基于多尺度理论的颗粒堆积多孔介质干燥热质传递机理分析与模型构建

In view of the fact that the traditional drying model can not fuse the microscale drying characteristic information effectively, the multi-scale theory is applied to analyze the drying process of particle packing porous media, and a pore network model for drying of particle packing porous media, which can simulate not only the multiphase flow transfer process in particle packing porous media at macroscale but also the molecular transfer process in particle micropore at microscale, is developed in this project. An experimental study on drying of particle packing porous media is conducted in order to validate this model, and the experimental data will be compared with the simulation results. The research emphases are as follows: 1) the microscale effect on the drying process based on the molecular transfer characteristic in particle micropore, which includes the capillary effect, Kelvin effect, liquid film flow, rarefied flow, moisture absorption of skeleton and so on, is taken into account by coupling the momentum, energy and mass equations; 2) the effect of shrinkage and structure characteristics on the drying process is considered by obtaining the rule of particle packing structure transformed into the pore network; 3) the difference of particle packing hole and pore at different scale is taken into account by distinguishing the mechanism of heat and mass transfer at different scale, and the corresponding heat and mass transfer theory is applied to describe the transfer process of particle packing porous media drying. The information correlation point between the two adjacent scales is found out to fuse the corresponding heat and mass transfer information; 4) the multi-scale data of drying characteristic will be given and the wet group phenomenon will be described effectively in this project model. The success of this project will lay a foundation for the multi-scale prediction and control of drying process and the analysis and optimization of drying quality, and offer some beneficial help for the study of common heat and mass transfer of porous media.

针对传统干燥模型不能有效融合微孔隙尺度下的干燥特性信息等问题，本项目拟运用多尺度理论分析颗粒堆积多孔介质干燥过程，建立不仅能够对大尺度颗粒堆积多孔体内多相流体(液、汽、气)传输过程进行模拟，而且同时能够对其小尺度颗粒微孔隙内分子传递过程进行模拟的孔道网络模型。其研究重点：1）基于微孔隙内分子传递特性，耦合动量、能量和质量控制方程，考虑微尺度效应对干燥过程的影响；2）获得颗粒堆结构特征用孔道网络表达时的规律，考虑物料收缩和结构特性对干燥过程的影响；3）考虑颗粒堆中不同尺度下的孔隙差别，区分不同尺度下的热质传递机理，运用相应的热质传递理论描述其传递过程；并找出各相邻尺度间的信息关联点，进行热质传递信息的融合；4）模型可同时给出多个尺度的干燥特性数据；能有效描述"湿团"现象。本项目的完成可为干燥过程的多尺度预测与控制、干燥品质的分析与优化奠定基础；也可为多孔介质一般热质传递问题研究提供有益借鉴。

针对传统干燥模型不能有效融合微孔隙尺度下的干燥特性信息，不区分多孔介质骨架与孔隙的差别及模拟给出的干燥数据尺度单一等问题，本项目运用多尺度理论进行了颗粒堆的结构特征分析和尺度划分，建立了颗粒堆积多孔介质干燥的多尺度孔道网络物理模型；对物料的结构特性参数与模型的结构描述参数作了对应分析，找出了“物料-模型”参数对应的方法，得到了用孔道网络表达颗粒堆结构特征的一般规律；基于物理模型，在相应各尺度上对干燥过程进行了热质传递机理分析，推导得到了各尺度上的控制方程；进行了各相邻尺度之间的热质交换分析，推导得到了尺度间相互作用与衔接的关系式；建立了颗粒堆积多孔介质干燥不同尺度下热质传递过程的数学模型；选用典型颗粒堆积多孔介质稻谷/玉米进行干燥试验，考察了其干燥动力学过程；求解了模型各数学方程，讨论其初始、边界条件，给出了方程中各参数的确定方法；自行编程开发设计了模型的求解软件，并运行程序模拟了在各种情况下的颗粒堆积多孔介质干燥过程。模拟得到的各尺度干燥数据如仓内稻谷平均湿含量、温度变化曲线和单颗粒干燥曲线等反映了其干燥过程的实际情况；在干燥过程中，多孔介质颗粒稻谷温度比相应孔隙汽相温度低2K左右，传统干燥理论不区分颗粒骨架与孔隙的差别是不妥的；在骨架颗粒内传热比传质速率快很多，颗粒内存在较大的水分梯度；微孔隙中水分子的内聚力及微浸润壁面的吸附力使得孔内水分表面呈弯月状，即产生开尔文效应；稻谷胚扩散系数对干燥的影响很大，其次是稻谷壳扩散系数，稻谷衣扩散系数影响最小；较小的胚扩散系数可将湿分有效地“囚禁”在胚内，使湿分较难从颗粒内迁移到表面。本项目研究结果进一步丰富了干燥科学基础理论，揭示了干燥过程与物料孔隙及组织结构之间的关系，为干燥过程的多尺度预测与控制、干燥品质的分析与优化奠定了基础；也为多孔介质一般热质传递问题的研究提供了有益借鉴。这对提高干燥效率与品质、降低能耗和提高经济效益等方面都具有重要的理论与科学意义。