生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟-ingentaconnect.pdfVIP

第 30 卷 第 20 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.20 2014 年 10 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct. 2014 325 生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟 1 1※ 2 王会林 ，卢 涛 ，姜培学 （1. 北京化工大学机电工程学院，北京 100029 ； 2. 清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084 ） 摘 要：为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律，根据生物多孔 介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系，基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论，建立了 对流干燥条件下，含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计 算程序，对其进行数值计算，数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于 5%；进一步分 析了干燥特性曲线，以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布；最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔 介质厚度对干燥过程的影响，结果表明：在一定试验条件下，风温越高，风速越大，切片厚度越薄，干燥时间越 短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。 关键词：干燥；数值方法；耦合；传热传质；应力-应变；数值模拟 doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.20.039 中图分类号：TK121 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-20-0325-09 王会林，卢 涛，姜培学. 生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟[J].农业工程学报，2014，30(20)： 325－333. Wang Huilin, Lu Tao, Jiang Peixue. Mathematical model and numerical simulation of biological porous medium during hot air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(20): 325 －333. (in Chinese with English abstract) 的性质变化也是各不相同，所以承受这些应力的物 0 引 言 质结构可能超过其极限强度，产生“爆腰”，影响谷 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复 [7] [8] [9] 粒干燥后的品质。张强 、付志一等 ，梁莉等 ， 合介质，多孔介质传热传质过程在自然界和人类生 曹崇文[10]，孟阳等[11]、朱文学等[12]采用菲克扩散和 产、生活中广泛存在[1] 。国内外学者对毛细多孔介 傅里叶导热定律对多孔介质的温-湿度场进行求解， 质内热质迁移机制进行了数学描述[2-5] 。但是，由于 再将产生的热湿应力与黏弹性应力模型进行单向 多孔介质中的热质迁移是一个非常复杂的过程，常