冻干保存中相变传热过程的数值仿真研究

发布时间：2023-11-11 09:07

　　冷冻干燥技术在生物医疗领域已经得到了广泛的研究和应用,冻干保存中的各个阶段均涉及复杂的相变传热过程,详细研究生物材料冻干保存中的相变传热特性对提高冻干产品质量有重要意义。本文依据冻干保存的热物理机制,建立了生物材料冻干保存全周期(冻结、升华干燥和解析干燥)的仿真模型,对冻干保存中的传热传质及结晶、升华等相变过程的数值仿真方法进行了研究,依据仿真结果,详细的分析了冻干条件对生物材料干燥时间、残余水含量的影响规律。具体工作包括:(1)对冻结过程的相变传热原理与仿真方法进行了研究。根据降温过程中的传热以及非等温结晶动力学原理,运用有限元法对物料的冻结过程进行建模,模拟了降温过程中物料的温度分布与变化规律,预测冻结过程中细胞悬浮液内部冰晶分布与生长情况。另外,基于此方法对装料高度不同的细胞悬浮液的结晶情况进行预测,确定合适的装料高度。(2)对升华干燥过程的传热传质原理与仿真方法进行了研究,基于描述升华干燥过程的多维动态数学模型,运用有限元法与动网格技术结合的方式对升华干燥的传热传质以及相变过程进行建模,模拟升华干燥过程的材料内部升华界面、温度、压强以及结合水含量的动态变化过程,分析了冻干条件对...

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 冻干保存的基本物理过程
    1.3 冷冻干燥技术的历史与现状
    1.4 冻干过程数值仿真研究国内外研究现状
        1.4.1 冻结相变传热过程研究
        1.4.2 干燥相变传热过程研究
    1.5 研究内容
    1.6 论文结构
第二章 冻结过程的数值仿真研究
    2.1 冻结原理
    2.2 理论模型
        2.2.1 控制方程
        2.2.2 初始条件与边界条件
    2.3 数值仿真方法研究
        2.3.1 几何建模
        2.3.2 网格划分
        2.3.3 求解设置
    2.4 验证实验
        2.4.1 实验方法
    2.5 结果与分析
        2.5.1 数值与仿真结果对比
        2.5.2 温度分布情况
        2.5.3 冰晶生长情况
        2.5.4 装载厚度对物料结晶度的影响
    2.6 本章小结
第三章 升华干燥过程的数值仿真研究
    3.1 升华干燥原理
    3.2 理论模型
        3.2.1 传热控制方程
        3.2.2 传质控制方程
        3.2.3 升华界面的移动方程
        3.2.4 初始条件与边界条件
    3.3 数值仿真方法研究
        3.3.1 几何建模
        3.3.2 升华界面的移动控制方法
        3.3.3 网格划分
        3.3.4 求解设置
        3.3.5 网格优化
    3.4 数值仿真结果与分析
        3.4.1 升华界面移动
        3.4.2 温度场的动态分布
        3.4.3 压力场的动态分布
        3.4.4 结合水解析变化情况
        3.4.5 干燥条件对干燥时间的影响
        3.4.6 干燥条件对结合水的影响
    3.5 本章小结
第四章 解析干燥过程的数值仿真研究
    4.1 理论模型
        4.1.1 控制方程
        4.1.2 初始条件与边界条件
    4.2 数值仿真方法研究
        4.2.1 几何模型
        4.2.2 网格划分
        4.2.3 求解设置
    4.3 数值仿真结果与分析
        4.3.1 温度场的动态分布
        4.3.2 压力场的动态分布
        4.3.3 结合水解析变化情况
        4.3.4 干燥条件对总干燥时间的影响
    4.4 实验验证
        4.4.1 实验仪器与材料
        4.4.2 实验过程与方法
        4.4.3 结果分析
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
致谢
参考文献
附录
攻读硕士学位期间取得的研究成果



本文编号：3862339