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。     

多孔介质干燥理论的回顾与展望

简要回顾了固体物质在干燥过程中湿分迁移的理论及这一理论的发展历程；介绍了固体物质中湿分传递的主要理论和模型，包括传统的连续介质假设模型和为了克服它们在描述微观结构特性上的不足而创立的应用于多孔介质的体积平均理论；还介绍了近10余年来干燥理论研究的趋势，特别是在利用相邻学科的成果应用于揭示湿分在固体物质内部迁移的微观原因方面所做的努力，其中包括孔道网络模型和多尺度方法，以及分形理论在多孔介质干燥中，内部水分迁移过程的应用前景。关键词固体；湿分；传递理论；孔道网络；分形；多尺度中图分类号TQ028．6文章编号1007—4333（2005）04—0081—12文献标识码A     

切片土豆干燥中传热过程模拟与分析

提出了切片土豆内部传热模型,内部传质模型,进行了土豆干燥时传热过程的模拟,并作了实验验证.结果表明：模拟值和实测值十分接近,最大相对偏差小于1.8％;因此用该模拟土豆片干燥中传热过程是可行的.模拟结果还显示：物料内各处温度变化不同;在整个干燥过程中,各层的温度梯度随干燥时间先变大,随后逐渐变小,到干燥后期,各层温度趋于一致.     

干燥中物料内部温度水分的计算机模拟

应用有限差分法求得干燥过程中各向同性农业物料内部各层（点）温度水分计算式，再以苹果干燥试验测得其内部温度水分，与该法计算机模拟结果相比较，证实该法是可行的。     

滚筒式牧草干燥机参数模拟与分析

为了分析滚筒干燥机内部的温度和气流分布,确定干燥条件对苜蓿含水率的影响。模拟滚筒干燥机内部的温度场和热风流量场分布,并在滚筒式牧草干燥机上进行苜蓿干燥试验。结果表明,在滚筒式牧草干燥机工作过程中,苜蓿与热空气间的90%热交换发生在干燥机滚筒的前半段,且适当增加滚筒长度可使热风气流呈现层流状态,有利于苜蓿段在滚筒内运动、换热和脱水。通过分析干燥参数对牧草最终含水率的影响规律,在苜蓿初始水分为78.5%时,得到合理苜蓿滚筒干燥参数组合:干燥温度为360℃,滚筒转速10r·min-1,热风速度1.8m·s-1,喂入率为25kg·min-1。研究结果为优化滚筒式牧草干燥机结构和确定合理工艺参数提供了依据。     

干燥中物料内部温度水分的计算机模拟

应用有限差分法求得干燥过程中各向同性农业物料内部各层（点）温度水分计算式，再以苹果干燥试验测得其内部温度水分，与该法计算机模拟结果相比较，证实该法是可行的。     

红枣干燥设备的流场仿真研究

为了改善红枣干燥机内部流场的分布情况,以气体运动微分方程和标准k-ε湍流模型为基础,多孔介质模型代替物料层,利用计算流体动力学软件CFD对干燥室的流场进行了数值模拟,得到了热介质在干燥室内的流动情况及入口风速对物料层压降的影响.结果表明:干燥机入口风速为5~7m/s,可满足红枣干燥速率要求;气流进入干燥室后撞击壁面形成的涡流现象,导致物料层风速的不均匀;随着入口风速的增加,干燥室内的压力有所上升,与红枣上下层压降呈有规律的变化.通过对干燥机内部流场的研究,为红枣干燥机的设计改进提供科学依据.     

基于Weibull分布函数的熟牛肉电流体学干燥过程模拟

为了研究Weibull分布函数中各个参数的影响因素及其在电流体动力学干燥中的应用,以熟牛肉为对象进行电流体动力学干燥和对比试验,电压取值分别为0、6、14、21、32 kV,用Weibull分布函数和均方根误差、约化卡方值、建模效率等统计参数对干燥数据进行了模拟和分析;同时基于Fick第二定律对电流体动力学干燥过程中熟牛肉的水分扩散系数进行研究.结果表明,电流体动力学能够提高熟牛肉的干燥速度,且干燥速度随电压升高而升高;发现Weibull模型比较适合薄层熟牛肉的电流体动力学干燥;干燥过程中熟牛肉的有效水分扩散系数随着电压的增加而增加.     

现代化温室自然通风时湿热环境CFD模拟研究

选取现代化温室室内区域和室外区域作为CFD模拟的计算域,建立温室同等大小的三维模拟,采用标准k-ε湍流模型,选择合适的辐射模型,番茄作物区采用多孔介质模型,对温室内部湿热环境进行了数值模拟.对模拟结果与试验测试结果进行对比,温室内部空气温度的模拟值与实测值的绝对误差为0.2～2.2℃,平均误差为0.91℃,平均相对误差为3.1%,最大相对误差为7.7%.温室内部空气相对湿度的模拟值与实测值的平均相对误差为6.4%,最大相对误差为16.6%,数值模拟结果与试验测试结果吻合较好.     

胡萝卜在微波干燥条件下的热物理性质和多孔特性

利用微波干燥试验系统,实时测量胡萝卜样品微波干燥过程中的温度和质量变化,在样品相同部位选取切片,观察不同干燥时期样品细胞微观图像。分析干燥过程中不同含水率样品的密度、导热系数、比热、热扩散率等物理性质参数的变化,并从多孔介质的角度,研究孔隙率、孔隙分形维数、孔径、比表面积等多孔特性参数在不同干燥节点(100%、85%、70%、55%、40%)的变化规律。通过改变微波加热功率,分析微波功率对样品热质传递的影响。结果表明:微波干燥过程中,胡萝卜皮层细胞形成一层致密薄膜阻碍水分迁移,细胞破损首先发生在样品内部。含水率降低至30%时,样品内部出现焦糊现象,随后中心处细胞全部塌陷。但是整个干燥过程的密度变化并不大,减小量约为5 kg/m~3。导热系数总体呈现先增大后减小的趋势,在含水率为60%时达到极大值,随着含水率的降低样品内部温度更加趋向于均匀一致。随着干燥的进行,孔隙率和孔隙分形维数不断增大,孔隙变得越来越复杂。干燥过程中的温度变化具有明显的阶段性,热量传递和水分传递方向具有一致性。干燥初期,微波功率(0.6 kW、0.8 kW、1.0 kW)越大,样品温度升高至100℃的速度越快,此时内部温度高于表面温度,而干燥后期内外温度基本恒定,但是二者大小关系比前期复杂。     

木材微波真空干燥过程的数学模拟

该研究根据微波真空干燥过程中木材内部水分和热量的迁移机理,建立了木材微波真空干燥的数学模型,并通过试验对该模型进行了验证。结果表明:木材的微波真空干燥过程可以分为3个阶段,即快速升温加速干燥段（Ⅰ）、恒温恒速干燥段（Ⅱ）和后期升温减速干燥段（Ⅲ）,且恒温恒速干燥段在整个干燥过程中所占的比例较大;该模型能较好地模拟木材在微波真空干燥过程中的温度和含水率的变化规律,其模拟精度较高,模拟值与试验值之间相关系数的平方在0.9以上,且含水率变化规律的模拟精度高于温度变化规律的模拟精度。      

小型油菜籽分层床式干燥设备的数值模拟及其优化

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术及多孔介质模型对干燥室内气流场进行数值模拟,并根据模拟结果对小型油菜籽分层床式干燥设备进行优化。结果表明:优化后的干燥设备能够满足油菜籽干燥要求,通过数值模拟可得单一纵向通风时干燥室内存在热风死区,使得干燥均匀性较低,增加横向通风后干燥室内流场分布较为均匀,油菜籽与热风接触面积增大,提高干燥效率及均匀性,且利用生物质能源能够实现节能减排的要求。     

基于Weibull分布函数的胡萝卜切片远红外干燥过程模拟及应用

【目的】探讨胡萝卜切片远红外干燥的最优工艺参数,研究不同干燥条件对胡萝卜干制品平均干燥速率、单位能耗和品质指标的影响.【方法】以干燥温度、切片厚度和辐照距离为试验因素进行胡萝卜的远红外干燥特性试验,利用Weibull分布函数对胡萝卜切片的远红外干燥过程进行模拟,比较不同干燥条件下胡萝卜干制品的指标变化.【结果】干燥温度、切片厚度和辐照距离对胡萝卜的干燥特性曲线均有显著的影响;Weibull分布函数拟合的决定系数R~2值均在0.98以上,离差平方和χ~2值均很小;尺度参数α随着干燥温度、切片厚度和辐照高度的增加而呈现减小的趋势,形状参数β大于1;估算有效水分扩散系数D_(cal)在0.435×10~(-7 )～3.080×10~(-7 )m~2/s之间,有效水分扩散系数D_(eff)在1.542×10~(-9 )～5.011×10~(-9 )m~2/s之间,均随着干燥温度、切片厚度和辐照高度的增加而增大;对比不同干燥条件下干制品的总色差值、单位能耗和平均干燥速率,发现远红外干燥技术对总色差值的影响不显著,对单位能耗和平均干燥速率的影响显著.对比热风干燥和远红外干燥方式下干制品的微观结构,发现远红外干燥可以增加物料内部微孔道的数量,提高干燥速率.【结论】Weibull可以较好地描述胡萝卜的远红外干燥过程,远红外干燥技术可以改善胡萝卜干制品的品质,减少单位能耗,缩短干燥时间.     

重力驱动的水滴在土壤毛孔内非稳态运动研究

重力驱动下的水滴入渗是多孔介质特别是土壤中水分运移的一个基本问题,理论研究中常常用毛细管内的液塞(slug)运动来模拟。考虑前端液面的动态接触角效应,建立包含接触角参数的描述液塞非稳态运动过程的动力学模型,并对该模型进行了试验验证。应用该模型,研究多孔介质物理性质如斥水性、毛细管内径和液塞初始长度等参数对液塞运动过程的影响。结果表明:接触角的增加能显著影响毛管内液塞的下落速度,表明斥水性增加将显著降低土壤等多孔介质的导渗率;液塞在大管径毛管中平均速度较大,但能够到达的最终深度较小;相反地,液塞在小管径毛管中的平均下落速度较小,但能到达的最终深度较大。综合得出,在考虑孔隙结构统计分布的基础上,该模型可用于宏观入渗过程的模拟研究。     

单板太阳能干燥室内部风场的模拟与优化

为了优化顶风式单板太阳能干燥室内部风速场分布的均匀性,提高单板干燥质量,节约能源,通过计算机软件模拟干燥窑内顶部风机不同风速(3、5、7 m/s)、材堆距离干燥窑侧壁不同位置(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m)时的干燥窑内部风场分布情况,得出最优的模拟结果,之后再与实际情况进行对比验证。结果表明,当顶部风机风速为5 m/s,材堆与干燥窑侧壁的距离为0.4 m时,内部干燥介质的风速场最为均匀,模拟结果准确,与实际值的误差在10%以内。通过计算机模拟的方法对木材干燥室内部风速场进行数值模拟,可以有效地对干燥窑内风速场的均匀性进行优化。     

木材超声波-真空协同干燥的动力学研究

结合超声波和真空干燥的优点,采取超声波 真空协同干燥方法,对核桃楸试件进行干燥。在不同干燥温度、绝对压力、超声波功率和频率的条件下,检测木材干燥过程中内部水分的有效扩散系数,并建立对应条件下的干燥动力学模型。结果表明:超声波 真空协同干燥过程中,木材内部水分有效扩散系数随着温度的升高而增大,而绝对压力对于水分有效扩散系数影响较小;干燥过程中,温度对干燥速率起着主要作用,相同温度、不同压力下木材的干燥速率随着时间的变化趋势一致;通过有效扩散系数和菲克单方向扩散方程得到的干燥模型和实际干燥动力学很接近。      

基于Weibull分布函数的槟榔干燥模拟

本文利用Weibull分布函数描述槟榔在不同干燥方式(烘箱干燥和热风干燥)、不同干燥温度(60、80和100℃)下的干燥过程,并模拟和分析了其干燥动力曲线。结果表明,Weibull分布函数能够很好地模拟槟榔在试验条件下的干燥过程;尺度参数α随着干燥温度的升高而减小;尺度参数β对干燥温度影响很小。干燥过程中的水分扩散系数Dcal分布在0.1123×10-7~0.4105×10-7 m2·s-1之间,在烘箱干燥和热风干燥方式下的干燥活化能分别为33.19和32.55 k J/mol。     

基于Weibull分布函数的熟牛肉电流体动力学干燥过程模拟

为了研究Weibull分布函数中各个参数的影响因素及其在电流体动力学干燥中的应用,以熟牛肉为对象进行电流体动力学干燥和对比试验,电压取值分别为0、6、14、21、32 k V,用Weibull分布函数和均方根误差、约化卡方值、建模效率等统计参数对干燥数据进行了模拟和分析;同时基于Fick第二定律对电流体动力学干燥过程中熟牛肉的水分扩散系数进行研究。结果表明,电流体动力学能够提高熟牛肉的干燥速度,且干燥速度随电压升高而升高;发现Weibull模型比较适合薄层熟牛肉的电流体动力学干燥;干燥过程中熟牛肉的有效水分扩散系数随着电压的增加而增加。     

水产品喷雾干燥的计算机模拟

喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴,并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉产品的过程。随着经济的发展喷雾干燥技术的应用越来越广泛。但在实际生产试验中,由于干燥过程影响因素很多,喷雾干燥的参数调试和试验必须在实际试验中不断摸索。该文采用具有自适应、自记忆和自学习能力的BP神经网络模型(基于MATLAB环境下)来模拟喷雾干燥的输出情况,并用F lash软件创建喷雾干燥机的动态模型,在VB环境下调用喷雾干燥的动态模型和干燥过程控制模型BP网络模型,从而在计算机上实现了实时监测与控制相关参数对喷雾干燥过程的影响。     

木材真空-浮压干燥过程中吸着水迁移特性分析

该文以马尾松为试验材料 ,通过对水分扩散系数和浮压系数的试验研究 ,总结出木材在真空 浮压干燥过程中吸着水迁移的基本规律 .试验分析表明 ,真空 浮压干燥过程中 ,含水率梯度不是水分移动的主要驱动力 .在纤维饱和点以下时 ,木材内部吸着水的迁移可分为 :水蒸汽压力梯度下的扩散迁移和由于干燥介质压力的波动而引起的浮动压力下的迁移两个部分 .由数据分析可见 ,当介质温度一定时 ,木材水分扩散系数随绝对压力的减小和压力变化速率的加大而增加 ,且压力变化速率对扩散系数的影响大于绝对压力的影响