D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.03.034 第23卷第3期 北京科。技大学学报 Vol.23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 快速瞬态热传导与质扩散的类比关系 淮秀兰) 刘登瀛) 姜任秋) 孟群) 1)中国科学院工程热物理研究所，北京1000802)哈尔滨工程大学，哈尔滨150001 摘要从物理机制与数学描述等方面分析了快速瞬态热传导与质扩散所存在的类似性.理 论分析与实验结果均表明：快速瞬态热传导与质扩散具有类似的物理行为与相同形式的数学 描述.通过理论分析给出了量纲为一数H,H及H(H=HH),数值模拟了它们对温度分布与 浓度分布的影响及温度分布与浓度分布的一致程度， 关健词瞬态；非费克效应；非傅里叶效应；类比 分类号TK124 随着科学技术的发展，快速瞬态热传导与 宏观上热量传递的物理行为在超流氦中得 质扩散越来越多地出现在工程实际中.为了能 到最明显的说明.图1为Peshkov在液氦Ⅱ中做 更好地描述热传导过程中热量传递的规律，人 的温度波的实验结果，由图可以看出液氦Ⅱ中 们提出了非傅里叶分析的概念.但由于传热过 的温度传播具有明显的波动机制. 程进行得非常快，在实验过程中很难捕捉到非 从微观的角度来说，当质量扰动作用于稳 傅里叶现象并对其相关参数进行测定，从而在 态系统时，由于局域近平衡被破坏，产生瞬态扩 很大程度上限制了人们对该问题的深人研究. 散传质，依赖分子运动和碰撞使局域向一个新 对于快速瞬态质扩散过程，在小尺度内质 的近平衡态过渡.由于分子运动的速度是有限 量传递也表现出了费克定律难以解释的与快速 10 0 瞬态热传导相类似的波传播物理机制.初步 -10 的分析表明，与热传导相比，质扩散过程进行得 相对缓慢，在实验过程中较容易捕捉其宏观物 理行为与规律，并对其相关参数进行测定，因 -20 此，对于快速瞬态热质传递问题，若能找出它们 510152025 之间的类比关系，就有可能根据快速瞬态传质 温度计位置/cm 的实验结果来间接得到通过实验手段难以获得 图1液氢Ⅱ中的温度波实验结果 的快速瞬态热传导的规律. Fig.1 Experimental result of temperature wave in liquid-helium II 1物理机制分析 的，质量传递不可能以无限大的速度进行，因 热传导是静态介质中温度梯度引起的热量 此，质量扰动不可能瞬时地传播到无限远处. 转移过程.从介质的组成形态来看，气体、液体 当边界上出现某种组分阶跃式的质量扰动 和固体的导热机理不尽相同.但不管是哪种形 时，随着局域近平衡的破坏，在浓度差的作用 态的介质，在分子水平量级上，热量传递都是分 下，依赖分子的运动，质量将向低浓度区传递， 子振动的传播过程，振动传播具有波传播机制. 而碰撞过程使局部区域过渡到一个新的近平衡 因此，从分子这个微观的角度来说，热量传播具 态，这时对应于边界上某种组分质量扰动的出 有波传播的物理机制 现，内部才建立起新的浓度场.所以，对于快速 瞬态扩散传质，内部浓度场的重新建立在时间 收稿日期2000-11-12准秀兰女，36岁，博士，副研究员 上必然滞后于边界上的质量扰动，两者在时间 *国家自然科学基金重点资助项目No.5873610)第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 】 快速瞬态热传导与质扩散的类比关系 淮 秀兰 ” 刘登流 ‘， 姜任秋 ， 孟 群 ” 中国科学院工程热物理研究所 ，北京 哈尔滨工程大学 ， 哈尔滨 摘 要 从物理机制与数学描述等方面分析了快速瞬态热传导与质扩散所存在的类似性 理 论分析与实验结果均表明 快速瞬态热传导与质扩散具有类似的物理行为与相 同形式的数学 描述 通过理论分析给出了量纲为一数 ， 苗及鱿 私 二 从 凡 ， 数值模拟 了它们对温度分布与 浓度分布的影响及温度分布与浓度分布的一致程度 关越词 瞬态 非费克效应 非傅里叶效应 类 比 分类号 随着科学技术的发展 ， 快速瞬态热传导与 质扩散越来越多地 出现在工程实际 中 为 了能 更好地描述热传导过程 中热量传递 的规律 ， 人 们提 出 了非傅里 叶分析 的概念 但 由于传热过 程进行得非常快 ， 在实验过程 中很难捕捉到非 傅里 叶现象并对其相关参数进行测定 ， 从而在 很大程度上 限制 了人们对该 问题的深人研究 对于快速瞬态质扩散过程 ， 在小尺度 内质 量传递也表现 出了费克定律难 以解释的与快速 瞬态热传导相类似 的波传播物理机制 〔团 初步 的分析表 明 ， 与热传导相 比 ， 质扩散过程进行得 相对缓慢 ， 在实验过程 中较容易捕捉其宏观物 理行为与规律 ， 并对其相关参数进行测定 因 此 ， 对于快速瞬态热质传递 问题 ， 若能找 出它们 之间 的类 比关系 ， 就有可能根据快速瞬态传质 的实验结果来 间接得到通过实验手段难 以获得 的快速 瞬态热传导 的规律 宏观上热量传递的物理行为在超流氦 中得 到最 明显 的说 明 图 为 在液氦 中做 的温度波 的实验结果 ， 由图可 以看 出液氦 中 的温度传播具有 明显 的波动机制 从微观的角度来说 ， 当质量扰动作用于稳 态系统时 ， 由于局域近平衡被破坏 ， 产生瞬态扩 散传质 ， 依赖分子运动和 碰撞使局域 向一个新 的近平衡态过渡 由于分子运 动 的速度是有 限 探 一 笔 ，。 篷 。 一 户了戈户了 一 沁 物理机制分析 热传导是静态介质 中温度梯度 引起 的热量 转移过程 从介质 的组成形态来看 ， 气体 、 液体 和 固体 的导 热机理不尽相 同 但不管是哪种形 态 的介质 ， 在分子水平量级上 ， 热量传递都是分 子振动 的传播过程 ， 振动传播具有波传播机制 因此 ， 从分子这个微观的角度来说 ， 热量传播具 有波传播 的物理机制 收稿 日期 一 淮秀兰 女 ， 岁 ， 博士 ， 副研究员 国家 自然科学基金重点资助项 目伽 温度计位置允 图 液氮 中的温度波实验结果 口 的 ， 质量传递不 可 能 以无 限大 的速度进行 ， 因 此 ， 质量扰动不可能瞬时地传播到无 限远处 当边界上 出现某种组分阶跃式 的质量扰动 时 ， 随着局域近平衡 的破坏 ， 在浓度差 的作用 下 ， 依赖分子 的运动 ， 质量将 向低浓度 区 传递 ， 而碰撞过程使局部 区域过渡到一个新 的近平衡 态 ， 这 时对应 于边界上某种组分质量扰动 的出 现 ， 内部才建立起新 的浓度场 所 以 ， 对于快速 瞬态扩散传质 ， 内部浓度场 的重新建立在时间 上必然滞后 于边界上 的质量扰动 ， 两者在时间 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．03．034