多孔介质对流干燥几种湿份迁移机制的数值研究 周海松.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113470 多孔介质对流干燥 几种湿份迁移机制的数值研究 周海松，闵敬春 （清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室Tel：Email：） 摘 要：对多孔介质对流干燥过程进行了一维数值模拟，分析了在常速干燥期介质内部湿份的几种迁移机制，发现在液相水的迁移中毛细力和重力起主导作用，而混合气压力对其几乎没有影响；在水蒸气的迁移中压力差引起的渗流起主导作用，浓度差引起的扩散效应对其几乎没有影响。液相水的迁移量远大于水蒸气的迁移量。 关键词：多孔介质 对流干燥 数值模拟 湿分迁移 0前言 毛细多孔介质相变传热传质是自然界和工业生产过程中普遍存在的现象，能源、环境、地质、材料、化工、生物、农业等许多领域都涉及到多孔介质相变传热传质问题。含湿多孔介质的干燥机制一直受到国内外学术界的关注，已发展了一系列传热传质的机理模型[1-2]。 实验研究表明含湿多孔介质在干燥过程中存在着五种可能的湿份迁移机制[3]：1）湿份（液态和蒸汽）在浓度梯度作用下的扩散迁移；2）温度梯度引起的湿份扩散迁移；3）毛细力引起的液体流动迁移；4）压力梯度下湿份在多孔介质孔隙中的渗流迁移，以及5）蒸发与冷凝引起的湿份迁移。 限于目前实验条件和实验手段，实验的方法尚无法对上述各种机制做精确的测量，数值模拟能给出详细、直观的信息。本文基于Whitaker体积平均理论[4]，采用文献[5]中的计算模型，通过数值模拟的方法对多孔介质内部湿份迁移的机制进行了研究。 1数学模型 本文采用了以下假设： （1） 湿区蒸汽相和液相处于局部平衡状态，蒸汽压力符合Clausius-Clapeyron方程，毛细力符合Leverett关系式； （2） 流体流动遵循Darcy定律，气体扩散遵循Fick定律。 1.1 一维控制方程 质量守恒方程： （1） 式中，为孔隙率，S为饱和度，ρ为密度，u为速度，t为时间，下标l代表液态水，g代表混合气体。 对于液相，其蒸发过程的蒸发量可以看作液相内部存在一个质量汇，其质量守恒方程为： （2） 对于蒸汽，蒸发过程产生的蒸汽相当于在蒸汽内部存在一个质量源，其质量守恒方程为： （3） 下标v代表蒸汽。 能量守恒方程： （4） h为焓，λ为热导率，下标s代表固体，p代表多孔介质。 流体流动遵循Darcy定律： （5） （6） k为相对渗透率，K为绝对渗透率，μ为动力粘度，g为重力加速度。 考虑到扩散效应，蒸汽速度可表示为： （7） 空气速度可表示为： （8） 上式中，M为分子量，D为有效扩散系数，下标a代表空气。 毛细力Leverett关系式： （9a） 其中， （9b） （9c） 1.2 边界条件和初始条件 本文计算的物理模型为竖直方向上多孔介质的一维对流干燥，其上边界对流传热传质，下边界绝热绝湿，其数学模型可以表示如下： z=0处， （10） （11） （12） 式中，hvap为水的汽化潜热。 z=L处， （13） （14） （15） 式中，km为传质系数，kT为传热系数，hvap为水的汽化潜热，T0为环境温度，P0为环境压力，ρ0为环境中水蒸气密度。 初始条件： （16） （17） （18） 式中，下标ini表示初始条件。 2结果及讨论 上述控制方程、边界条件和初始条件构成一组封闭、定解的非线性偏微分方程组，最终可表达为以S、T、Pg为自变量的定解问题，采用有限差分法对其进行离散化，形成一组矩阵方程，然后对其进行迭代求解。本文将本模型计算的