本文關鍵詞：水分測定天平紅外干燥箱溫度場模擬技術研究

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【摘要】：紅外干燥箱作為水分測定天平關鍵部件之一,用來烘干實驗試樣,直接影響儀器的測量精度。紅外干燥箱的結構復雜,內部溫度場由多種傳熱方式共同作用產生,溫度變化梯度大。而溫度作為紅外干燥箱最關鍵的一項性能指標,決定了其干燥的質量和速度,但是在水分測定天平的使用中,出現(xiàn)過干燥不充分、試樣局部碳化等由加熱溫度引起的問題,因此有必要對紅外干燥箱工作時的溫度變化規(guī)律進行深入研究。由于紅外干燥箱的結構相對封閉,內部溫度測量難度非常大,因此溫度場模擬成為更為可行的一種研究方法。本文主要研究紅外干燥箱在加熱前期的實時溫度分布狀況及試樣的受熱情況,采用計算流體力學中的溫度場模擬技術對紅外干燥箱的三維瞬態(tài)溫度場進行數(shù)值分析,具體開展了如下幾個方面的工作：首先,針對紅外干燥箱的傳熱情況,系統(tǒng)地分析了熱傳遞、熱對流和熱輻射三種傳熱方式,其中重點分析了紅外輻射的基本規(guī)律及紅外干燥下水分逸失的過程。介紹了計算流體力學中的溫度場模擬技術,其中重點介紹了有限體積法的離散化方法及基于有限體積法的計算流體力學軟件FLUENT。其次,對紅外干燥箱數(shù)值模擬的關鍵問題進行了分析,對模型進行了合理簡化和假設,給出了求解的邊界條件。分析了流固耦合換熱模型,計算了紅外加熱管的有效熱輻射量,分析了基于復合模糊控制的紅外加熱管功率變化規(guī)律,通過用戶自定義函數(shù)功能定義了符合實際情況的內熱源,同時分析了紅外輻射下的壁面反射率確定方法。最后,建立了紅外干燥箱的幾何模型并對其進行了網(wǎng)格劃分,選擇和確定了紅外干燥箱的輻射模型和邊界條件,使用FLUENT數(shù)值模擬紅外干燥箱從開始工作到內部溫度動態(tài)穩(wěn)定后的加熱過程,模擬的加熱時間段為300s。使用紅外熱像儀和熱電偶溫度計對模擬結果進行試驗驗證,證明模擬結果可靠。通過溫度場數(shù)值模擬,揭示了紅外干燥箱在加熱階段的溫度變化規(guī)律,模擬表明試樣溫度與傳感器溫度存在差距,在加熱的不同階段偏差大小也不一樣,并且偏差的大小與試樣的熱特性相關。模擬結果可用于水分測定天平的優(yōu)化設計和其他相關的工程應用。
【關鍵詞】：水分測定天平 紅外干燥箱 溫度場模擬 有限體積法 FLUENT
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH715.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 溫度場研究背景與意義11-13
• 1.2 水分測定天平紅外干燥箱13-16
• 1.2.1 紅外干燥箱結構13-14
• 1.2.2 外干燥箱溫度控制要求14
• 1.2.3 傳熱學和數(shù)值傳熱學14-15
• 1.2.4 外加熱技術及發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.3 紅外加熱的溫度場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 本文主要研究內容17-19
• 第2章 紅外干燥箱傳熱方式及試樣失水過程19-29
• 2.1 紅外干燥箱傳熱方式19-22
• 2.1.1 熱傳導19-20
• 2.1.2 熱對流20-21
• 2.1.3 熱輻射21-22
• 2.2 紅外輻射的基本定律22-24
• 2.2.1 基爾霍夫熱輻射定律22-23
• 2.2.2 熱力學的黑體定律23-24
• 2.3 紅外干燥下的試樣失水過程24-28
• 2.3.1 試樣吸收紅外輻射原理24-26
• 2.3.2 試樣的熱含量分析26-27
• 2.3.3 干燥條件下試樣內部水分擴散27-28
• 2.4 本章小結28-29
• 第3章 溫度場數(shù)值模擬方法29-40
• 3.1 溫度場模擬方法的計算流體力學基礎29-32
• 3.1.1 計算流體力學的基本概念29
• 3.1.2 計算流體力學的基本思想和方法29-30
• 3.1.3 計算流體力學的計算流程30-31
• 3.1.4 計算流體力學的基本控制方程31-32
• 3.2 計算流體力學的數(shù)值求解方法32-33
• 3.2.1 有限差分法32
• 3.2.2 有限元法32-33
• 3.2.3 有限體積法33
• 3.2.4 邊界元法33
• 3.3 有限體積法及其離散化方法33-36
• 3.3.1 有限體積法基本原理及特點33-34
• 3.3.2 有限體積法計算網(wǎng)格34
• 3.3.3 基于有限體積法的熱傳導方程離散化34-36
• 3.4 基于有限體積法的計算流體力學軟件FLUENT36-39
• 3.4.1 FLUENT軟件結構36
• 3.4.2 FLUENT輻射模型36-38
• 3.4.3 FLUENT求解算法與模擬流程38-39
• 3.5 本章小結39-40
• 第4章 紅外干燥箱數(shù)值模擬關鍵問題分析40-52
• 4.1 模型假設與求解條件40-42
• 4.1.1 導熱問題的簡化40-41
• 4.1.2 紅外干燥過程中的傳質傳熱與求解條件41-42
• 4.2 流固耦合換熱分析42-44
• 4.3 內熱源分析44-49
• 4.3.1 加熱功率與紅外輻射量44-45
• 4.3.2 熱源變化規(guī)律及控制方法45-48
• 4.3.3 溫度場模擬中的熱源自定義48-49
• 4.4 紅外輻射的邊界條件49-51
• 4.4.1 鏡面反射率的確定50
• 4.4.2 漫反射率的確定50-51
• 4.5 本章小結51-52
• 第5章 紅外干燥箱加熱過程的數(shù)值模擬與應用52-75
• 5.1 紅外干燥箱幾何模型的建立與網(wǎng)格的生成52-54
• 5.1.1 幾何模型的建立52
• 5.1.2 網(wǎng)格劃分52-54
• 5.1.3 邊界條件和材料屬性的確定54
• 5.2 求解條件選擇和參數(shù)設置54-56
• 5.2.1 求解條件的選擇54-55
• 5.2.2 邊界條件和材料參數(shù)的設定55-56
• 5.3 紅外干燥箱溫度場模擬結果及分析56-64
• 5.3.1 垂直截面(X=0)結果及分析56-60
• 5.3.2 水平截面(Z=16mm)結果及分析60-61
• 5.3.3 試樣截面結果分析61-63
• 5.3.4 關鍵點模擬數(shù)據(jù)對比分析63-64
• 5.4 溫度場模擬的實驗驗證64-68
• 5.4.1 實驗概述64-66
• 5.4.2 實驗結果與模擬結果對比分析66-67
• 5.4.3 誤差分析67-68
• 5.5 水分測定天平的優(yōu)化設計68-74
• 5.5.1 紅外干燥箱的設計改進68-71
• 5.5.2 溫度控制與測量優(yōu)化71-72
• 5.5.3 稱重傳感器溫度補償72-74
• 5.6 本章小結74-75
• 結論75-77
• 參考文獻77-81
• 致謝81-82
• 附錄A 攻讀學位期間參與的項目82-83
• 附錄B1 水分測定天平溫度測量現(xiàn)場83-84
• 附錄B2 水分測定天平稱重性能檢定84-85
• 附錄C FLUENT溫度場模擬軟件界面85

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本文編號：1123162