發(fā)布時(shí)間：2017-04-02 10:16

  本文關(guān)鍵詞：多孔材料毛細(xì)孔收縮熱質(zhì)傳遞及分形特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：多孔介質(zhì)(礦物、竹木、果蔬等)的微觀結(jié)構(gòu)具有分形特性,分形維數(shù)的變化會(huì)影響多孔介質(zhì)干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。多孔介質(zhì)在干燥過(guò)程中一方面由于溫度梯度的驅(qū)動(dòng),致使介質(zhì)水分由內(nèi)向外產(chǎn)生輸運(yùn)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致介質(zhì)體積、形狀的改變,即收縮；另一方面,收縮的產(chǎn)生對(duì)介質(zhì)的進(jìn)一步的熱質(zhì)傳遞、水分輸運(yùn)產(chǎn)生了阻礙。所以,多孔介質(zhì)的干燥過(guò)程涉及收縮和熱質(zhì)傳遞的相互耦合。在收縮和熱質(zhì)傳遞耦合問(wèn)題的研究中,有效擴(kuò)散系數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)的確定是問(wèn)題求解的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外許多研究在描述介質(zhì)擴(kuò)散時(shí),采用了平均含水率,假設(shè)無(wú)收縮,孔隙分布均勻,以簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)等的方法,其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型,為模擬其干燥過(guò)程提供了方便。但缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確描述干燥時(shí)介質(zhì)內(nèi)部給定點(diǎn)的擴(kuò)散率隨著該點(diǎn)干基含水率、孔道迂曲度、孔道連通性、孔道直徑和干燥時(shí)間的變化關(guān)系。傳統(tǒng)的歐幾里德幾何不能描述多孔介質(zhì)的復(fù)雜性,導(dǎo)致大量研究者不得不采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和體積平均的概念,因此很難研究多孔介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的影響,使得傳統(tǒng)的研究方法和研究理論有很多的局限性。研究中所涉及的導(dǎo)熱系數(shù)一般是基于熱阻法和經(jīng)驗(yàn)公式,假設(shè)介質(zhì)為連續(xù)、各向同性、內(nèi)部孔平均分布和直徑大小均勻的均質(zhì)結(jié)構(gòu),且已提前設(shè)定介質(zhì)的熱阻為固定連通方式和需要借助經(jīng)驗(yàn)公式,無(wú)法探求出精確的有效導(dǎo)熱系數(shù)。本文針對(duì)多孔介質(zhì)的分形結(jié)構(gòu),結(jié)合在干燥過(guò)程中的收縮對(duì)傳熱傳質(zhì)的耦合影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容如下：首先,將多孔介質(zhì)的物理構(gòu)成分為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團(tuán)聚體集合的不完全分形模型,建立了簡(jiǎn)化單元體模型解釋其微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)合多孔介質(zhì)在干燥過(guò)程中熱量平衡定律和傅里葉導(dǎo)熱定律導(dǎo)出了無(wú)熱阻、無(wú)經(jīng)驗(yàn)公式的有效導(dǎo)熱系數(shù)模型,研究結(jié)果表明,有效導(dǎo)熱系數(shù)與迂曲分形維數(shù)、面積分形維數(shù)、孔隙率和熱風(fēng)溫度成反比,與熱風(fēng)速率和干燥時(shí)間成正比。其次,將多孔介質(zhì)模擬為具有濕相和非濕相的分形結(jié)構(gòu),建立了濕相分布的分形模型,用計(jì)盒法計(jì)算出此模型的局部含水率和分形維數(shù),并用局部含水率和分形維數(shù)構(gòu)造了多孔介質(zhì)的局部收縮率模型�；诙嗫捉橘|(zhì)的分形結(jié)構(gòu)和氣體隨機(jī)擴(kuò)散理論,分析了干燥速率與分形維數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)構(gòu)表明,局部含水率可應(yīng)用于任何類(lèi)型的收縮模型,干燥速率與時(shí)間成冪指數(shù)關(guān)系,與分形維數(shù)成指數(shù)關(guān)系。再次,結(jié)合多孔介質(zhì)在干燥過(guò)程中的水分濃度分布、收縮特性和分形特性,建立了二維方向傳輸?shù)膶?duì)流擴(kuò)散模型。研究結(jié)果表明,在有效擴(kuò)散系數(shù)-介質(zhì)厚度平方線性變化關(guān)系圖中,軸向擴(kuò)散系數(shù)大小為直線在Y軸上截距,徑向擴(kuò)散系數(shù)大小為直線斜率,并且軸向擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于徑向擴(kuò)散系數(shù),水分?jǐn)U散系數(shù)在干燥樣本中徑向與軸向的巨大差異表明介質(zhì)在結(jié)構(gòu)上具有異質(zhì)性。有效擴(kuò)散系數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)條件、介質(zhì)厚度和收縮率都有關(guān)。最后,通過(guò)研究收縮、擴(kuò)散和導(dǎo)熱耦合問(wèn)題發(fā)現(xiàn),介質(zhì)通過(guò)熱風(fēng)加熱導(dǎo)致溫度升高,溫度升高導(dǎo)致水分表面蒸發(fā)并在內(nèi)部形成溫度梯度,從而在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生水分輸運(yùn)現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)部開(kāi)始水分蒸發(fā)并出現(xiàn)干燥前沿時(shí)將產(chǎn)生體積收縮,收縮的出現(xiàn)阻礙水分?jǐn)U散過(guò)程。介質(zhì)溫度的逐漸升高導(dǎo)致介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)下降,而溫度升高促使擴(kuò)散系數(shù)增大,所以有效擴(kuò)散系數(shù)與有效導(dǎo)熱系數(shù)成反比�；趥髻|(zhì)傳遞過(guò)程原理、局部收縮率、局部含水率、有效擴(kuò)散系數(shù)和有效導(dǎo)熱系數(shù)等相關(guān)知識(shí)結(jié)合模擬了多孔介質(zhì)干燥曲線。研究結(jié)果表明,包含收縮現(xiàn)象的模型比不包含收縮的更接近實(shí)驗(yàn)值,分形模型的內(nèi)部壓力分布不同于連續(xù)均質(zhì)模型呈比例逐層下降的現(xiàn)象�？椎倪B通性、孔隙率、面積分形維數(shù)和孔最小最大直徑比值、迂曲分形維數(shù)、迂曲度、收縮率、有效擴(kuò)散系數(shù)和有效導(dǎo)熱系數(shù)都影響干燥過(guò)程。
【關(guān)鍵詞】：多孔介質(zhì) 收縮 熱質(zhì)傳遞耦合 分形 有效擴(kuò)散系數(shù) 有效導(dǎo)熱系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TK124;O357.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-32
• 1.1 引言14
• 1.2 分形理論14-15
• 1.2.1 分形的由來(lái)14-15
• 1.2.2 分形的定義15
• 1.3 多孔介質(zhì)15-19
• 1.3.1 多孔介質(zhì)中的分類(lèi)15-16
• 1.3.2 多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)16-19
• 1.4 多孔介質(zhì)干燥特性19-22
• 1.4.1 干燥動(dòng)力學(xué)19-21
• 1.4.2 多孔介質(zhì)干燥收縮21-22
• 1.5 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的求解方法22-29
• 1.5.1 多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定22-24
• 1.5.2 水分有效擴(kuò)散系數(shù)24-29
• 1.6 本論文研究?jī)?nèi)容以及研究目的29-32
• 1.6.1 研究?jī)?nèi)容29-30
• 1.6.2 研究方案30
• 1.6.3 研究目的30-32
• 第二章 有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形分析32-46
• 2.1 引言32
• 2.2 完全分形和不完全分形多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征32-39
• 2.2.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的說(shuō)明32-33
• 2.2.2 完全分形多孔介質(zhì)33-36
• 2.2.3 不完全分形多孔介質(zhì)36-39
• 2.3 介質(zhì)在加熱過(guò)程中吸收的熱量39-40
• 2.3.1 介質(zhì)加熱過(guò)程中固相所需熱量39
• 2.3.2 循環(huán)熱風(fēng)具有的熱量39-40
• 2.3.3 介質(zhì)吸收的總熱量40
• 2.4 有效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型40-41
• 2.5 分析和討論41-44
• 2.5.1 驗(yàn)證模型41-42
• 2.5.2 參數(shù)對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)影響分析42-44
• 2.6 本章小結(jié)44-46
• 第三章 多孔介質(zhì)收縮和干燥速率的分形分析46-62
• 3.1 引言46
• 3.2 多孔介質(zhì)局部含水率分析46-50
• 3.2.1 數(shù)值方法46-47
• 3.2.2 局部含水率的數(shù)學(xué)模型47-48
• 3.2.3 模型驗(yàn)證48-50
• 3.3 干燥速率的分形研究50-57
• 3.3.1 干燥原理50-52
• 3.3.2 干燥速率的數(shù)學(xué)模型52-53
• 3.3.3 干燥速率第一階段簡(jiǎn)單隨機(jī)行走模型53-54
• 3.3.4 干燥速率第二階段分析54-56
• 3.3.5 模型驗(yàn)證56-57
• 3.4 多孔介質(zhì)收縮分形分析57-61
• 3.4.1 分形收縮的數(shù)學(xué)模型57-59
• 3.4.2 模型驗(yàn)證59-61
• 3.5 本章小結(jié)61-62
• 第四章 多孔介質(zhì)有效擴(kuò)散系數(shù)的分形分析62-88
• 4.1 引言62
• 4.2 有效分子質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)模型62-75
• 4.2.1 多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的分形特性63-65
• 4.2.2 分子質(zhì)量擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型65-68
• 4.2.3 結(jié)果與分析68-75
• 4.3 有效對(duì)流傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)模型75-86
• 4.3.1 介質(zhì)的收縮特性76-77
• 4.3.2 對(duì)流傳質(zhì)擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型77-79
• 4.3.3 結(jié)果與分析79-86
• 4.4 本章小結(jié)86-88
• 第五章 收縮、擴(kuò)散和導(dǎo)熱對(duì)干燥曲線的影響88-104
• 5.1 引言88
• 5.2 多孔介質(zhì)干燥過(guò)程的數(shù)值模擬88-94
• 5.2.1 動(dòng)力學(xué)模型88-93
• 5.2.2 參數(shù)的選取93-94
• 5.3 收縮、有效擴(kuò)散系數(shù)和有效導(dǎo)熱系數(shù)的耦合關(guān)系94
• 5.4 結(jié)果與分析94-102
• 5.4.1 模型驗(yàn)證94-96
• 5.4.2 參數(shù)對(duì)干燥曲線影響分析96-102
• 5.5 本章小結(jié)102-104
• 第六章 結(jié)論與創(chuàng)新104-106
• 6.1 結(jié)論104-105
• 6.2 創(chuàng)新性105-106
• 致謝106-108
• 參考文獻(xiàn)108-120
• 附錄：攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文及獲得獎(jiǎng)勵(lì)120

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：282317