水分测定天平红外干燥箱温度场模拟技术研究

摘要

红外干燥箱作为水分测定天平关键部件之一，用来烘干实验试样，直接影响仪器的测量精度。红外干燥箱的结构复杂，内部温度场由多种传热方式共同作用产生，温度变化梯度大。而温度作为红外干燥箱最关键的一项性能指标，决定了其干燥的质量和速度，但是在水分测定天平的使用中，出现过干燥不充分、试样局部碳化等由加热温度引起的问题，因此有必要对红外干燥箱工作时的温度变化规律进行深入研究。由于红外干燥箱的结构相对封闭，内部温度测量难度非常大，因此温度场模拟成为更为可行的一种研究方法。
　　本文主要研究红外干燥箱在加热前期的实时温度分布状况及试样的受热情况，采用计算流体力学中的温度场模拟技术对红外干燥箱的三维瞬态温度场进行数值分析，具体开展了如下几个方面的工作:
　　首先，针对红外干燥箱的传热情况，系统地分析了热传递、热对流和热辐射三种传热方式，其中重点分析了红外辐射的基本规律及红外干燥下水分逸失的过程。介绍了计算流体力学中的温度场模拟技术，其中重点介绍了有限体积法的离散化方法及基于有限体积法的计算流体力学软件FLUENT。
　　其次，对红外干燥箱数值模拟的关键问题进行了分析，对模型进行了合理简化和假设，给出了求解的边界条件。分析了流固耦合换热模型，计算了红外加热管的有效热辐射量，分析了基于复合模糊控制的红外加热管功率变化规律，通过用户自定义函数功能定义了符合实际情况的内热源，同时分析了红外辐射下的壁面反射率确定方法。
　　最后，建立了红外干燥箱的几何模型并对其进行了网格划分，选择和确定了红外干燥箱的辐射模型和边界条件，使用FLUENT数值模拟红外干燥箱从开始工作到内部温度动态稳定后的加热过程，模拟的加热时间段为300s。使用红外热像仪和热电偶温度计对模拟结果进行试验验证，证明模拟结果可靠。
　　通过温度场数值模拟，揭示了红外干燥箱在加热阶段的温度变化规律，模拟表明试样温度与传感器温度存在差距，在加热的不同阶段偏差大小也不一样，并且偏差的大小与试样的热特性相关。模拟结果可用于水分测定天平的优化设计和其他相关的工程应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 温度场研究背景与意义

1．2 水分测定天平红外干燥箱

1．2．1 红外干燥箱结构

1．2．2 红外干燥箱温度控制要求

1．2．3 传热学和数值传热学

1．2．4 红外加热技术及发展现状

1．3 红外加热的温度场数值模拟研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 红外干燥箱传热方式及试样失水过程

2．1 红外干燥箱传热方式

2．1．1 热传导

2．1．2 热对流

2．1．3 热辐射

2．2 红外辐射的基本定律

2．2．1 基尔霍夫热辐射定律

2．2．2 热力学的黑体定律

2．3 红外干燥下的试样失水过程

2．3．1 试样吸收红外辐射原理

2．3．2 试样的热含量分析

2．3．3 干燥条件下试样内部水分扩散

2．4 本章小结

第3章 温度场数值模拟方法

3．1 温度场模拟方法的计算流体力学基础

3．1．1 计算流体力学的基本概念

3．1．2 计算流体力学的基本思想和方法

3．1．3 计算流体力学的计算流程

3．1．4 计算流体力学的基本控制方程

3．2 计算流体力学的数值求解方法

3．2．1 有限差分法

3．2．2 有限元法

3．2．3 有限体积法

3．2．4 边界元法

3．3 有限体积法及其离散化方法

3．3．1 有限体积法基本原理及特点

3．3．2 有限体积法计算网格

3．3．3 基于有限体积法的热传导方程离散化

3．4 基于有限体积法的计算流体力学软件FLUENT

3．4．1 FLUENT软件结构

3．4．2 FLUENT辐射模型

3．4．3 FLUENT求解算法与模拟流程

3．5 本章小结

第4章 红外干燥箱数值模拟关键问题分析

4．1 模型假设与求解条件

4．1．1 导热问题的简化

4．1．2 红外干燥过程中的传质传热与求解条件

4．2 流固耦合换热分析

4．3 内热源分析

4．3．1 加热功率与红外辐射量

4．3．2 热源变化规律及控制方法

4．3．3 温度场模拟中的热源自定义

4．4 红外辐射的边界条件

4．4．1 镜面反射率的确定

4．4．2 漫反射率的确定

4．5 本章小结

第5章 红外干燥箱加热过程的数值模拟与应用

5．1 红外干燥箱几何模型的建立与网格的生成

5．1．1 几何模型的建立

5．1．2 网格划分

5．1．3 边界条件和材料属性的确定

5．2 求解条件选择和参数设置

5．2．1 求解条件的选择

5．2．2 边界条件和材料参数的设定

5．3 红外干燥箱温度场模拟结果及分析

5．3．1 垂直截面(X=0)结果及分析

5．3．2 水平截面(Z=16mm)结果及分析

5．3．3 试样截面结果分析

5．3．4 关键点模拟数据对比分析

5．4 温度场模拟的实验验证

5．4．1 实验概述

5．4．2 实验结果与模拟结果对比分析

5．4．3 误差分析

5．5 水分测定天平的优化设计

5．5．1 红外干燥箱的设计改进

5．5．2 温度控制与测量优化

5．5．3 称重传感器温度补偿

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间参与的项目

附录