多孔介質(zhì)干燥分子尺度模型及模擬研究.pdf

1、多孔介質(zhì)干燥過程包括熱量傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程，從上個世紀初，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)開始對干燥時多孔介質(zhì)內(nèi)部的濕分傳遞過程進行了研究。但由于多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙尺度細微、具有復雜的容水結(jié)構(gòu)、濕分傳遞過程物理機制種類繁多及傳輸過程無法直接觀察等諸多原因，一直沒有模型能夠較好地描述被干燥的多孔介質(zhì)內(nèi)部濕分的遷移過程。影響濕分傳遞速率的主要因素就是擴散系數(shù)，而現(xiàn)有的研究方法大多是靠經(jīng)驗系數(shù)或經(jīng)驗方程計算得到濕分的擴散系數(shù)，并且采用常規(guī)的實驗手段也很難

2、準確測量得到擴散系數(shù)。因此，針對多孔介質(zhì)干燥傳質(zhì)機理復雜、擴散系數(shù)不易確定等問題，本文采用分子動力學（MD）模擬方法來分析在微孔隙直徑小于10-7m條件下的多孔介質(zhì)干燥濕分擴散過程并獲取濕分的擴散系數(shù)。
　?。?）多孔介質(zhì)干燥分子尺度物理模型構(gòu)建。分析多孔介質(zhì)干燥過程，將分別考慮兩種擴散形式下濕分在多孔介質(zhì)微孔隙內(nèi)的擴散過程，在干燥前期階段孔隙中含有大量的液態(tài)水分，濕分擴散形式主要以液態(tài)水分擴散為主；在干燥后期階段液態(tài)水分大部分蒸

3、發(fā)成水蒸氣存在于孔隙中，此階段濕分擴散形式主要以水蒸氣在空氣中擴散為主。建立多孔介質(zhì)干燥分子尺度物理模型，包括液態(tài)水分與孔隙壁面潤濕過程物理模型、微孔隙內(nèi)液態(tài)水分擴散模型和微孔隙內(nèi)水蒸汽在空氣中擴散模型。
　?。?）多孔介質(zhì)干燥分子尺度模擬數(shù)學模型。推導模擬體系分子運動方程，并且選擇Verlet算法作為分子運動方程的數(shù)值求解方法；然后建立體系原子間的勢函數(shù)模型；最后推導出潤濕過程接觸角計算數(shù)學模型和擴散的微觀數(shù)學模型（Einste

4、in模型和Green-Kubo模型）。
　?。?）多孔介質(zhì)干燥分子尺度模型求解。設(shè)計模型求解程序，運用（MD）方法對液態(tài)水分與孔隙壁面潤濕過程模型和多孔介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)濕分擴散模型進行模擬求解，同時給出求解的程序參數(shù)設(shè)定和模型求解流程圖，并對程序架構(gòu)進行解釋說明。
　?。?）模擬結(jié)果及模型驗證。對水滴潤濕孔隙壁面過程進行模擬，確定了微孔隙內(nèi)液態(tài)水分擴散模型的孔隙壁面厚度、孔隙壁面原子作用勢能及粗糙孔隙壁面表面幾何形貌。對多孔

5、介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)液態(tài)水分擴散過程進行模擬，再現(xiàn)了其微孔隙內(nèi)水分擴散的“開爾文效應”現(xiàn)象，模擬結(jié)果表明本文建立的多孔介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)液態(tài)水分擴散分子動力學模型能較好地模擬計算土豆切片干燥水分擴散系數(shù)，其模擬與實驗測得的擴散系數(shù)最大相對誤差為8.6％；多孔介質(zhì)干燥過程中，溫度、微孔隙直徑、壁面粗糙度和相面積分數(shù)等對水分在微孔隙內(nèi)的擴散過程有重要影響；隨著溫度的升高，微孔隙直徑和相面積分數(shù)的增大，壁面粗糙度的減小，多孔介質(zhì)干燥水分擴散系數(shù)隨之