多孔介質干燥分形孔道網絡模擬及實驗研究.pdf

1、多孔介質干燥過程的模型模擬一直是當今干燥研究的熱點。然而多孔介質內部結構復雜、種類繁多，難以建立能較好地描述物料內部傳遞過程的模型。傳統(tǒng)建立在“連續(xù)介質假設”基礎上的模型模擬的結果常常與實際干燥過程相差甚遠。為了更加合理地描述多孔介質孔隙內熱量和濕分的傳輸規(guī)律，揭示孔隙結構參數(shù)和宏/介觀因素對干燥過程的影響，本文采用不連續(xù)介質模型的方法，構建了二維不規(guī)則孔道網絡模型。 實驗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)通過運用分形幾何學分析多孔介質的表面特征求得。構造了與凍干土豆表面孔隙分維相同的二維分形孔道網絡模型。結合其他參數(shù)，實現(xiàn)將分形孔道網絡模型與實際多孔介質的對應。 基于二維多孔介質分形孔道網絡，建立了孔隙尺度多孔介質干燥數(shù)學模型。數(shù)學模型中考慮了孔隙內的毛細效應、Kelvin效應以及孔隙的收縮對熱質傳遞的影響。 提出了分形模型不規(guī)則傳熱、傳質網格的劃分方法，在此基礎上對傳質方

3、程、傳熱方程進行有限差分，求解得到模型內的相分布、溫度場、濕分場。采用面向對象方法，基于VisualC++編寫了多孔介質分形孔道網絡干燥模擬軟件。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，進行邊界條件、初始條件的設置，完成干燥模擬。并能實時顯示、記錄并分析相關數(shù)據(jù)。 進行了實際多孔介質(新鮮土豆切片)熱風對流干燥實驗，得到了干燥曲線、溫度曲線、濕分場和溫度場。 利用分形孔道網絡模型與規(guī)則孔道網絡模型

4、，進行了土豆切片干燥模擬。模擬結果與實驗結果比較表明：孔道網絡模型能更好地描述實際多孔介質干燥過程中的熱量、質量傳遞過程；分形模型模擬的干燥曲線比規(guī)則模型更接近實驗曲線。這說明分形孔道網絡模型模擬多孔介質干燥過程具有較為突出的優(yōu)點。 針對分形孔道網絡模型的主要參數(shù)以及外部條件進行了模擬實驗。結果如下：(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?？紫堵试酱螅稍锼俾试酱?，干燥時平均溫度越低；喉徑分布不均勻程

5、度越高，干燥時間越長；當喉徑分布與實際物料孔隙直徑分布相同時，干燥曲線更接近實際；平均配位數(shù)越大，干燥時間越長；(2)孔隙面積分形維數(shù)的大小與干燥時間無確定關系；(3)對于熱風干燥模擬，非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬的干燥曲線與實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)溫度場計算非常重要；(4)一面?zhèn)鳠醾髻|模擬結果表明，干燥前沿有沿溫度梯度產生的蒸氣壓力梯度方向延伸的趨勢。孔道網絡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>