自然界中存在许多天然多孔状生物体,历经生物进化,形成了形态多样且结构复杂的多孔结构,具有优良的传热传质性能。基于多孔介质内流动和传热传质现象的研究,已在建筑节能、能源化工、食品加工、生命科学等诸多领域展开了应用,且随着社会发展的需求,对所应用的多孔介质的结构性能提出了更高的要求。因此,开展基于仿生天然生物多孔结构的传热传质研究,对改进多孔介质结构的现有应用,降低建筑、工业等领域的能源消耗具有重要的现实意义。本文拟定以香菇为研究对象,通过实验研究和数值模拟相结合的方法,基于孔隙尺度对真实多孔介质结构的双扩散自然对流现象进行了研究。本文完成了真实多孔介质结构的三维重建。采用计算机断层扫描技术获取香菇孔隙结构的断面扫描图像序列,再对其进行滤波、去噪和阈值分割处理,实现图像序列的三维可视化,最终获得了真实多孔介质的三维微观孔隙结构。本文建立了真实多孔介质腔体内的双扩散自然对流数学模型。采用有限元方法对建立的数学模型从纯流体的双扩散数值模拟和多孔介质骨架与流体之间的耦合两个方面进行了验证,并将数值计算结果与已有文献中的数值计算结果进行比较,验证了所建数学模型的正确性。本文进行了真实多孔介质腔体内双扩散自然对流的多工况数值分析。通过数值模拟分析了双扩散参数浮升力比N、瑞利数Ra、刘易斯数Le以及纤维水平和垂直分布时对多孔介质腔体内流场、温度场、浓度场以及壁面处平均Nu数和平均Sh数的影响。得出以下结论:1)浮力比数N与流体在多孔介质腔体内的流动方向有关,在浮力比数N为负值时,质浮升力方向与热浮升力方向相同,二者之间相互辅助,增强了腔体内的流体流动,流体沿顺时针方向流动,当浮力比数N为正值时,质浮升力与热浮升力效应开始相互削弱,在N=1时,流体沿逆时针方向流动;随着浮力比数N绝对值的增加,总体上增强了传热传质。2)瑞利数Ra表示自然对流强度的大小。在瑞利数较低时,温度场和浓度场分布几乎与上下壁面垂直,扩散占主导地位,随着Ra数的增加,多孔介质腔体内对流增强,平均Nu数和Sh数随之增加,传热传质效果增强。3)刘易斯数Le表示热扩散系数和质扩散系数之比,随着Le数的增加,浓度边界层变薄,浓度场弯曲程度增大,传质速率明显增强;但Le数的增加,对传热影响较小。4)纤维层垂直分布时其传热传质程度要强于纤维层水平分布,纤维层水平和垂直分布对传热传质强度的不同,揭示了孔隙尺度下真实多孔介质的各向异性特征。