多孔介質(zhì)干燥分形孔道網(wǎng)絡(luò)模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、多孔介質(zhì)干燥過程的模型模擬一直是當(dāng)今干燥研究的熱點(diǎn)。然而多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，難以建立能較好地描述物料內(nèi)部傳遞過程的模型。傳統(tǒng)建立在“連續(xù)介質(zhì)假設(shè)”基礎(chǔ)上的模型模擬的結(jié)果常常與實(shí)際干燥過程相差甚遠(yuǎn)。為了更加合理地描述多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)熱量和濕分的傳輸規(guī)律，揭示孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏/介觀因素對干燥過程的影響，本文采用不連續(xù)介質(zhì)模型的方法，構(gòu)建了二維不規(guī)則孔道網(wǎng)絡(luò)模型。 實(shí)驗(yàn)測定了凍干土豆的孔隙密度、孔隙率、孔隙直徑分布、孔隙配位

2、數(shù)和表面孔隙分維等特征參數(shù)。其中表面孔隙分形維數(shù)通過運(yùn)用分形幾何學(xué)分析多孔介質(zhì)的表面特征求得。構(gòu)造了與凍干土豆表面孔隙分維相同的二維分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)合其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)將分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型與實(shí)際多孔介質(zhì)的對應(yīng)。 基于二維多孔介質(zhì)分形孔道網(wǎng)絡(luò)，建立了孔隙尺度多孔介質(zhì)干燥數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型中考慮了孔隙內(nèi)的毛細(xì)效應(yīng)、Kelvin效應(yīng)以及孔隙的收縮對熱質(zhì)傳遞的影響。 提出了分形模型不規(guī)則傳熱、傳質(zhì)網(wǎng)格的劃分方法，在此基礎(chǔ)上對傳質(zhì)方

3、程、傳熱方程進(jìn)行有限差分，求解得到模型內(nèi)的相分布、溫度場、濕分場。采用面向?qū)ο蠓椒?，基于VisualC++編寫了多孔介質(zhì)分形孔道網(wǎng)絡(luò)干燥模擬軟件。該軟件由前處理、干燥模擬以及后處理模塊組成，可讀取各種二維模型，進(jìn)行邊界條件、初始條件的設(shè)置，完成干燥模擬。并能實(shí)時(shí)顯示、記錄并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。 進(jìn)行了實(shí)際多孔介質(zhì)(新鮮土豆切片)熱風(fēng)對流干燥實(shí)驗(yàn)，得到了干燥曲線、溫度曲線、濕分場和溫度場。 利用分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型與規(guī)則孔道網(wǎng)絡(luò)模型

4、，進(jìn)行了土豆切片干燥模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明：孔道網(wǎng)絡(luò)模型能更好地描述實(shí)際多孔介質(zhì)干燥過程中的熱量、質(zhì)量傳遞過程；分形模型模擬的干燥曲線比規(guī)則模型更接近實(shí)驗(yàn)曲線。這說明分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型模擬多孔介質(zhì)干燥過程具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)。 針對分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型的主要參數(shù)以及外部條件進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如下：(1)孔隙率、喉徑分布、平均配位數(shù)等模型參數(shù)對干燥特性有較大的影響。孔隙率越大，干燥速率越大，干燥時(shí)平均溫度越低；喉徑分布不均勻程

5、度越高，干燥時(shí)間越長；當(dāng)喉徑分布與實(shí)際物料孔隙直徑分布相同時(shí)，干燥曲線更接近實(shí)際；平均配位數(shù)越大，干燥時(shí)間越長；(2)孔隙面積分形維數(shù)的大小與干燥時(shí)間無確定關(guān)系；(3)對于熱風(fēng)干燥模擬，非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬的干燥曲線與實(shí)際物料的干燥曲線更符合。因此對于非緩慢干燥過程，采用非穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算非常重要；(4)一面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)模擬結(jié)果表明，干燥前沿有沿溫度梯度產(chǎn)生的蒸氣壓力梯度方向延伸的趨勢?？椎谰W(wǎng)絡(luò)模型模擬的相分布體現(xiàn)了侵入滲流的相分布特征。二面?zhèn)鳠?/p>