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颗粒堆积多孔介质干燥过程模拟及试验研究

赵哲  
【摘要】:近几十年来,对颗粒堆积多孔介质干燥的研究受到了人们的极大重视。传统干燥模型不能合理解释在该类物料实际干燥过程中观察到的一些现象,且传统干燥模型一般只能给出颗粒堆宏尺度的平均湿含量及分布,不能同时给出骨架孔隙本身介尺度的湿分信息,而这恰恰是进行物料干燥品质研究如谷物应力裂纹、爆腰等现象所必需的。针对以上问题本论文以稻谷堆为典型代表进行了以下研究:(1)多尺度多层结构物理模型的构建。运用多尺度理论进行尺度的划分,并运用孔道网络理论进行物理模型的构建。考虑到现实中骨架颗粒内部是一个多层物理结构,包括种皮(壳)、种衣和胚体等组织,建立了多尺度多层结构模型。对物理模型中常用的五个结构参数:分布律、孔隙节点间距、空间分布系数、模型规模数以及配位数进行描述,并将这些参数与颗粒堆积多孔介质的特征参数:孔隙率、粒径分布、孔径分布以及孔隙配位数进行了一一对应,使孔道网络理论可以应用于实际颗粒堆积多孔介质干燥的理论分析中。(2)多尺度数学模型的构建。依据建立的物理模型进行了颗粒堆积多孔介质干燥过程热质传递数学模型的建立,建立了颗粒尺度的质量、热量传递过程控制方程。然后建立干燥器尺度的质量、热量、动量传递过程控制方程,以及两个尺度之间的跨尺度热质交换控制方程。(3)干燥试验。以稻谷为试验物料,使用自制的试验装置对稻谷堆进行了热风干燥试验。测量和计算了稻谷堆的各个结构参数,并通过试验得到了干燥器尺度的湿含量分布曲线、温度分布曲线以及孔隙汽相的温度分布曲线,和颗粒尺度三个测量点的干燥曲线以及测量点7处的温度变化曲线。(4)数学模型的求解及计算机模拟。对所建立的数学模型进行了求解,颗粒尺度的热质传递方程组运用有限元法进行求解;干燥器尺度的热质传递方程组采用分离式解法进行求解。对所建立的模型采用VC++与Matlab语言联合编程进行程序开发及模拟。通过模拟结果与试验结果的对比分析可以得出,所建立的模型能够较好的描述实际颗粒堆积多孔介质的干燥过程。干燥过程中同一时刻干燥仓内稻谷颗粒的温度低于其周围孔隙中汽相的温度。不同物料结构参数对干燥过程的影响为孔隙率、配位数越大则干燥速率越快,配位数减小导致了湿团现象的产生。颗粒内部不同组织物理特性对干燥过程的影响为胚扩散系数的影响十分显著,其次是壳扩散系数,衣扩散系数影响最小。


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