多孔固体骨架形成的空间孔隙中的多相或者单相介质构成了多孔介质。砂石、沙、 土壤、人体的肝脏等是天然的多孔介质；而像活性炭、过滤器、玻璃纤维、催化剂是人 造多孔介质。多孔介质的有效空隙是指相互连通的孔隙，流体可以顺利通过，但是有些 多孔介质中存在死端空隙，孔隙是不连通的或者连通但是流体难以通过。按照孔隙大小 划分，多孔介质分为三类。一是分子间隙：空隙空间非常小，不能忽略流体分子和固体 分子之间的作用力；二是洞穴：空隙充分大，孔隙壁决定流体在多孔介质中流动；三是 孔隙：介于分子间隙与洞穴两者之间。
分子水平、微观水平、宏观水平是研究多孔介质传输问题的三种基本研究方法，由 于分子水平和微观水平在建立数学方程、描述和求解的过程十分困难或者不能实现，宏 观水平得到了广泛推广。宏观水平同样采用连续介质理论，与其他两者不同的是表征体 元是控制体[1]。在研究分析多孔介质的流动与传热时，通常会划分单相系统和多相系统。 单相系统即单相流体，多孔介质的空隙内只存在一种流体（单一的或者几种物质完全相 溶的流体）。多相系统即多孔介质内存在两种或者两种以上不完全相溶的流体。根据多 孔介质饱和与否，分饱和多孔介质与非饱和多孔介质。饱和多孔介质包括充满液体的湿 饱和多孔介质和纯蒸汽的干饱和多孔介质，非饱和多孔介质空隙中存在液体和蒸汽两种 形式[1-2]。
多孔介质流动与传热现象普遍存在于工业、农业生产过程中，涉及许多研究领域和 学科，与人类的生活息息相关，多孔介质己经在很多领域取得了应用：污染物在多孔介 质中的迁移扩散、农产品的干燥、多孔介质强化传热传质、提高聚合物溶液在多孔介质 中驱油效率、火灾消防、燃料电池中的电化学反应等。其中农产品的干燥主要侧重于水 分在多孔介质中的质量传递；提高驱油效率主要研究多孔介质中流体的流动规律[3]。
初始研究多孔介质的流动采用的是Darcy定律，但是该定律适用于流速较小或者低 Re数[1]。针对多孔介质较高流速或者Re数比较大的情况，加入加速度和惯性力对动量 的影响，提出了基于Darcy定律的修正模型并且被大多数研究所采用，如： Darcy-Forchheimer 模型^4"5]、Darcy-Brinkman 模型和 Darcy-Brinkman-Forchherimer 模型
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在对单相流在多孔介质中的研究，为了探索多孔介质在强化换热方面的作用， 主要关注多孔介质骨架尺寸、流动阻力、温度分布、骨架热物理属性等相关因素对换热
和流动的影响。对于多相流[1()]在多孔介质中的研究，侧重于多相流不同相态的相互转换， 以及在受传热传质驱动势作用下各相体积分数的变化、分布情况以及这种变化对传热传 质的影响，同时流动与换热也是多相流关注的方向。
由于多孔介质本身的结构特点，其流动与传热比较复杂。牛顿粘滞定律可以用来描 述牛顿流体的剪切应力与剪切速率的流变特性，但是实际工程应用和自然界中，很多流 体属于非牛顿流体，不服从牛顿粘滞定律，非牛顿流体的本构方程与牛顿流体有显著区 别。非牛顿流体在多孔介质中的流动与传热过程涉及了很多领域，如水文地质、石油开 采、聚合物加工等过程。在温度不变时牛顿流体的粘度始终保持为常数，而非牛顿流体 的粘度与剪切速率和剪切时间都有关系。时间独立型、时间依赖性和粘弹性流体为非牛 顿流体的三大类[11]。其中幂律流体属于时间独立型，与其他非牛顿流体相比其流变本构 方程较为简单，可以用7 =火/―1本构方程来描述，其中7为表观粘度、尤为稠度系数、 r为剪切速率、》为流变特性指数。幂律型流体是工业中常常遇到的一种非牛顿流体。 幂律型非牛顿流体在多孔介质中的流动与传质研究中较为常见。
虽然非牛顿流体在流变特性上与牛顿流体有比较大的差异，但是非牛顿流体在多孔 介质传热传质方面的研究仍然是建立在牛顿流体在多孔介质中的传热传质理论基础、研 究方法和研究成果上的。用于描述牛顿流体在多孔介质中的动量守恒所使用的Darcy定 律或者Darcy修正模型同样适用于非牛顿流体在多孔介质中的流动。
单相流[12]是非牛顿流体在多孔介质中的传热流动的主要研究对象，着重于研究非牛 顿流体的速度场、温度场、压力场等流动和换热参数在多孔介质传热传质过程中的分布 情况，分析非牛顿流体在多孔介质中的压力损失与传热过程受流速、非牛顿流体流变特 性以及外界传热传质边界条件的影响。与牛顿流体类似，对于非牛顿流体多相流[13]在多 孔介质中的传热传质同样采用了相对渗透系数和各相的体积分数等数学模型。
大多数对于多孔介质的研究，选择简化模型，常常采用体积平均假设[14]。能量方程 方面，局部热平衡模型[15]假设多孔介质内部某局部的流体和固体处于热平衡状态，固体 骨架和流体的温度相等，能量方程是单一的。随着研究的深入，局部非热平衡模型[16_17] 被越来越多的研究者采用。局部非热平衡模型认为流体和固体之间存在温度差异，通过 引入体积对流换热系数考虑流体和固体之间的对流换热，用双能量方程分别描述流体和 固体的能量守恒。
尽管非牛顿流体在石油开采、环境保护、化学工程、食品工程、地质灾害预防、水 利工程等工程领域都得到广泛的研究和应用，但是由于非牛顿流体在流变特性上与牛顿 流体存在较差异，所以非牛顿流体在多孔介质中的流动与传热传质将有其自身的特点， 非牛顿流体的流变特性、真实多孔介质的结构参数对非牛顿流体在多孔介质的流动与传 热特性的影响值得深入研究和探索。