多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅰ.模型建立

目前孔道网络干燥理论中普遍以“人造多孔介质”为孔道网络模拟的研究目标，尚未涉及实际多孔体的应用问题。以农副产品中常见孔隙直径范围（10^-7～10^-4m）的自然多孔介质为研究对象，运用分形几何学、多孔介质渗流物理和传递过程原理。建立了描述多孔介质干燥过程热质传递的分形孔道网络模型和规则孔道网络模型。模型中考虑了多孔介质孔隙内的液相流动、汽相扩散、温度梯度以及孔道微细结构特征等诸多因素对干燥过程热质传递特性的影响。为了更准确地契合自然多孔介质的孔道网络拓扑结构，应用分形孔道网络替代了通常采用的规则孔道网络。

多孔介质恒温缓慢干燥的孔道网络模型与模拟

在自然多孔介质参数分析的基础上构建了多孔介质孔道网络模型,对其干燥过程中的湿分迁移机理进行了分析。采用Matlab软件模拟恒温缓慢干燥过程,并进行了多孔介质干燥实验。结果表明,基于孔道网络模型的模拟方法能较好地模拟多孔介质干燥过程,孔道尺寸分布对介质内的相分布影响显著。

仓内谷物通风干燥过程的孔道网络模型

以仓内玉米堆为研究对象,运用孔道网络方法和传递过程原理等知识,建立了考虑颗粒自身热质传递、孔隙气相对流、温度梯度和孔道结构特征等因素的仓内谷物通风干燥孔道网络模型。该模型具有易拓展,干燥变量信息全面,可直接输入物料结构特征参数来模拟预测干燥特性等优点。

多孔介质干燥孔道网络模型的研究进展

建立在物质微观传输基础上的孔道网络干燥理论,通过完全离散化的方法在孔道等级上对干燥过程进行研究,描述了多孔介质内部结构参数对干燥过程的影响。介绍了建立孔道网络模型的原理和方法,阐述了基于单元体上孔道网络研究的内容及目的,综述了基于产品等级上孔道网络研究的最新进展,阐明了孔道网络模型方法对干燥理论研究的重要意义。指出,进一步提高网络模型中孔道的拓扑等价性、形状的不规则性及尺寸的相关性,探索网络构建新方法以及增加孔道网络信息量,是孔道网络干燥理论的主要发展方向,并应加强同分形、渗流理论的进一步结合。

介孔材料低温氮气吸脱附的孔道网络模型

介孔结构的表征和分析对于介孔材料的开发至关重要,其中低温氮气吸脱附法是最常用的介孔表征方法之一。然而,目前氮气吸脱附法采用的分析模型仍基于平行孔假设,无法描述脱附过程堵孔现象,以及获取孔道连通性等重要孔结构信息。本文建立了低温氮气吸脱附的孔道网络模型,用于分析介孔结构对氮气等温吸脱附行为的影响。通过对比氧化铝材料的氮气吸脱附实验数据和模拟结果,证实了建立的孔道网络模型能很好地描述介孔材料中低温氮气吸脱附行为。模拟结果表明平均孔径较小时,毛细凝聚分压低,液氮堵孔效应显著,氮气吸脱附曲线回滞环的范围和面积较大;孔径分布较宽时,小孔和大孔数量均较多,毛细凝聚和堵孔效应显著,回滞环面积较大;孔道连通性不会影响吸附过程,但会通过改变堵孔效应显著影响脱附过程,连通性越差,堵孔效应越强。证实了堵孔效应对氮气脱附过程影响显著,因而氮气吸脱附法需要考虑堵孔效应,建立的孔道网络模型也可为介孔结构分析提供合理的模型工具。

砂粒堆积床恒温缓慢干燥的孔道网络模拟

对砂粒堆积床这一自然多孔介质的结构特性及孔道网络干燥模型进行了描述,并对砂粒堆积床结构参数与孔道网络模型参数进行了对应分析;建立了堆积床的孔道网络模型,并利用该模型进行了砂堆积床干燥过程的孔道网络模拟;模拟的结果与干燥实验数据进行了验证。

多孔介质有效导热系数的实验与模拟

应用实验与数值模拟相结合的方法研究了多孔介质的有效导热系数。将分形理论与孔道网络模型相结合的分形孔道网络模型用于研究多孔介质的有效导热系数,为太阳池储热、地源热泵传热、食品干燥等方面打下了基础。模拟计算结果与实验结果吻合较好,证明了分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数。研究了孔喉比、配位数、垂直热流方向喉道比例、喉道长度、孔隙率、固体骨架导热系数(Ks)及流体导热系数(Kf)等多方面对多孔介质有效导热系数的影响。结果表明,垂直热流方向喉道会增大多孔介质的热阻,降低多孔介质的有效导热系数。当Ks大于Kf时,随着孔喉比的增大以及喉道长度的减小,多孔介质的有效导热系数越大。当平行热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的减小而增大;当垂直热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的增大而增大。

固体物质干燥过程中的湿分传递理论进展

简要回顾了固体物质在干燥过程中湿分迁移的理论及其发展历程,介绍了固体物质中湿分传递的主要理论和模型,包括连续模型和应用于多孔介质的孔道网络模型。孔道网络模型是近十余年发展起来的新的模型,能更好地描述多孔介质的干燥过程,是干燥理论研究的新方向。