多孔介质干燥分子尺度模型及模拟研究

摘要

多孔介质干燥过程包括热量传递过程和质量传递过程，从上个世纪初，国内外许多学者已经开始对干燥时多孔介质内部的湿分传递过程进行了研究。但由于多孔介质内部孔隙尺度细微、具有复杂的容水结构、湿分传递过程物理机制种类繁多及传输过程无法直接观察等诸多原因，一直没有模型能够较好地描述被干燥的多孔介质内部湿分的迁移过程。影响湿分传递速率的主要因素就是扩散系数，而现有的研究方法大多是靠经验系数或经验方程计算得到湿分的扩散系数，并且采用常规的实验手段也很难准确测量得到扩散系数。因此，针对多孔介质干燥传质机理复杂、扩散系数不易确定等问题，本文采用分子动力学（MD）模拟方法来分析在微孔隙直径小于10-7m条件下的多孔介质干燥湿分扩散过程并获取湿分的扩散系数。
　　（1）多孔介质干燥分子尺度物理模型构建。分析多孔介质干燥过程，将分别考虑两种扩散形式下湿分在多孔介质微孔隙内的扩散过程，在干燥前期阶段孔隙中含有大量的液态水分，湿分扩散形式主要以液态水分扩散为主；在干燥后期阶段液态水分大部分蒸发成水蒸气存在于孔隙中，此阶段湿分扩散形式主要以水蒸气在空气中扩散为主。建立多孔介质干燥分子尺度物理模型，包括液态水分与孔隙壁面润湿过程物理模型、微孔隙内液态水分扩散模型和微孔隙内水蒸汽在空气中扩散模型。
　　（2）多孔介质干燥分子尺度模拟数学模型。推导模拟体系分子运动方程，并且选择Verlet算法作为分子运动方程的数值求解方法；然后建立体系原子间的势函数模型；最后推导出润湿过程接触角计算数学模型和扩散的微观数学模型（Einstein模型和Green-Kubo模型）。
　　（3）多孔介质干燥分子尺度模型求解。设计模型求解程序，运用（MD）方法对液态水分与孔隙壁面润湿过程模型和多孔介质干燥微孔隙内湿分扩散模型进行模拟求解，同时给出求解的程序参数设定和模型求解流程图，并对程序架构进行解释说明。
　　（4）模拟结果及模型验证。对水滴润湿孔隙壁面过程进行模拟，确定了微孔隙内液态水分扩散模型的孔隙壁面厚度、孔隙壁面原子作用势能及粗糙孔隙壁面表面几何形貌。对多孔介质干燥微孔隙内液态水分扩散过程进行模拟，再现了其微孔隙内水分扩散的“开尔文效应”现象，模拟结果表明本文建立的多孔介质干燥微孔隙内液态水分扩散分子动力学模型能较好地模拟计算土豆切片干燥水分扩散系数，其模拟与实验测得的扩散系数最大相对误差为8.6％；多孔介质干燥过程中，温度、微孔隙直径、壁面粗糙度和相面积分数等对水分在微孔隙内的扩散过程有重要影响；随着温度的升高，微孔隙直径和相面积分数的增大，壁面粗糙度的减小，多孔介质干燥水分扩散系数随之相应增大。对多孔介质干燥微孔隙内水蒸气在空气中扩散过程进行模拟，结果表明温度对微孔隙内水蒸气在空气中的扩散系数影响不大；随着蒸气量的增加，微孔隙内水蒸气在空气中的扩散系数逐渐减小。综合考虑存在两种扩散形式的微孔内湿分的扩散系数，可知在整个干燥过程中湿分迁移的主要阻力来自于液态水分的扩散。

目录

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和方法

2 多孔介质干燥分子尺度物理模型构建

2.1 多孔介质干燥过程及分析

2.2 多孔介质干燥孔隙内的微观现象

2.3 多孔介质干燥分子尺度物理模型

2.4 本章小结

3 多孔介质干燥分子尺度模拟数学模型

3.1 模拟体系分子运动方程

3.2 分子运动方程的数值积分算法

3.3 势函数的模型

3.4 润湿过程接触角计算数学模型

3.5 扩散的微观数学模型

3.6 本章小结

4 多孔介质干燥分子尺度模型求解

4.1 时间步长和步数的确定

4.2 模拟单位系统

4.3 模拟系统的系综

4.4 模拟边界条件

4.5 势函数的截断近似处理方法

4.6 模拟体系的温度控制方法

4.7 模拟设备与软件

4.8 模拟流程和程序架构

4.9 本章小结

5 结果分析与讨论

5.1 水滴润湿壁面过程模拟结果分析

5.2 微孔隙内液态水分扩散模拟结果分析

5.3 微孔隙内水蒸气在空气中扩散模拟结果分析

5.4 综合考虑存在两种扩散形式的微孔内湿分的扩散系数

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

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