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多孔材料毛细孔收缩热质传递及分形特性研究

张赛  
【摘要】:多孔介质(矿物、竹木、果蔬等)的微观结构具有分形特性,分形维数的变化会影响多孔介质干燥过程中的传热传质过程。多孔介质在干燥过程中一方面由于温度梯度的驱动,致使介质水分由内向外产生输运现象,从而导致介质体积、形状的改变,即收缩;另一方面,收缩的产生对介质的进一步的热质传递、水分输运产生了阻碍。所以,多孔介质的干燥过程涉及收缩和热质传递的相互耦合。在收缩和热质传递耦合问题的研究中,有效扩散系数、有效导热系数的确定是问题求解的关键。国内外许多研究在描述介质扩散时,采用了平均含水率,假设无收缩,孔隙分布均匀,以简化内部结构参数等的方法,其优点是简化了数学模型,为模拟其干燥过程提供了方便。但缺点是不能准确描述干燥时介质内部给定点的扩散率随着该点干基含水率、孔道迂曲度、孔道连通性、孔道直径和干燥时间的变化关系。传统的欧几里德几何不能描述多孔介质的复杂性,导致大量研究者不得不采用连续介质假设和体积平均的概念,因此很难研究多孔介质内部微观结构对其内部传热传质的影响,使得传统的研究方法和研究理论有很多的局限性。研究中所涉及的导热系数一般是基于热阻法和经验公式,假设介质为连续、各向同性、内部孔平均分布和直径大小均匀的均质结构,且已提前设定介质的热阻为固定连通方式和需要借助经验公式,无法探求出精确的有效导热系数。本文针对多孔介质的分形结构,结合在干燥过程中的收缩对传热传质的耦合影响进行了系统研究,主要内容如下:首先,将多孔介质的物理构成分为包含具有分形特性的固相的完全分形模型和具有分形特性的团聚体集合的不完全分形模型,建立了简化单元体模型解释其微观结构。结合多孔介质在干燥过程中热量平衡定律和傅里叶导热定律导出了无热阻、无经验公式的有效导热系数模型,研究结果表明,有效导热系数与迂曲分形维数、面积分形维数、孔隙率和热风温度成反比,与热风速率和干燥时间成正比。其次,将多孔介质模拟为具有湿相和非湿相的分形结构,建立了湿相分布的分形模型,用计盒法计算出此模型的局部含水率和分形维数,并用局部含水率和分形维数构造了多孔介质的局部收缩率模型。基于多孔介质的分形结构和气体随机扩散理论,分析了干燥速率与分形维数的关系。研究结构表明,局部含水率可应用于任何类型的收缩模型,干燥速率与时间成幂指数关系,与分形维数成指数关系。再次,结合多孔介质在干燥过程中的水分浓度分布、收缩特性和分形特性,建立了二维方向传输的对流扩散模型。研究结果表明,在有效扩散系数-介质厚度平方线性变化关系图中,轴向扩散系数大小为直线在Y轴上截距,径向扩散系数大小为直线斜率,并且轴向扩散系数远大于径向扩散系数,水分扩散系数在干燥样本中径向与轴向的巨大差异表明介质在结构上具有异质性。有效扩散系数与微观结构、实验条件、介质厚度和收缩率都有关。最后,通过研究收缩、扩散和导热耦合问题发现,介质通过热风加热导致温度升高,温度升高导致水分表面蒸发并在内部形成温度梯度,从而在介质内部发生水分输运现象。当内部开始水分蒸发并出现干燥前沿时将产生体积收缩,收缩的出现阻碍水分扩散过程。介质温度的逐渐升高导致介质导热系数下降,而温度升高促使扩散系数增大,所以有效扩散系数与有效导热系数成反比。基于传质传递过程原理、局部收缩率、局部含水率、有效扩散系数和有效导热系数等相关知识结合模拟了多孔介质干燥曲线。研究结果表明,包含收缩现象的模型比不包含收缩的更接近实验值,分形模型的内部压力分布不同于连续均质模型呈比例逐层下降的现象。孔的连通性、孔隙率、面积分形维数和孔最小最大直径比值、迂曲分形维数、迂曲度、收缩率、有效扩散系数和有效导热系数都影响干燥过程。


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