植物多孔介质快速干燥过程微细结构变化的分形特征及对热质传递影响机制

The drying shrinkage characteristics is general for porous materials, especially for the rapid drying process of typical deformable porous media such as plant leaves. The drying shrinkage of porous materials resulted in significant variation of microstructure, which in turn influence heat and mass transfer of drying process. Now, few study works pay attention to the interaction between microstructure variation and heat and mass transfer. Exploration on this problem is helpful for the drying theory development on deformable porous media. The present work will investigate the regularity variation of porous medium microstructure and its fractal features,by using microscopic image measurement and fractal method. Furtherly, by developing a drying model involving the microstructure characteristics of porous media, the study will combine model analysis with experiment to illuminate the effects mechanism of microstructure change on heat and mass transfer during drying process. The study not only has theoretical significance, but also can supply technical foundation for optimization of drying process.

多孔材料干燥过程收缩形变现象普遍存在，尤其对片基植物材料等典型可变形多孔介质的快速干燥过程。收缩形变导致的多孔介质内部孔隙尺度上微细结构变化，同时又影响着干燥热湿传递过程。对干燥过程介质的微细结构变化特征及与热质传递间的相互影响，目前关注较少。对此问题的深入探讨，有助于完善和发展可变形多孔介质干燥理论。本课题拟针对片基植物多孔介质，通过显微CT成像等微观测试手段，结合分形几何分析方法，研究快速干燥过程中介质微细结构变化规律及分形特征；通过建立考虑微细结构特征的干燥模型，将模拟分析与试验相结合，研究阐明干燥过程多孔材料微细结构特征变化对热质传递的影响机制，为可变形多孔介质干燥理论完善发展提供重要支持，并为该类多孔介质干燥过程优化传热传质提供基础支撑。

多孔介质干燥普遍存在于能源、环境、材料、化工、生物和农业等领域，而农产品、药材、食品等诸多加工过程广泛涉及植物类多孔材料的干燥。除构成多孔介质各相的自身物性外，其内部骨架和孔隙形态、尺寸及分布等微观几何结构特性被认为是影响干燥传热传质过程的关键因素。对植物基多孔材料等可变形多孔介质，干燥过程在温湿度变化引起的应力作用下存在明显的收缩现象，尤其是柔性的片基植物材料，快速干燥过程中极易产生收缩形变，导致其孔隙尺度上的微细结构产生显著变化。这一干燥过程微细结构的变化同时又影响着物料内部的热质传递路径。而对于干燥过程多孔介质孔隙尺度上的微细结构变化特征及与热质传递间的相互影响，目前关注较少。对上述问题的深入探讨，对于可变形多孔介质干燥理论的完善和发展具有重要意义。.基于此，本项目研究阐明了3种典型片基烟草生物质和切片茄子等植物多孔介质材料在快速对流干燥过程中的微观结构变化特征，并分析了不同多孔材料孔隙结构变化的分形特征；建立了可考虑植物多孔介质干燥收缩的宏观薄层干燥动力学模型，同时通过构建植物多孔介质规则化的二维物理孔道结构，建立了可考虑植物多孔介质干燥收缩的微观单颗粒干燥模型；通过模型拟合与试验分析，探明了干燥收缩对多孔介质干燥过程水分扩散的影响规律。项目研究不仅有助于完善可变形多孔介质干燥理论，并可为该类多孔介质干燥过程优化传热传质、干燥品质改善提供理论和技术支持，具有重要工程应用价值。项目研究期间，发表论文16篇，其中SCI收录3篇，EI收录7篇，中文核心3篇，国际会议论文3篇。申请并获授权专利2项。培养硕士生2名。