多孔介质干燥理论教程.pptVIP

* 丁小明（2003）结合多孔介质干燥的侵入渗流理论建立了孔道网络的湿份扩散模型，并进行了计算机模拟，给出了不同时刻的相分布图和液体饱和度变化曲线图。此外，进行了干燥试验研究，并对模拟及试验结果进行了对比。 * * * * * * * * 多孔介质干燥的多尺度特征——时间尺度 时间尺度 多孔介质在细尺度下传递过程具有特殊性。 例如： 干燥中的非费克效应、非傅立叶效应与时间尺度密切相关。 非费克效应：两种高浓度组分突然接触、表面突然受热造成瞬间蒸发产生的水分迁移等过程中包含瞬态扩散传质。这种传质现象不能用传统的经典理论解释。 非傅立叶效应：在极端热、质传递条件下，以及微时间/空间尺度条件下的传热/传质中，会出现不遵循Fourier定律的热传递效应，称为非傅立叶效应。 这两种细观的空间、时间尺度的效应在干燥中都有可能存在，是传统方法无法观察和解决的。 多孔介质干燥的孔道网络模拟 气相 液相 二维模型，孔道半径服从对数正态分布，湿分可从上部 进行传递，其余三面封闭 随着干燥的进行，越来越多的孔道由液相变为气相 干燥的最后结果：全部孔道被蒸发，液相消失 孔道网络不同时刻的相分布模拟图（丁小明 刘相东, 2003） 什么是分形 Mandelbrot在20世纪70年代首次在探讨英国的海岸线有多长这个问题时提出了分形理论，分形指在形态或结构上存在着相似性的几何对象。一般来说，某一几何对象称为分形，应具有以下典型性质： 具有不规则性。其整体和局部都不能用经典几何语言来描述。 具有自相似性。即整体与局部具有严格或统计意义上的相似性。 维数：几何对象中一个点的位置所需要的独立坐标数目。 分维（分形维数）——描述不规则物体或分形物体的主要指标 分形模型 Koch曲线 随机Menger海绵模型 图5 二维三维分形曲线举例 分形理论在多孔介质干燥中的应用 多孔介质的结构形状大多具有分形特征，可利用分形理论进行研究，目前分形多孔介质进行的研究主要集中在：水利、地质、热能、冶金、建筑土木、土壤、石油、材料等领域。研究内容主要体现在如下几个方面： 运用分形描述多孔介质物理性质，如容积密度、孔隙尺寸分布、孔隙表面积、颗粒尺寸分布、团粒尺寸分布、土壤自然结构体形状、土壤微貌； 运用分形对多孔介质的空间变异性进行定量研究 运用分形模型模拟多孔介质的物理过程：渗流、压汞过程、传热、吸收、扩散、水分与溶液的传输、破碎等。 多孔介质内湿分传输研究现状 目前尚无分形几何学运用于多孔介质内湿分传输过程研究的报道。但可以预测，分形几何是研究多孔介质传热传质过程的有效工具。其中，利用分形模型模拟多孔介质中的湿分迁移过程是一个很有潜力的研究方向，我们目前正在进行这方面的探索。 我们的研究中所采用的基本步骤为： （1） 采用Voronoi镶嵌法建立由固体物质骨架和孔道构成的二维分形 孔道网络模型。液、汽、气三相均在孔道中进行迁移； （2） 骨架由许多互不相连的碎片组成，碎片的形状为多边形，相邻碎 片之间的孔隙即为孔道。孔道由多级孔道网络组成，具有分形特 征。不同的级别的孔道宽度不同； （3） 建立孔道内部的热质传递数学模型并在相应边界条件下求解，得 出任意时刻孔道网络内部的湿分分布和湿分饱和度； （4） 经数据分析和处理最后获得干燥速率曲线。 分形孔道网络计算土豆的干燥过程（杨彬彬 刘相东, 2003） 结论： 多孔介质干燥中的湿分迁移过程中各种模型建立形式及方法 连续介质模型 将多孔介质假设为虚拟连续介质，划分单元体计算。不能考虑到真实多孔介质的不同结构特性，传输系数依赖实验，不能描述湿分在介质内部迁移过程。 体积平均方法及空间平滑技术 选取代表性单元体并运用空间平滑技术计算孔道内的流动，可以直接运用已知的流动系数，能考虑到多孔介质的细观结构，求解较为容易，对介质的均匀性和各向同性要求较高。 孔道网络方法 完全离散化，将多孔介质实际孔道网络规则化求解。对多孔介质的拓扑结构全部加以考虑，可获得更多干燥特性并进行可视化研究。有待进一步深入研究。 多尺度方法 尺度划分并耦合，对多孔介质类复杂性系统的空间和时间不同尺度下特征加以模拟， 分形理论 运用分形几何学，通过对实际多孔介质特征分析提取出能代表热质传递特性的特征参数，实验测定特征参数。在此基础上通过剖分数的选择构造孔道网络模型。 多孔介质干燥研究的展望 孔道网络方法具有直观性，完全离散化，可将被干燥物质细观结构的影响直接考虑到模型中，网络规则化使计算简单化，可以分析孔道结构参数对干燥速率的影响，代表着干燥理论的新的发展方向。 多孔介质作为宏观上的虚拟连续体，按照多尺度理论从介观和微观尺度去认