超声波促进木材干燥过程中边界层内部热质传递机制

Boundary layer at wood surface is the microenvironment for heat and mass transfer during the drying process. Its thickness directly impacts heat and water transfer. Ultrasound could change the characteristics of the boundary layer, and impact the heat transfer and water evaporation at wood surface. The previous research indicates that ultrasound could improve the water migration rate and the heat transfer coefficient within boundary layer by 110% and 125% respectively. However, its mechanism is unclear. Combining with the boundary layer theory, the influence mechanism of ultrasound on the thickness of boundary layer at wood surface will be studied by researching on the temperature field, pressure field and velocity field at wood surface. The impacts of ultrasound on convective heat transfer coefficient and heat conductivity coefficient at wood surface will be discussed, and the heat transfer model will be established to reveal the strengthening mechanism of ultrasound on heat transfer within wood boundary layer. The influence of ultrasound on the mass transfer coefficient, the synergistic effect mechanism of temperature and relative humidity distribution, and cavitation bubble effect on water transfer will be studied. The water transfer model will be established to reveal the water transfer mechanism within boundary layer. This project is significant to optimize boundary layer theory during wood ultrasound drying, it can promote the formation of wood ultrasound drying theory and provide a new way to decrease the drying energy and increase the drying efficiency.

边界层是干燥过程中木材表面热质传递的微环境，其厚度直接影响热量和水分传递速率。超声波能改变边界层特性，进而影响木材表面热量传递和水分蒸发。本课题前期研究发现，超声波可提高边界层内部水分迁移速率110%和传热效率125%，但其作用机理尚未明确。本项目拟通过研究不同条件下木材表面的温度场、全压场和速度场，结合边界层理论，揭示超声波对边界层厚度的影响机制；探究超声波对木材表面对流换热系数和导热系数的促进规律，并构建边界层内部热量传递模型，揭示超声波对边界层内部热量传递的强化机制；探讨超声波对传质系数的影响规律，并揭示边界层内部温度、相对湿度分布和空化气泡对水分迁移的协同机制，构建边界层内部水分迁移模型，阐明超声波促进边界层内部水分迁移的机制。本研究对完善超声波干燥过程中木材边界层理论具有重要意义，可促进木材超声波干燥理论的形成，为降低木材干燥能耗、提高干燥效率提供一种新途径。

木材干燥过程中其表面对流热质传递阻力都集中在边界层内部，边界层的存在，使干燥过程中木材表面热阻大，传热效率低，水分迁移速率慢。本研究通过探究超声波对边界层特性的影响，超声波作用下边界层内部热量传递和水分迁移规律，进而揭示超声波促进木材干燥过程中边界层内部热质传递机制。研究表明，超声波作用可提高边界层内部的介质温度和速度；超声波功率、频率，以及介质温度和速度均会影响木材表面的边界层厚度；超声波的空化作用和热效应可显著提高边界层内部温度，超声波功率和频率对木材表面温度影响显著；超声波促进了边界层内部的热量传递，使得超声波作用下，木材内部温度的升高速率取决于木材本身的导热性能而不是表面的对流换热过程；超声波对木材表面温度的影响作用大于速度的影响，进而影响边界层内部的普朗特数；超声波通过提高木材表面对流换热系数和自身热效应共同作用，使介质中的热量快速传递到木材表面，进而提高木材表面的努谢尔数；超声波处理可使木材表面水分迁移速率提高12.6%~91.9%，且超声波功率对木材表面水分迁移的促进作用最强；建立的木材表面水分迁移质量与超声波功率、频率，以及介质温度的关系式可用于预测不同条件下的木材表面水分迁移能力；超声波在木材表面产生的空化气泡有利于水分迁移；水分扩散系数和传质系数与超声波功率和频率成正比；建立的超声波作用下木材表层的热量和水分扩散耦合控制方程可用于模拟木材表面热量和水分分布；超声波更有利于促进高含水率木材边界层内部的水分迁移；超声波处理过程可改变木材的一些物化性能；出于干燥质量和能耗的考虑，建议采用间歇式处理，而无需进行连续超声处理。本项目不仅揭示了超声波对木材干燥过程中边界层内部水分迁移和热量传递的促进机制，对完善超声波干燥过程中木材边界层理论和促进木材超声波干燥理论的形成具有重要意义，还为降低木材干燥能耗、提高干燥效率提供了一种新途径。