多孔介质干燥孔道网络模型的研究进展

建立在物质微观传输基础上的孔道网络干燥理论，通过完全离散化的方法在孔道等级上对干燥过程进行研究，描述了多孔介质内部结构参数对干燥过程的影响。介绍了建立孔道网络模型的原理和方法，阐述了基于单元体上孔道网络研究的内容及目的，综述了基于产品等级上孔道网络研究的最新进展，阐明了孔道网络模型方法对干燥理论研究的重要意义。指出，进一步提高网络模型中孔道的拓扑等价性、形状的不规则性及尺寸的相关性，探索网络构建新方法以及增加孔道网络信息量，是孔道网络干燥理论的主要发展方向，并应加强同分形、渗流理论的进一步结合。     

砂粒堆积床恒温缓慢干燥的孔道网络模拟

对砂粒堆积床这一自然多孔介质的结构特性及孔道网络干燥模型进行了描述，并对砂粒堆积床结构参数与孔道网络模型参数进行了对应分析；建立了堆积床的孔道网络模型，并利用该模型进行了砂堆积床干燥过程的孔道网络模拟；模拟的结果与干燥实验数据进行了验证。     

多孔介质干燥过程的格子气自动机法模拟

介绍了格子气自动机模型的特点。应用该模型对多孔介质干燥过程的水分分布和干燥过程的特征进行了模拟,其结果可以给出多孔介质干燥过程液体分布的细节,也可得到表征多孔介质干燥过程的宏观特征曲线。初步研究表明:格子气自动机模型可用于模拟复杂边界条件的多孔介质体的干燥过程。     

冷冻干燥过程相迁移和相分布的孔尺度网络模型与模拟

构建了51×51二维孔-喉网络模型对冷冻干燥过程的升华干燥阶段进行模拟。与传统的连续介质模型相比，孔网络模型的特征是具有跟踪干燥过程中物料内部的干燥前沿和相分布的能力。采用网络模型预测了牛肉和火鸡肉的干燥曲线，并模拟了不同冻结速率的火鸡肉在干燥过程中形成的相分布。讨论了模型的计算特性，并分析了孔径分布对相分布特性的影响。结果表明：网络模型可较好地预测升华干燥阶段，可在孔尺度上揭示干燥过程的动力学机理，将为准确地判断升华干燥与解析干燥的转变点提供理论计算基础。     

基于毛细理论的含湿多孔介质内水分迁移过程

基于含湿多孔介质的水分蒸发过程及其内部毛细管水分的蒸发特性和毛细孔隙的分布规律，讨论了含湿多孔介质中孔径分布对水分蒸发过程的影响，加深了对含湿多孔介质水分蒸发过程的物理机制的认识：在多孔介质的降速干燥阶段，蒸发过程只在介质内部的某一蒸发区间内进行。     

功能性多孔介质中气泡输运调控的格子Boltzmann分析

为提高毛细蒸发海水淡化技术中的蒸发效率，多孔介质层需要维持一定的毛细压力，同时还要确保气泡能够快速通过。基于此背景，本文建立了多孔介质参数化模型，探究了气泡穿越多孔介质间隙过程的运动特征，研究在保持一定孔隙毛细压力的同时，通过调控孔道尺寸及排布从而使气泡能够更快速地通过多孔介质层。基于格子Boltzmann伪势模型分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡形貌、上升速度、与壁面平均接触面积及孔隙毛细力的影响，获得了多孔介质的孔隙率设计范围，骨架润湿特性调控以及孔道排布方式的选择依据。同时还获得了在实际蒸发过程中，可以使气泡存在一定的水平方向初速度，从而能够更快地脱离多孔介质的策略。     

干燥过程原理研究概况

介绍了多孔介质湿分迁移的液相流动、毛细流动、蒸汽流动、液相扩散、蒸汽扩散等理论的基本论点及其存在的不足。认为借用侵入渗流理论及孔道网络方法研究多孔介质的干燥问题，有望取得新突破。     

曲折因子与多孔介质微观结构的定性关系

采用三维网络模型对多孔介质中的两组分气体扩散过程进行了计算机模拟 .在考虑了多孔介质微观结构的前提下 ,分析了外界因素和多孔介质结构对曲折因子的影响 .结果表明 ,曲折因子仅与多孔介质的孔道连通性———网络配位数密切相关 ,而与孔道的几何尺寸、扩散温度、扩散物种及浓度无关 .经过Wicke -Kallenbach定态扩散实验验证了这一定性结论的可靠性 .     

多孔介质内部热质传递的等效耦合扩散模型的推导及其应用

基于Whitaker的体积平均方程，在不附加任何新的假设的基础上，对多孔介质内部热质传递的等效耦合扩散模型进行推导，得出了多孔介质内部热质传递的等效耦合扩散模型。并应用该模型对瓷质砖体干燥过程进行了数值模拟，模拟结果与实验结果十分吻合。     

具有预制孔隙多孔介质冷冻干燥的多相传递模型

基于局部质量非平衡假设,建立了多相多孔介质热、质耦合传递数学模型,理论验证具有预制孔隙的初始非饱和多孔物料对冷冻干燥过程的强化作用。模型考虑了多孔介质的吸湿效应,构建了3种吸附-解吸平衡关系。模型使用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件平台数值求解,并与实验数据进行了比较。结果表明,初始非饱和冷冻物料能够有效地强化冷冻干燥过程。采用不同函数形式的吸附-解吸平衡关系模拟的干燥曲线均与实验数据非常吻合。通过分析物料内部的饱和度、温度和质量源分布,探讨了初始非饱和物料冷冻干燥过程的传热传质机理。初始非饱和物料的干燥速率控制因素主要是传热。模拟考察环境辐射温度对冷冻干燥过程影响的结果表明,所建模型具有良好的预测能力。     

具有预制孔隙多孔介质冷冻干燥的多相传递模型

基于局部质量非平衡假设,建立了多相多孔介质热、质耦合传递数学模型,理论验证具有预制孔隙的初始非饱和多孔物料对冷冻干燥过程的强化作用。模型考虑了多孔介质的吸湿效应,构建了3种吸附-解吸平衡关系。模型使用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件平台数值求解,并与实验数据进行了比较。结果表明,初始非饱和冷冻物料能够有效地强化冷冻干燥过程。采用不同函数形式的吸附-解吸平衡关系模拟的干燥曲线均与实验数据非常吻合。通过分析物料内部的饱和度、温度和质量源分布,探讨了初始非饱和物料冷冻干燥过程的传热传质机理。初始非饱和物料的干燥速率控制因素主要是传热。模拟考察环境辐射温度对冷冻干燥过程影响的结果表明,所建模型具有良好的预测能力。     

含湿多孔介质的干燥特性

基于含湿多孔介质的水分蒸发过程及其内部毛细管水分的蒸发特性，分析了含湿多孔介质在干燥过程中发生体积收缩的原因．讨论了多孔介质的物性和外部干燥条件对其体积收缩特性的影响。     

多孔介质喷雾干燥过程的热质传递

多孔介质是大量干燥过程的主体，由于实际多孔介质干燥过程的复杂性，建立通用的干燥过程传热传质模型十分困难。本文通过分析喷雾干燥过程中高初始含湿多孔介质与干燥介质之间的传热传质机理以及各因素对传热传质的影响，根据马歇尔方程探讨了干燥介质与料雾之间的水蒸汽分压差在干燥过程中的变化情况，反映了多孔湿介质在喷雾干燥操作中的传热传质过程的几种特性，为确定实际生产中喷雾干燥器的操作奈件指明了新的出路。     

初始非饱和多孔物料冷冻干燥的数值模拟

为了提高冷冻干燥过程的经济性,本文主要对初始非饱和物料的冷冻干燥过程进行数值模拟。建立了二维含湿多孔介质冷冻干燥数学模型,使用COMSOL Multiphysics 4.3a软件进行求解。液体物料的主要溶质为甘露醇。提出两种新的吸附-解吸平衡关系,并与实验数据进行了对比,分析了其适用条件。结果显示,初始非饱和冷冻物料能够有效减少干燥时间,模拟结果与实验数据吻合良好。通过分析物料内部温度、饱和度分布得知,升华界面随着干燥过程的进行逐渐向物料内部转移,干燥过程也发生在物料冰冻区域。适当提高环境温度有利于强化整个干燥过程。     

膜流动对多孔介质等温干燥过程的影响研究

应用二维孔道网络方法,建立了多孔介质等温干燥膜流动数学模型,采用有限差分和连续超松弛迭代法对该模型进行了数值计算。计算结果表明：当毛细数很小时,膜范围变大,干燥速率加大;当毛细数很大时,膜流动几乎不起作用。通过分析指出,当毛细力控制整个干燥过程时,膜流动是一个重要的传输机制。     

具有电介质核心多孔介质微波冷冻干燥过程的耦合传热传质的数值研究

利用变时间步长的有限体积法对具有电介质核心多孔介质微波冷冻干燥的耦合热质传递过程进行了数值模拟。计算结果表明：在有电介质核的多孔介质内部存在着两个升华界面,该双升华界面模型成功地模拟了该干燥过程：合理的选用电介质核心可以大大缩短干燥时间,对于几个大小分别为1．0,1.5,2．0和2．5mm的电介质核,其单位体积所需干燥时间同无核相比分别减少了8％,19％,33％,48％：在相同的电场强度下,电介质核的损耗系数越大,所需干燥时间越短。     

多孔介质对流干燥机理及其模型

在对现有的多孔介质对流干燥传热、传质模型归类分析的基础上,从介质内部热湿迁移机制出发,建立了能较完善、较准确地描述多孔介质在恒速段及降速段热质传递规律的“三耦合-六场量”混合理论模型.同时针对干燥问题数值模拟中的移动边界问题,提出了一种迭代修正的思想,并发展了相应的数值计算方法.对砖的干燥模拟计算结果表明,本文的模型较其他模型具有更好的精确性.     

高初始含湿多孔介质喷雾干燥过程的热质耦合传递

多孔介质是大量干燥过程的主体,由于实际多孔介质干燥过程的复杂性,建立通用的干燥过程传热传质模型十分困难。通过分析喷雾干燥过程中高初始含湿多孔介质与干燥介质之间的传热传质机理以及各因素对传热传质的影响,根据马歇尔方程探讨了干燥介质与料雾之间的水蒸汽分压差在干燥过程中的变化情况,反映了多孔湿介质在喷雾干燥操作中的传热传质过程的几种特性,为确定实际生产中喷雾干燥器的操作条件指明了新的出路。     

泡沫液在均质多孔介质内动态驱替过程的二维数值模拟研究

利用随机泡沫数目守恒模型,针对具有收缩进口及收缩出口的均质多孔介质二维模型,对泡沫流体驱替突破前的动态过程开展了数值模拟研究。采用IMPES方法对二维两相泡沫动态驱替过程的控制方程组进行求解,通过液相压力、液相饱和度、气泡数目等参数在多孔介质内的分布结果对泡沫动态驱替特性进行了分析研究。数值模拟结果表明,泡沫驱替过程显示出明显的入口效应,其压力分布、液相饱和度及泡沫数目分布随气体与活化剂溶液在缩小入口的注入呈现明显的发展过程。在泡沫液未完成驱替突破的情况下,缩小出口未显示出对泡沫液驱替特性的影响。数值计算结果与相应实验结果趋势一致,表明所采用的随机泡沫数目守恒模型能够正确表征多孔介质中泡沫的生成及湮灭机理,进而对泡沫液在均质多孔介质内的动态驱替特性进行准确模拟和预测。     

泡沫液在均质多孔介质内动态驱替过程的二维数值模拟研究

利用随机泡沫数目守恒模型,针对具有收缩进口及收缩出口的均质多孔介质二维模型,对泡沫流体驱替突破前的动态过程开展了数值模拟研究。采用IMPES方法对二维两相泡沫动态驱替过程的控制方程组进行求解,通过液相压力、液相饱和度、气泡数目等参数在多孔介质内的分布结果对泡沫动态驱替特性进行了分析研究。数值模拟结果表明,泡沫驱替过程显示出明显的入口效应,其压力分布、液相饱和度及泡沫数目分布随气体与活化剂溶液在缩小入口的注入呈现明显的发展过程。在泡沫液未完成驱替突破的情况下,缩小出口未显示出对泡沫液驱替特性的影响。数值计算结果与相应实验结果趋势一致,表明所采用的随机泡沫数目守恒模型能够正确表征多孔介质中泡沫的生成及湮灭机理,进而对泡沫液在均质多孔介质内的动态驱替特性进行准确模拟和预测。