以是气相和(或)液相。但在多孔介质所占据的范围内，固体相(固体骨架)应遍及整个多孔介质，在多孔介质范围内没有固体骨架的那一部分空间，即孔隙空间构成的孔洞，应当相互连通。连通的孔隙中可能有一种或多种流体在材料中流动。最简单的情况(“单相流”)是孔隙被单相流体所饱和，而在“两相流”中，则流体和气体分享孔隙空间。土壤是一类最典型的多孔介质，它包含固体骨架、土壤溶液以及各种气体，构成了地球生物圈的物质基础。对土壤中传热传质过程的研究实际上是基于多孔介质的传热传质理论。

图 1 多孔介质内的传热传质过程

多孔介质内的传热过程主要包括：

(1) 固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程；

(2) 流体(液体、气体或两者均有)的导热和对流换热过程；

(3) 流体与固体颗粒之间的对流换热过程；

(4) 固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。

多孔介质中的传质过程包括：

(1) 分子扩散。这是由于流体分子的无规则随即运动或固体微观粒子的运动而引起的质量传递，它与热量传递中的导热机理相对应。

(2) 对流传质。这是由于流体的宏观运动而引起的质量传递，它既包括流体与固体骨架壁面之间的传质，也包括两种不混溶的流体之间的对流传质。

(3) 物理、化学作用引起的溶质浓度变化。包括物理吸附和解吸附、化学吸附和解吸附、溶解与沉淀、氧化与还原作用、水解作用、离子交换作用等。

热量既可以通过固体骨架的导热，又可借助流体的导热和对流传递。质量的传递则表现在孔隙中流体的流动，且常伴有相变，并且它的孔隙结构极为复杂，很难对微孔中的流体流动和能量运输进行详细的描述。在无化学反应的过程中，多孔介质内部传热传质的主导驱动势为:压力梯度、浓度梯度、温度梯度。

2、溶质在多孔介质中运移理论

20世纪前，重点研究溶质在多孔介质中物理(数量、吸附、解吸)和化学变化。20世纪以后，Slichter(1905)提出水和溶质在多孔介质中不是以相同的速率移动。20世纪40年代，色层分离理论的发展证实Slichter的说法。50-60年代:Lapidus和Amurldson(1952)，Nielsen和Biggar(1960)和Bresler和Nielsen(1962，1963)根据色层分离理论，通过实验提出了易混合置换理论—水动力弥散理论。

水动力弥散理论:多孔介质中溶质的迁移是由对流、扩散和弥散三种机制综合作用的结果。溶质在均匀多孔介质中运动满足以下形式的对流—弥散方程：

u为水孔隙流速，C为溶质的浓度，D为动力弥散系数，n为孔隙率。

代表了平流-弥散作用, 表示单位时间增加到单位多孔介质体积内溶液中的污染物质量的变化量。

W代表由于化学反应等引起的溶质浓度变化，包括化合、分解等作用，以及溶质的吸附、沉淀引起的溶质质量的变化，通过人类活动补给到多孔介质中的污染物或从多孔介质中抽出的额污染物。

-f表示也相中污染物被固相吸附而减少的污染物质量；为单位体积内由于生物和非生物化学反应损失或获得的源或汇项，也称反应动力学速率，用R、P分别表示单位时间内注入多孔介质体积内溶液中和从单位体积多孔介质体积内溶液抽出的污染物速率，表示注入的污染物浓度，表示单位时间单位多孔介质体积内增加的污染物总量。

3、多孔介质内的热量传输理论

在实际的多孔介质渗流、污染物迁移分析中，若考虑温度变化对渗流和污染物迁移的影响时，我们更关心多孔介质内液相和固相的温度分布问题。假定多孔介质中水的温度为T_w，对应水的热容量为C_w，多孔介质固相骨架的温度为T_s，固相与液相的温度差为（T_s-T_w）。那么，可以推导出多孔介质内水相和固相的热量传导方程。对于水相，应该包括：对流作用、热传导和机械弥散作用，以及固相与水相的热交换作用等引起的水温度的变化。根据能量守恒原理，由对流作用、热传导和机械弥散作用，以及固相与水相的热交换作用等引起的水温度的变化量，应该等于多孔介质内水的温度的变化量。对于固相的热传输方程，无热对流和热机械弥散过程，仅有热传导和与水的热交换项。

多孔介质内流体的热量传输方程：

为多孔介质中流体的热容量，为水的温度，n为孔隙率，为水的导热系数，为固相和流体相的热交换系数，为固相温度，表示单位时间内体元内流体的热量变化量，表示单位时间内，表示单位时间内由对流作用引起的流入和流出多孔介质表征体元内流体的热通量的变化量，由热传导和热弥散作用引起的流入和流出多孔介质表征体元内流体的热通量变化量，表示固相与流体相热交换作用引起的热量通量的变化量。