对流干燥木材热质迁移数值模型研究

摘要

长久以来，人们一直企盼通过干燥理论的研究建立干燥模型，以期在计算机上获取干燥过程中木材内部可靠即时信息，以取代耗时、费力且耗材的试验研究。遗憾的是，直到今天仍未实现预期目标。对于大多数干燥操作，在无经验的情况下，只能通过试验取得相关数据来指导生产实践。
　　为实现上述目标，本论文主要从数学模型的建立、求解及验证3方面深入研究木材干燥过程。基于木材传热特性，建立了木材含水率检测热学数学模型与仅考虑热量传递的预热数学模型（木材实体的热量场）;基于木材传热传质特性，将水分场考虑在内建立热质迁移数学模型（木材实体的热质耦合场）;介绍求解木材有效参数数值逆分析方法;在此基础上，将环境干燥介质考虑在内，建立一个综合的热质传递数学模型（流-固热质耦合场）;最终对所有模型进行数值求解及验证。旨在完善及推广数学模型在木材干燥领域中的应用，使其能成为一种实用、有效的方法来辅助木材干燥特性检测，为干燥工艺的改进及可靠实施提供必要的信息。
　　本论文的主要研究内容及成果如下:
　　(1)利用木材热学性质，通过外置热绳提供稳定热源，计算木材处于不同含水率下升温速率的差异，间接测算木材含水率;并对所获结果进行实际验证与不确定度分析。结果显示:1）含水率在0.0～23.5％内，测量误差为-4.30～3.72％，标准不确定度为1.29～6.08％，说明热绳技术测量木材纤维饱和点下含水率是可行的;2）影响测量精度的主要因素有材性差异、温度与水分分布及检测精度等。
　　(2)以含髓心方材为对象，运用能量守恒定律建立预热阶段内部温度分布变化2维数学模型，并将模拟结果与实测结果进行对比分析;最终确定合理预热时间;并探讨了含水率对预热时间与温度分布的影响。结果表明:1）计算预热时间与实测值很接近，最大误差不足9.5％(时间差距38min)，说明通过此方法来确定预热时间是可行的;2）在纤维饱和点之上，含水率对预热时间无显著性影响，但含水率分布对模拟精度影响较大;3）单从热透角度考虑，横截面尺寸为120mm×120mm的方材，建议预热时间设定为7h左右;同时，为提高模拟精度今后应考虑预热阶段水分变化。
　　(3)在探讨与分析木材常规干燥热质转移机理基础上，重点介绍了考虑移动蒸发界面的热质迁移1维数学模型;并详细地给出了干燥过程中纤维饱和点上、下的质量、能量控制方程与对应的边界条件;最终，进行数值求解及模型验证。对平均含水率与中心温度进行验证。水蒸气密度与体积蒸发率模拟结果表明，干燥后期水分的迁移主要以气体形式向外迁移;内部蒸发界面移动速度近似常数，且界面蒸发率随时间的变化呈下降趋势;本模型获得的水蒸气密度、表（界）面蒸发率与体积蒸发率模拟结果，有助于对木材干燥过程机理分析。
　　(4)介绍了模型计算所需的必要参数;运用有限差分逆求法与基于遗传算法的数值逆求法对木材导热系数进行求解及验证;获得了较高精度的关于含水率与温度的2元回归方程。
　　(5)将环境干燥介质考虑在内，建立一个综合的热质迁移数学模型;给出详细的控制方程组及边界条件，并应用多物理场耦合有限元软件Comsol Multiphysics实现模型求解与模拟;最终进行模型验证与分析。结果表明:干燥过程中环境流场性质是不均匀的，尤其在干燥初期。这说明，为准确描述木材干燥过程与提高模型精确性，干燥模型必须将环境流场性质考虑在内。模拟与实测值对比显示:在仅考虑木材平均含水率与中心温度前提下，本模型的模拟精度是可以接受的;而对于木材内部含水率与温度分布模拟，有待后期验证及优化。未来，需要改变模型条件参数（如:温度、湿度、风速等）以验证模型的稳定性，进而建立更加符合生产实际的干燥模型。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 木材干燥概述

1．3 木材干燥热质模型研究进展

1．3．1 水分迁移

1．3．2 能量转移

1．3．3 应力应变

1．3．4 数值求解

1．3．5 小结

1．4 论文的研究目的与意义

1．5 论文提纲

2 基于热绳技术的木材含水率检测热学模型研究

2．1 概述

2．2 基本原理

2．2．1 热绳技术

2．2．2 水分与木材热学性质关系

2．3 不确定度分析

2．3．1 用测量不确定度评定来代替误差评定的理由

2．3．2 测量不确定度评定步骤

2．3．3 标准不确定度定义及分类

2．3．4 测量不确定度的应用场合

2．4 材料与方法

2．5 结果与讨论

2．6 本章小结

3 干燥预热模型的建立、求解及验证

3．1 概述

3．2 模型构建

3．2．1 初始条件

3．3 模型求解

3．4 模型验证

3．4．1 材料与方法

3．4．2 结果与讨论

3．5 本章小结

4 考虑移动蒸发界面的热质模型的建立、求解及验证

4．1 概述

4．2 机理分析

4．2．1 木材中的水分及存在状态

4．2．2 干燥过程中木材水分迁移机理

4．3 模型构建

4．3．1 模型假设

4．3．2 质量(含水率与水蒸气密度)控制方程

4．3．3 能量(温度)控制方程建立

4．3．4 热力学关系式建立

4．3．5 含水率与温度初始、边界条件建立

4．4 模型求解

4．5 模型验证

4．5．1 材料与方法

4．5．2 结果与讨论

4．6 本章小结

5 模型求解中涉及主要热、物参数测算

5．1 概述

5．2 基于有限差分逆求有效导热系数

5．2．1 材料与方法

5．2．2 模型建立

5．2．3 结果与讨论

5．2．4 小结

5．3 基于遗传算法逆求有效导热系数

5．3．1 模型建立

5．3．2 优化算法

5．3．3 材料与方法

5．3．4 结果与讨论

5．3．5 小结

6 考虑环境干燥介质的综合热质模型的建立、求解及验证

6．1 概述

6．2 模型构建

6．2．1 机理概述

6．2．2 环境流体-干燥介质质量、动量及能量控制方程

6．2．3 木材实体-木材质量与能量控制方程

6．2．4 边界条件

6．3 模型求解

6．4 模型验证

6．4．1 材料与方法

6．4．2 结果与讨论

6．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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