毛细多孔介质干燥过程中传热传质模型研究及应用

摘要

基于体积平均理论,把含湿毛细多孔介质视为宏观意义上的虚拟连续介质.分析了含湿毛细多孔介质干燥过程中流体的基本传输形式.液体和气体在多孔介质中的流动遵循达西定律,同时考虑了液体传输时的毛细效应和蒸汽与空气分子的相互扩散效应.在多孔介质流体基本传输机制基础上,假设多孔介质相变传热传质过程中各质点处于局部热力学平衡,考虑了多孔介质干燥过程中介质内部三相:固相、液相和气相在质量、动量和能量守恒关系的相互作用,分别建立了由多孔介质干燥过程中湿份和流体质量守恒方程以及多孔介质能量守恒方程共同组成的干燥过程相变传热传质三方程数学模型.在建立多孔介质各相质量守恒方程时,液体蒸发量相对于蒸汽相而言为质量源,对液相本身而言为质量汇.在三方程数学模型的基础上,以残余饱和度S<,ir>为判据把对流干燥过程划分为湿区和干区两个区域.根据不同干燥区域中传热传质的不同,分别建立湿区和干区干燥模型,并以

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第一章绪论

1.1多孔介质相变传热传质研究背景及课题意义

1.2具有干燥背景的多孔介质传热传质研究进展

1.2.1多孔介质物理参数的理论处理方法

1.2.2干燥模型的基本理论

1.2.3基于体积平均理论的多孔介质干燥模型研究

1.3本文的研究内容及研究目标

1.3.1研究内容

1.3.2研究目标

第二章毛细多孔介质干燥过程数学模型

2.1多孔介质中单相流体流动方程

2.2多孔介质中两相流体流动方程

2.2.1多孔介质两相流中的液相流动方程

2.2.2绝对渗透系数和相对渗透系数

2.2.3多孔介质两相流中的气相流动方程

2.3多孔介质对流干燥传热传质物理过程分析

2.4多孔介质中流体质量守恒与能量守恒积分方程

2.5多孔介质中流体质量守恒与能量守恒微分方程

2.6对流干燥过程的边界条件和初始条件

2.7一维对流干燥数学模型

2.7.1湿区模型

2.7.2干区模型

2.7.3“蒸发界面”动态边界条件

2.8小结

第三章数值求解方法与程序编制

3.1控制方程的有限差分离散化

3.2非线性方程组求解技术

3.3离散方程组的组织

3.4多孔介质对流干燥数值模拟计算软件的编制

第四章多孔介质对流干燥实验研究

4.1实验目的与实验对象

4.2实验装置

4.3实验方法与实验过程

4.4测量误差分析

4.5填充床质量和介质温度随干燥时间的变化

4.6小结

第五章干燥过程实验结果与计算结果分析

5.1数学模型各参数

5.2对流干燥实验结果和数值结果的对比分析

5.3绝热下边界条件对流干燥过程数值模拟结果及分析

5.3.1饱和度、温度和压力数值预测及相关分析

5.3.2 “蒸发界面”推进和相变蒸发率情况

5.3.3外部干燥条件对干燥过程的影响

5.3.4绝热下边界对流干燥特点

5.4恒温下边界条件对流干燥过程数值模拟结果及分析

5.4.1饱和度、温度和压力数值预测及相关分析

5.4.2 “蒸发界面”推进情况和干燥条件对干燥时间的影响

5.4.3恒温下边界对流干燥特点

5.5小结

第六章多孔介质干燥模型在纸张干燥过程的应用

6.1纸张在烘缸上的干燥过程

6.2纸张干燥数学模型

6.2.1纸张干燥控制方程

6.2.2纸张干燥边界条件

6.3纸张干燥计算软件简介及程序主框图

6.4数值结果与实验结果分析

6.4.1纸张温度、压力、干燥速率和含湿量参数分析

6.4.2前半个干燥周期含湿量、温度和压力分布

6.4.3后半个干燥周期含湿量、温度和压力分布

6.4.4一个完整干燥周期中含湿量、温度和压力分布

6.5影响纸机干燥能力参数的计算分析

6.6小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

本文创新点

参考文献

符号说明

博士论文期间发表的论文

致谢

附录A：一维对流干燥数学模型推导

附录B：一维对流干燥数学模型离散方程及其迭代方程