多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:Ⅱ.数值模拟与试验验证

为验证笔者建立的自然多孔介质干燥分形孔道网络模型(袁越锦,杨彬彬,焦阳,等.多孔介质干燥过程分形孔道网络模型与模拟:I.模型建立.中国农业大学学报,2007,12(3):65-69)的正确性,采用新鲜土豆切片进行热风对流干燥试验,并对干燥过程进行数值模拟。结果表明:分形孔道网络模型模拟得到的多孔介质内部温度、水分含量的分布与响应较规则孔道网络模型的更接近试验结果;分形孔道网络模型能合理地解释目前常用干燥理论所不能解释的湿斑和不规则干燥前沿等现象;多孔介质的喉径分布对干燥有显著影响,喉径分布不均匀程度越高,干燥时间越长;孔隙分形维数的大小与干燥时间无确定性关系。孔道网络模型考虑了多孔介质孔道细观结构对干燥过程的影响,在预测多孔介质内部水分分布与响应方面更接近真实干燥过程。     

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     

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。     

木材干燥过程热质迁移数学模型研究现状

建立及求解木材干燥过程热质迁移数学模型的主要目的是为了对木材实际干燥过程进行预测和控制,对促进木材干燥技术的发展意义重大。本文主要从水分迁移、能量转移、应力应变与数值求解方法等方面,归纳总结了国内外木材干燥过程中热质迁移模型建立及求解的研究现状,根据木材干燥机理、热质迁移理论及干燥生产实际分析了模型可借鉴应用之处以及存在的问题,提出符合实际干燥情况的多维(2、3D)热质迁移以及考虑木材干缩现象的热质-应力应变耦合数学模型是今后的研究重点。      

柴油机微粒捕集器泡沫型滤芯上气流压降特性研究

研究了柴油机微粒捕集器泡沫型多孔介质滤芯上的气流压降特性,提出了一种预测泡沫型多孔介质滤芯气流压降的理论模型.模型将泡沫型滤芯材料复杂的内部孔隙结构简化成规则布置的球形通道,直接以滤芯材料的孔隙率和平均孔隙直径为基本参数,同时考虑了流体流过滤芯时介质骨架表面对其的摩擦阻力作用以及介质骨架在流体中的形状阻力,并给出了描述多孔介质滤芯的压降特性关系式及式中渗透率和惯性项系数的计算方法.研究结果显示,对于壁流式滤芯来说,使用达西公式来描述气流通过过滤介质时的压降具有足够的精度,而通流式滤芯必须考虑气流惯性项的影响,公式对其具有良好的适用性.该文的研究结果可以作为DPF的设计和优化提供理论依据和参考.     

基于分形理论的竹炭孔隙度与比表面积的探索

竹炭孔隙的空间分布十分复杂。根据分形理论和竹炭多孔状及各向异性的构造特征,参照竹炭扫描电镜照片,模仿Sierpinski地毯的构造方法,运用Matlab软件建立了一个描述竹炭孔隙空间分布状况的随机分形模型,并给出分形模型中孔隙度和比表面积与迭代次数的关系。当迭代次数为10,最小孔径达到1 nm时,竹炭分形模型孔隙度是0.825,比表面积为213.6 m²·g^－1。图6表1参10     

干燥过程中木材内部孔隙度变化的初步研究

该文采用一种全新的方法———分形理论来描述干燥过程中,木材内部孔隙度的变化情况.实验以银杏和板栗为试材,采用连续升温干燥的方法,并建立了不同干燥温度下木材重量和尺寸之间的双对数关系,计算得出木材内部孔隙度的分形维数.结果表明:木材内部孔隙度的分形维数是定量反映干燥过程中木材内部孔隙复杂程度新的有效指标.木材内部孔隙度分形维数的变化与干燥温度和木材含水率的变化相对应,随着干燥温度的升高,两种试材含水率逐渐降低,内部孔隙度的分形维数均逐渐增大,内部孔隙的复杂程度也增大.当干燥温度从20℃到100℃,试材从气干状态(含水率14%)到绝干状态,银杏木材内部孔隙度的分形维数变化在2.1057～2.8757之间,板栗的维数变化在2.0080～2.9238之间.板栗木材内部孔隙度的分形维数变化范围要比银杏大,说明在干燥过程中板栗内部孔隙变化的复杂程度要比银杏大,干燥银杏木材比干燥板栗木材相对容易,产生干燥缺陷的可能小于板栗.     

胡萝卜热风干燥过程热质耦合传递分析

基于Fick扩散第二定律和Fourier定律,建立了胡萝卜热风干燥的二维数学模型,模型中热空气和胡萝卜的物理性能均用局部温度和湿度值表示,用有限元软件COMSOL Multiphysics 3.3对热质耦合传递偏微分方程组进行求解,干燥过程的模型预测结果与试验实测结果相吻合,所建立的模型可以用来预测食品热风干燥过程。同时在干燥过程中初始温度、空气速度对胡萝卜水分变化影响小,干燥温度和物料尺寸大小对胡萝卜水分变化影响大。     

钩藤恒温干燥模型及其动力学研究

筛选中药材钩藤的最佳干燥模型并对其动力学参数进行测定;采用常见的10种干燥模型对中药材钩藤在45、55、65和75℃条件下得到的干燥曲线进行拟合,以相关系数(R~2)、卡方(X~2)和均方根误差(RMSE)作为其拟合优劣性评价的指标,再综合分析模型常数,最终筛选出钩藤的最佳干燥模型;干燥模型Newton为中药材钩藤的最佳干燥模型;其水分扩散系数D值的范围为1.96×10~(-10)到5.18×10-10m~2·s~(-1),活化能为30.37 KJ/mol;中药材钩藤的干燥过程可以通过数学模型进行很好的拟合,该研究过程可为其他藤茎类中药材的干燥研究提供参考。     

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。     

荔枝真空远红外辐射过热干燥的特性

应用Clausius-Clapeyron方程,导出真空腔体干燥介质过热度干燥过程变化式,观察工艺条件改变下的过热度干燥过程变化及过热度影响下的荔枝去水速率.结果表明:真远红外辐射过热十燥荔枝,荔枝与辐射源光谱匹配显著加快去水;干燥效率及品质强化存在适度真空干燥介质、辐射热流密度、质传递速率匹配;采用近距离、光谱匹配及适度真空度、加热/缓苏时间比,十燥介质过热度与干燥效率综合最大.     

莲藕片热风干燥特性及动力学模型

为研究莲藕片热风干燥特性,探讨了不同装载量和热风温度对莲藕片薄层热风干燥过程的影响。根据试验数据建立了莲藕片热风干燥水分比与干燥时间关系的动力学模型,并对模型进行拟合,最后计算了莲藕片热风干燥条件下的有效扩散系数。结果表明,莲藕片热风干燥过程符合Page模型,经验证,模型预测值与试验值拟合良好;莲藕片热风干燥有效扩散系数在0.831×10-7~3.516×10-7m2/s范围内。Page模型适用于描述莲藕片热风干燥过程。     

基于偏移活化能理论研究干燥热湿传递特性

根据非平衡热力学理论和偏移活化能理论,建立了描述多孔介质对流干燥内部传热传质过程的数学模型,并对其进行分析求解。该模型充分考虑了传热与传质之间的相互耦合,计算结果与实验数据吻合较好,能准确预测干燥过程中马铃薯的含湿量变化。研究表明,偏移活化能方法能有效地探索干燥机理和研究物料工业干燥特性,为干燥动力学的研究确定优化方案提供理论基础与技术依据。     

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。     

粒径和流速对大肠杆菌在饱和多孔介质中迁移的影响

采用室内柱迁移实验,研究了在不同离子强度下多孔介质粒径和孔隙水流速对大肠杆菌在饱和石英砂柱中沉积与释放行为的影响。结果表明,介质粒径和孔隙水流速均能影响大肠杆菌在石英砂中的迁移过程。介质粒径的减小可增强大肠杆菌在多孔介质中的筛滤效应,增加其沉积率和滞留率,减小水化学扰动引起的释放效应,流速的降低有利于提高大肠杆菌的沉积率和滞留率。离子强度的高低可改变粒径和流速对大肠杆菌迁移影响的大小,在较高离子强度条件下,减小介质粒径和孔隙水流速对提高大肠杆菌的沉积率和滞留率的作用增强。由于自然环境的复杂性,今后的研究应注重真实地下水环境中多因素对大肠杆菌迁移行为的复合影响,以便更加准确地掌握大肠杆菌在多孔介质中迁移的规律。     

多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用

本文详细讨论了多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用,开发了一套能自动生成多孔介质特性参数的通用程序。该程序主要基于三维交错网格及SIMPLE算法,然后运用该模型,采用改进的κ-ε模型和壁面函数法,对换热器壳侧的湍流流动进行了数值模拟。计算结果与换热器冷态实验结果符合良好,表明该模型和计算方法是切实可行的。     

木材对流干燥质量传递经验模型

根据实验数据和理论分析建立描述兴安落叶松对流干燥质量传递的经验模型。模型中包括与４个主要过程变量有关的干燥常数，并确定了它们之间的数学关系。实验验证了模型的精确性。研究发现，空气温度，相对湿度及试件厚度对干燥速率有较大影响。     

核桃气体射流冲击干燥特性及干燥模型

目的】研究不同条件对核桃气体射流冲击干燥的影响,提高核桃干制品质、缩短干燥时间,得到干燥所需活化能并筛选出最适干燥模型。【方法】采用热管和自制气体射流冲击节能干燥技术相结合的方法,利用9组试验,探讨了不同射流风温（40、50和60℃）、介质风速（11、12和13 m·s^-1）对物料干燥特性、有效水分扩散系数和活化能的影响,同时通过数据统计对5个干燥模型的拟合筛选,建立5个干燥动力学模型,分别为Page模型、Modified Page模型、Logarithmic模型、Herdenson and Pabis模型和Lemus模型,利用DPS软件对数据进行处理,拟合后得到最终的普遍适用的水分比MR与时间t的参数方程。【结果】与大多数食品物料的气体射流冲击干燥试验类似,核桃的气体射流冲击干燥主要属于降速干燥,没有恒速干燥阶段。风温对核桃气体射流冲击干燥的各个阶段影响均较大,风温越高,水分比下降越快,干燥速率越高。风速对干燥时长几乎无影响,但对于表面水分汽化阶段的速率具有一定影响,能够在这一阶段使干燥速率加快,对内部水分转移阶段的干燥速率几乎无影响。利用这一特点可以采用不同时段改变风温风速的方法,既缩短干燥时长又达到节能目的。总体来说对缩短干燥时间的影响顺序为：风温＞风速。核桃气体射流冲击干燥的有效扩散系数随风温升高而增加,风速对其几乎无影响,通过费克第二定律求出了干燥过程中核桃的有效水分扩散系数,其值为0.9674×10^-11-2.2231×10^-11m²·s^-1,由于其具有外壳等结构,所以比一般的食品物料的有效水分扩散系数低1-3个数量级。活化能随风速增大而增加,最低的活化能为27.644 kJ·mol^-1。5个模型均具有较高的拟合度,能较好地对核桃气体射流冲击干燥进行描述,其中Modified Page模型有最大的确定系数R²、最小卡方值（χ²）和均方根误差（RMSE）。以Modified Page模型,通过DPS软件进行回归,建立了在风温为40-60℃,风速为11-13 m·s^-1条件下核桃物料气体射流冲击干燥普遍适用的水分比MR与时间t的参数方程。【结论】射流风温与介质风速对核桃气体射流冲击干燥曲线、干燥速率曲线、有效水分扩散系数和活化能均有影响。根据在不同条件下得到的拟合值与试验组测定的观察值进行拟合比较,以风温为50℃、介质风速为13 m·s^-1时干燥最佳。Modified Page模型与Page模型均适合描述在风温为40-60℃,风速为11-13 m·s^-1条件下的核桃气体射流冲击干燥。而Modified Page模型拟合程度更高,是核桃气体射流冲击干燥最优模型。     

莲藕片薄层真空微波干燥特性及动力学模型

为研究莲藕片真空微波干燥特性,探讨不同真空度、装载量和微波功率对莲藕片薄层真空微波干燥过程的影响。根据试验数据建立莲藕片薄层真空微波干燥水分比与干燥时间关系的动力学模型,并对模型进行拟合试验,最后计算莲藕片薄层真空微波干燥条件下的有效扩散系数。结果表明,莲藕片薄层真空微波干燥过程符合Page模型,经验证,模型预测值与试验值拟合良好;莲藕片薄层真空微波干燥有效扩散系数在0. 508×10-6～6. 556×10-6m~2/s范围内。Page模型适合描述莲藕片薄层真空微波干燥过程。     

牛大力切片热风干燥特性及其动力学模型建立

【目的】探讨不同热风温度、切片厚度及装载量对牛大力切片热风干燥速率的影响,并建立牛大力切片热风干燥动力学模型,为牛大力干燥工艺探索提供理论依据。【方法】以热风温度（50、60、70、80℃）、切片厚度（2、4、6、8mm）和装载量（100、200、300 g）为考察因素,实时测定各条件下牛大力切片热风干燥过程中水分变化,对常见的5种干燥模型进行筛选,并计算干燥过程中的有效水分扩散系数和活化能。【结果】随着热风温度的升高,切片厚度和装载量的降低,牛大力切片的干基含水量明显减少,干燥速率明显增加。牛大力切片在热风干燥过程分为加速和降速2个阶段,其中大部分干燥过程为降速阶段。牛大力切片热风干燥动力学模型符合Page模型,该模型预测值与试验值拟合度较高（R2=0.969）,拟合方程为ln （-lnMR）=-3.174-0.242H+0.029T-0.006L+（0.721+0.015H+0.002T）lnt,可求得-k=e（-3.174-0.242H+0.029T-0.006L）,n=0.721+0.015H+0.0027,不同干燥条件下牛大力切片的有效水分扩散系数在1.62114×10-10~12.96913×10-10 m2/s,均随着热风温度的升高和切片厚度的增加,总体呈上升趋势;活化能为60.7388 kJ/mol。【结论】Page模型可较好地描述不同切片厚度的牛大力切片热风干燥过程中水分的变化规律,且通过拟合方程能较准确预测热风干燥过程中某时刻牛大力切片的水分比。