含髓心方材高频真空干燥传热传质及数值分析

发布时间：2017-04-27 02:01

  本文关键词：含髓心方材高频真空干燥传热传质及数值分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：木材干燥是木材加工过程中极其重要的环节之一。快速、高效、高品质干燥技术的开发及实施,对于改善木材性能、提高木质品质量、延长其使用寿命、高效利用木材、节约能源、保护环境等具有重要意义。木材高频真空干燥就是一种干燥速度快、品质高的先进技术,但由于干燥过程中木材温度和含水率等重要参数难于检测,使得即使有适宜的干燥工艺也难以可靠实施,因而该技术难以在木材干燥生产过程中实际推广。因此本文以多孔材料传热传质理论为基础,结合高频真空干燥特点,从理论上分析了高频真空干燥过程中含髓心方材内部水分及热量的传递机理；通过质量、能量守恒方程等建立了高频真空干燥过程中木材内部热质迁移一维数学模型；通过数值分析方法对控制方程进行求解,系统研究了高频真空干燥过程中木材内部含水率、温度、水蒸气压力、密度等参数的变化规律和分布规律。研究结果可为干燥过程的精准自动控制奠定基础,为干燥工艺的改进及可靠实施提供必要的信息。研究的主要内容和结果概括如下：详细阐述了高频真空干燥过程中木材内部水分及热量的传递机理：对于长度短于2000mm、断面大于120mm的方材,自由水和水蒸气主要是在总压力梯度作用下以渗流方式沿纤维方向向外迁移,大部分水分是先蒸发,然后以蒸气形式向外迁移；热量主要以热传导形式由内向外传递。将菲克定律与达西定律统一起来,通过理论推导,利用扩散方程表达渗流形式。对物理模型进行合理的简化与假设,考虑木材内部各相的动量、质量、能量守恒关系,建立了高频真空干燥过程中含髓心方材的一维传热传质非线性耦合数学模型。该模型以时间和空间为自变量,含水率、温度、水蒸气密度、水蒸气压力、体积蒸发率等参数为因变量。根据Whitaker体积平均理论,利用控制容积法对数学模型和其边界条件的控制方程进行离散,采用显示差分法获得线性离散方程组,运用MATLAB编程对模型进行了数值模拟。该模型与传统模型相比的优势在于：传统模型将所有因变量整合到质量守恒、能量守恒两个方程中,各因变量相互耦合,难于求解甚至因为因变量个数多于方程个数而无法求解。本文所建立模型中每个因变量都有各自独立的控制方程,原本相互耦合的因变量按步骤解耦,每个因变量均可以独立求解；传统模型求解时含水率及温度随时间变化曲线仅用平均值表示。本文将试材沿长度方向分成若干区域,计算结果可表示为不同区域各参数随时间变化曲线,因此能把握整个干燥过程中木材内部各参数的分布变化规律。通过改变模型参数,研究了木材渗透率、长度、初始含水率、高频功率密度和控制温度等对木材含水率、温度变化规律和分布规律的影响。结果表明：以上参数对木材干燥时间、干燥速度、温度都具有一定的影响,其中高频功率密度、渗透率影响较大,相同环境压力和木材控制温度条件下,高频功率密度越大,温度上升速度越快、干燥时间越短、干燥速度快；渗透率越高,干燥时间越短、干燥速度快,温度上升速度越慢。以日本柳杉(Cryptomeria japonica)为试验材料,测量了不同时刻不同位置的含水率与温度值,并且对比分析了相应位置的试验测量值和模型计算模拟预测值的变化规律。结果显示：试验结果和模拟结果拟合较好,数值计算结果较准确,能够预测高频真空干燥过程中温度、含水率的变化规律及其热质转移过程。
【关键词】：含髓心方材 高频真空干燥 传热传质 数学模型 差分方程 数值分析
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S782.31
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-27
• 1.1 引言14
• 1.2 高频真空干燥原理14-16
• 1.2.1 高频加热原理14-16
• 1.2.2 真空干燥原理16
• 1.3 高频真空干燥优缺点16-19
• 1.3.1 高频干燥优缺点16-18
• 1.3.2 真空干燥优缺点18
• 1.3.3 高频真空干燥优缺点18-19
• 1.4 多孔材料传热传质数值分析方法19-21
• 1.5 干燥模型基本理论21-23
• 1.6 国内外高频真空干燥及传热传质数学模型的研究现状23-25
• 1.6.1 国外研究现状23-24
• 1.6.2 国内研究现状24-25
• 1.7 本研究目的意义25-26
• 1.8 主要研究内容26
• 1.9 研究的创新点26-27
• 2 高频真空干燥过程中木材内部传热传质机理27-38
• 2.1 连续介质理论27-30
• 2.1.1 理论概述27
• 2.1.2 多孔材料传热传质重要参数27-30
• 2.2 木材高频真空干燥传热传质机理30-33
• 2.2.1 木材高频真空干燥传质机理30-32
• 2.2.2 木材高频真空干燥传热机理32-33
• 2.3 水分的扩散与渗流33-34
• 2.4 高频加热机理34-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 高频真空干燥传热传质控制方程38-52
• 3.1 模型假设38
• 3.2 表征体积单元38-39
• 3.3 传热传质控制方程39-46
• 3.3.1 液相水质量守恒方程39-40
• 3.3.2 水蒸气质量守恒方程40-41
• 3.3.3 热力学关系式41-42
• 3.3.4 能量守恒方程42-46
• 3.4 定解条件46-51
• 3.4.1 几何条件47
• 3.4.2 初始条件47-48
• 3.4.3 边界条件48-49
• 3.4.4 表面传热传质系数49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 高频真空干燥传热传质模型数值解52-68
• 4.1 连续区域网格划分52-53
• 4.2 数学模型差分方程53-67
• 4.2.1 含水率差分方程53-57
• 4.2.2 水蒸气密度、水蒸气压力、相对湿度差分方程57-58
• 4.2.3 体积蒸发率差分方程58-60
• 4.2.4 温度差分方程60-66
• 4.2.5 表面蒸发率66-67
• 4.3 本章小结67-68
• 5 高频真空干燥影响因素分析68-85
• 5.1 渗透率对含水率及温度变化曲线的影响68-71
• 5.1.1 干燥条件68
• 5.1.2 计算结果分析68-71
• 5.2 初始含水率对含水率及温度变化曲线的影响71-74
• 5.2.1 干燥条件71
• 5.2.2 计算结果分析71-74
• 5.3 试材长度对干燥曲线及温度曲线的影响74-78
• 5.3.1 干燥条件74-75
• 5.3.2 计算结果分析75-78
• 5.4 高频功率密度对干燥曲线及温度曲线的影响78-81
• 5.4.1 干燥条件78
• 5.4.2 计算结果分析78-81
• 5.5 控制温度对干燥曲线及温度曲线的影响81-84
• 5.5.1 干燥条件81
• 5.5.2 计算结果分析81-84
• 5.6 小结84-85
• 6 试验结果与模拟计算结果对比分析85-99
• 6.1 试验装置、材料及方法85-87
• 6.1.1 试验装置85
• 6.1.2 试验材料85-86
• 6.1.3 试验方法86-87
• 6.2 模拟计算结果87-94
• 6.2.1 干燥条件87
• 6.2.2 含水率模拟结果87-88
• 6.2.3 温度模拟结果88-89
• 6.2.4 水蒸气压力模拟结果89-91
• 6.2.5 水蒸气密度模拟结果91-92
• 6.2.6 体积蒸发率模拟结果92-93
• 6.2.7 表面蒸发率模拟结果93-94
• 6.3 实测值与模拟值对比分析94-98
• 6.3.1 含水率对比分析94-96
• 6.3.2 温度对比分析96-98
• 6.4 本章小结98-99
• 结论99-101
• 参考文献101-108
• 附录1108-112
• 附录2112-115
• 攻读学位期间发表的学术论文115-116
• 致谢116-117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李晓玲,小林功,黑田尚宏,高瑞清;日本柳杉髓心方材高频真空干燥试验[J];北京林业大学学报;2005年S1期

2 王廷魁,时维春;木材微波干燥的极化理论[J];东北林业大学学报;1988年03期

3 赵广杰,戴芳夭,王金满;木材的介电弛豫和分子运动[J];东北林业大学学报;1993年06期

4 王金忠，崔永毅，孔祥谦;贴附射流蒸发传质法确定多孔介质热质扩散系数测定方法的研究[J];哈尔滨船舶工程学院学报;1994年04期

5 归柯庭，韩吉田，施明恒;用恒热流法测定多孔介质的热质迁移特性参数[J];计量学报;1995年04期

6 李晓玲,高瑞清,黑田尚宏,小林功;人工林杨木的高频真空干燥工艺[J];木材工业;2004年04期

7 刘昌铎;木材微波干燥技术[J];木材工业;1996年03期

8 杨洲,段洁利;微波干燥及其发展[J];粮油加工与食品机械;2000年03期

9 雷树业,郑贯宇;含湿多孔介质传热传质三参数渗流模型研究方法[J];清华大学学报(自然科学版);1997年02期

10 蒋礼;多孔介质预热过程的水分流和热流研究[J];岳阳师范学院学报(自然科学版);2000年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 陶斌斌;多孔介质对流干燥传热传质机理的研究及其数值模拟[D];河北工业大学;2004年

2 肖辉;高频真空干燥过程中木材的热质传递特性[D];东北林业大学;2009年

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本文编号：329653