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关键词： 激光熔覆   传热传质   数值模拟   搭接率   工艺参数  

摘要： 液压支架立柱是矿山装备中价值较高的零件之一,因其恶劣的工作环境,存在大量的报废问题,引发了重大的经济损失与资源浪费。激光熔覆技术因能量密度高、热影响区小、无环境污染等优点,逐渐成为液压支架立柱表面强化的首选方式。激光熔覆过程中工艺参数对熔覆层成形精度和表面质量影响很大,熔池内的热质传递过程直接影响着熔覆层的宏观形貌和微观组织。目前,通过实验优化工艺参数的过程过于繁琐。因此,通过探究激光熔覆熔池内不同工艺参数的热质传递机理,为激光熔覆过程的精确控制提供理论依据和技术支持,具有非常重要的科学意义和现实意义。本文以使用激光熔覆技术对液压支架立柱表面改性设计为应用背景,运用有限元方法来构建激光熔覆过程的数值模型。主要研究工作如下:（1）完成对现有数值模型的算法优化,提升模型的准确性。优化了建立激光熔覆数值模型的边界条件,考虑了材料的热物理性能、激光与粉末在空中的耦合作用以及多个物理场的相互影响,建立了单道激光熔覆过程的多物理场耦合模型。通过Arbitrary Lagrange-Euler算法精确表示熔池表面,使用网格自适应优化模型的计算过程,模型计算后的结果与实验测量值之间的最大误差为12.57%。（2）通过数值模型,探究了单道激光熔覆过程的热量传递、熔池流动和物质传递机理,并研究熔覆层内凝固参数的分布规律及其对微观组织的影响。讨论了热量在光粉耦合阶段和熔池内的传递过程,并探究了熔池流体流动对热量传递过程的影响。计算熔覆层的凝固参数,获得其分布规律,最后进行了微观组织观测探究凝固参数对微观组织的影响规律。（3）探究了不同工艺参数对激光熔覆过程的影响,为工艺参数优化提供理论指导。设计10组工艺参数,并完成模型计算和实验,研究工艺参数对模型温度变化、凝固参数、物质传递和熔覆层轮廓的影响规律,并从数值模拟的角度探究这些规律出现的原因。（4）完成多道激光熔覆模型的建立,探究搭接率对熔覆层宏观形貌和微观组织的影响。在单道激光熔覆模型的基础上,使用插值函数定义熔覆路径,完成多道激光熔覆模型的建立,并对3组关于搭接率的工艺参数进行模拟和实验。讨论了多道激光熔覆过程中热累积对模型温度变化和熔池尺寸的影响,比较了凝固参数相较单道激光熔覆的变化。对比不同搭接率对应的温度变化、宏观形貌和微观组织,得出了搭接率与各指标的对应关系,为搭接率的选择提供理论支撑。该论文有图57幅,表10个,参考文献106篇。

关键词： 红外喷动床   青豆   数值模拟   气固两相流   传热传质   流动特性  

摘要： 干燥是食品加工业中的关键节点之一。把食品中的水分降低到安全水分,能够有效地延长产品货架期并保持其产品品质不降低是干燥的目的,能效和干燥产品的质量是要考虑的两个关键指标。喷动干燥技术具有传递效率高、提高产品干燥均匀性(干燥过程中气流使物料与加热介质之间快速搅动,两者之间接触面积增加)、结构简单、适用于热敏物料干燥等优点。食品加工中已经被广泛采用的红外干燥技术,食品物料脱水用时较短、脱水后的产品质量高、能耗低,但均匀性不足。将红外加热的高效节能与喷动干燥的传热均匀相结合,优势互补开发新型红外辅助热风喷动干燥设备,求索出能利用偏低能耗得到高质量脱水产品的切实可行的路子。红外喷动床联合干燥过程的研究十分复杂,用传统的理论分析和试验方法对物料干燥的质热耦合传递理论及流动进行深入研究探索是一个难题。而计算流体力学成为解决这一难题的首选的非常有效的手段之一。因此,结合计算流体力学探索红外喷动床联合干燥技术很有必要。论文采用基于红外喷动床联合干燥技术和计算流体力学的原理,对青豆干燥过程进行数值模拟,主要研究内容如下:1.理论研究:本文在红外喷动床干燥的基本原理以及青豆各参数的基础上,根据干燥过程中红外喷动床干燥室内流体流动和湿物料在热风和热辐射共同作用下的变化情况,基于三个守恒方程(质量、动量及能量),运用计算流体力学原理和ANSYS Fluent理论,构建红外喷动床干燥室流体域的控制方程(非稳态三维流场、热辐射),从而为研究红外喷动床干燥过程中物料质热传递及干燥室内物理场变化奠定理论基础。2.数值模拟:用Solidworks软件对红外喷动床干燥室流体域进行三维建模,网格划分在ANSYS-ICEM-CFD中进行,模拟的物料介质被认为均匀且同向,通过ANSYS 2019 R1中的Fluent调用软件中的多相流模型,用有限体积法迭代求解红外喷动床喷咀进口气流速度(设为7 m/s、8 m/s、9 m/s)以及入口空气温度(分别为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃)时喷动物料颗粒运动及流体域内气/固相温度随时间的变化,分析筛选较优参数。依据所得数据探索随着试验物料干燥时间的变化,干燥室流体域的颗粒浓度分布、气固相的速度及温度变化规律。3.试验验证:利用红外喷动床干燥室流体域流场模拟获得的参数,分析组合达到最优用于进一步的试验验证。论文选取青豆为研究对象,试验参数设置为最佳参数组合状态,即:喷咀进气口风速8 m/s、进气口温度50℃,辐射板功率500 w。在该试验条件下进行平行试验3次,试验结果取平均值,绘制出红外喷动床出口空气温度随时间变化的曲线图。红外热风喷动干燥设备出口空气温度变化验证实验和模拟获得的数据所绘制的曲线图显示其结果基本吻合,所建模型适用于所设计制造的红外喷动床干燥设备。

关键词： 溶液除湿   传热传质   可视化   正交试验   COP   BP神经网络  

摘要： 随着社会经济的快速发展,节能降耗越来越受到人们的普遍关注。溶液除湿空调系统由于温湿度控制灵活、降低能源消耗和优化城市能源结构等优点,其应用越来越广泛。本文主要以扬州某博物馆溶液除湿空调机组为研究对象,通过数值模拟和实验分析对溶液除湿器和热泵式溶液除湿空调机组的运行特性展开研究。主要研究内容如下:首先,根据传热传质的理论基础,建立了叉流型溶液除湿器数学模型。利用MATLAB软件创建了叉流型溶液除湿器GUI可视化界面。利用此界面分析了单一工况下溶液除湿器内空气和溶液参数的分布规律,结果表明:溶液除湿的全热交换与传质过程的驱动力均随着热质交换的过程呈逐渐下降趋势;同时分析了变工况下空气和溶液入口参数对除湿性能的影响,结果表明:溶液入口温度的降低、浓度的上升和质量流量的增加均对溶液除湿过程有利,而空气入口流量、含湿量和温度的增加均对溶液除湿过程不利。另一方面,利用正交试验分析溶液和空气入口参数对除湿量的影响程度,结果表明:对除湿量的影响程度由大到小为:空气入口含湿量＞溶液入口浓度＞溶液入口温度＞入口液气比＞空气入口温度。此外,液气比×空气入口温度、液气比×空气入口含湿量、空气入口温度×空气入口含湿量和溶液入口浓度×溶液入口温度对溶液除湿量存在交互作用。其次,对扬州某博物馆的热泵式预冷型溶液除湿新风机组和热泵式热回收型溶液除湿全空气机组的运行特性进行了实验研究。结果表明:1)热泵式预冷型溶液除湿新风机组在夏季运行时,室外新风需经过表冷器进行预处理才能使送风参数达到设定值。2)溶液除湿新风机组的COP均随着送风温度、含湿量和风量升高而升高。当需要调节室内湿负荷时,应当保持机组的送风量不变,改变其送风含湿量,使得机组在较高的COP下运行。3)同时研究了溶液除湿新风机组在夏季和冬季的运行特性,总体运行效果良好,可以实现夏季降温除湿和冬季加热加湿。4)热泵式热回收型溶液除湿全空气机组在夏季能够很好满足室内降温和除湿要求,且机组实际运行的全热回收效率在57.8%～60%之间,潜热回收效率在53.5%～56.5%之间,具有很好的节能效果。最后,基于BP神经网络创建了热泵式预冷型溶液除湿新风机组GUI交互界面。使用此界面分析了室外新风温湿度对热泵机组的蒸发温度、冷凝温度和COP的影响,并探究了不同海拔地区热泵式预冷型溶液除湿新风机组的适用性,结果表明:夏季室外新风温度和含湿量增加均使得机组的蒸发温度下降和冷凝温度上升,导致机组COP下降,且蒸发温度变化幅度小于冷凝温度。而冬季室外新风温度和含湿量的增加均使得机组的蒸发温度上升和冷凝温度下降,导致机组COP上升。另一方面,随着大气压力的降低,热泵机组的蒸发温度、冷凝温度和COP均呈现下降趋势,但COP总体下降幅度不大。这说明热泵式预冷型溶液除湿新风机组在大气压力较低的地区即海拔较高地区仍具有一定的适用性。本研究旨在探讨热泵式预冷型溶液除湿新风机组和热泵式热回收型溶液除湿全空气机组的运行特性,以期为该技术在温湿度独立控制系统中的推广应用提供理论指导和技术支持。

关键词： 环路热虹吸管   气液两相流   蒸发冷凝   数值模拟   传热传质  

摘要： 随着电子芯片制造精度越发精良,功率也越来越高,与传统重力热管相比,环路热虹吸管能够在高热流密度下稳定工作,因此具有良好的应用前景与发展潜力。目前在环路热虹吸管的研究中发现,环路热虹吸管的传热特性取决于多种因素,如:不同的充液率、管内两相流状态、蒸发冷凝条件以及多种外部因素的作用,但是目前各种因素对环路热虹吸管的传热特性影响研究不明确。本文对不同充液率下环路热虹吸管的传热特性与流动特性进行了分析,证明在高热流密度下,高充液率环路热虹吸管具备更优良的传热能力;对比了不同外部因素对高充液率环路热虹吸管传热性能的影响,主要研究内容如下:在传统气液相变模型的基础上进行了适度修正,使数值模拟过程中每一次时间步迭代后冷凝频率能够自行调整,保证蒸发冷凝过程中质量的守恒,将修正后的气液相变模型应用于重力热管并对模拟后的数据与参考文献中实验数据进行对比,验证蒸发冷凝修正模型的可靠性。建立环路热虹吸管的物理模型,对不同充液率下环路热虹吸管进行数值模拟,系统地研究在四种充液率下环路热虹吸管的流动特性与传热特性,通过获取管内的速度矢量图和两相体积分数图并做出分析。结果表明在高热流密度、高充液率下,环路热虹吸管能够形成稳定的气液两相环流,中低充液率下环路热虹吸管均无法产生环流。研究了在高热流密度、高充液率条件下,不同的倾斜角、管径、工质、冷却水温对环路热虹吸管传热特性产生的影响。系统地对比了不同外部因素下环路热虹吸管的壁面温度并计算出相应的非均温系数和热管热阻,结果表明:倾斜角减少、管径过大或过小均会增加热管的热阻和非均温系数,不利于提高环路热虹吸管的传热极限;环路热虹吸管在分别填充液态水和R134a的条件下,由于两种不同工质的比热、潜热、表面张力、粘度等差异,填充工质为R134a时环路热虹吸管表现出更加优良的传热性能;通过降低环路热虹吸管的冷却水温,能够使环路热虹吸管冷凝端的壁温下降,但热管的均温性将变差,因此热管对于冷却水温的选择应当考虑到实际的温控需求以及热管工作时的稳定性,合理选择环路热虹吸管的冷却水温度。本文对传统相变模型进行了适度修正,解决了实际模拟过程中蒸发冷凝质量不守恒的难题,系统地分析了在不同充液率和外部条件下环路热虹吸管的运行机制、流动与传热特性,对环路热虹吸管的实际应用和传热极限的研究具有一定意义。

关键词： 铁棍山药   超声   热泵干燥   水分迁移   品质特性   传热传质  

摘要： 铁棍山药(Dioscorea opposita)是薯蓣科薯蓣属草本植物的块茎,其主要产地是中国河南焦作,号称“四大山药”之首。铁棍山药富含碳水化合物、多糖、多酚以及钙、铁、锌等多种微量元素,具有极高的营养价值。但新鲜铁棍山药含水率高,不易储存,容易出现发芽、变质等现象。目前,经常对铁棍山药进行切片及干燥加工,通过降低其含水量及水分活度以延长铁棍山药的贮藏期,保证铁棍山药的品质及营养成分,并拓宽其应用市场。本课题将热泵干燥技术和超声波技术联合应用于铁棍山药的干燥脱水。热泵干燥(Heat pump drying,HPD)是一种将热源循环利用的现代干燥技术,具有低能耗、污染少等优势,但同时也存在仅对物料表面加热、干燥时间偏长等缺点,从而不利于热敏性营养物质的保留。由于直触超声(Contact ultrasound,CU)可以通过超声设备直接将超声波能量传入物料内部,能够大大减小传质阻力,从而有利于干燥过程中物料内部水分扩散,进而缩短干燥时间。将热泵干燥和直触超声两种技术联合应用的超声强化热泵干燥技术(Contact ultrasound enhanced heat pump drying,CU-HPD),理论上可实现两种技术的优势互补,直触超声技术能够强化热泵干燥过程中的传质进程,促进物料内部水分扩散,进而缩短干燥时间、提升产品品质。因此,本文以新鲜铁棍山药为试材,进行CU-HPD试验研究。首先,分析不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药干燥特性及水分迁移规律的影响。其次,探讨对不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药样品品质指标的影响,并利用变异系数法对产品品质进行综合评价,得到最优干燥条件。最后,借助数值模拟软件对铁棍山药的超声强化热泵干燥过程进行建模分析,建立热量传递控制方程和质量传递控制方程,并在最优干燥条件下,探究超声强化热泵干燥过程中的传热、传质规律。主要研究内容与结论如下:1.探究不同热泵干燥温度和超声功率下,铁棍山药CU-HPD的干燥特性及水分迁移规律。结果表明,在CU-HPD过程中,提高热泵干燥温度和超声功率均有利于促进物料内部水分迁移,提高干燥速率,缩短干燥脱水时间。和单一HPD相比,随着干燥温度和超声功率的提高,CU-HPD的干燥脱水时间可缩短30～390 min,干燥速率提高至0.005 6～0.014 0 g/(g·min)。D值的范围为0.887×10～2.406×10 m/s,且随着干燥温度和超声功率的升高而增大。LF-NMR分析表明,铁棍山药中存在三种不同状态水:自由水、不易流动水和结合水。水分状态分析表明,铁棍山药在CU-HPD中,物料内部水分存在相互转化。自由水的含量不断降低,直至完全去除;不易流动水的含量在干燥过程中先增高后降低,在干燥结束时仍存在少量不易流动水;结合水的含量几乎不变。提高温度和功率,物料内部水分迁移速率变快,并促进内部水分的去除。2.研究了不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药品质特性的影响,并通过权重分析确定铁棍山药超声强化热泵干燥的最优工艺参数。结果表明,干燥温度和超声功率对铁棍山药的硬度值、复水比、Δ值、多酚含量、多糖含量、尿囊素含量和IC值有显著影响(p<0.05)。在干燥温度65℃、超声功率60 W的条件下,硬度值最小、复水比最大、尿囊素含量最高,分别为628.39 g,2.31 g/g,12.14 mg/g。在干燥温度55℃、超声功率60 W的条件下,多酚含量和多糖含量最大,Δ值和IC值最小,分别为36.17μg/g和137.47μg/g、47.99和33.27μg/mL。在热泵干燥过程中施加超声强化有利于保护产品品质。通过变异系数法的权重分析可知,干燥脱水时间、硬度值、多酚含量、多糖含量和IC值5个指标所占的权重较大,其中在干燥温度55℃、超声功率60 W的条件下所得铁棍山药样品的综合评分最高,故为铁棍山药CU-HPD的最优干燥参数。3.使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件构建铁棍山药超声强化热泵干燥过程中热量传递与质量传递模型,并借助模型分析不同热泵干燥温度和超声功率下铁棍山药的热量传递与质量传递规律。结果表明,该模型可以较好地拟合铁棍山药超声强化热泵干燥的热量传递与质量传递规律。其热量是由外向内传递,从干燥介质传递至物料,再由物料表面传递至物料内部;其质量是由内向外传递,从物料内部传递至物料表面,最终以表面蒸发的形式被去除,提高热泵干燥温度和超声功率均能够加快其热量与质量传递过程。

关键词： 矿井回风   乙二醇换热器   传热传质   数值模拟   (火用)分析   热经济学成本  

摘要： 能源是人类赖以生存与社会经济发展的基础。在国家“双碳”战略目标下,加大清洁能源的开发与利用进而取代化石能源,是降低碳排放和实现能源转型的主要方式。煤矿在开采过程中会产生大量的矿井回风,是一种优质的低温余热资源。对其进行合理的回收利用能够代替传统的燃煤锅炉,进而满足矿区的热量需求。基于上述需求,本文围绕矿井回风余热利用耦合水源热泵系统,以乙二醇间壁式换热器为研究对象用于提取矿井回风余热热量。通过理论分析、数值模拟和实验测试,主要开展高效间壁式气—水换热与强化传热研究。首先,介绍乙二醇间壁式换热工作原理,对间壁式气—水换热和回风气流特性的传热传质过程进行了理论分析,对回风换热冷却减湿过程进行了研究。其次,根据乙二醇间壁式换热器现场监测数据,建立了湿工况下单管换热分析模型。基于焓差的Threlkeld法和热阻分析法,开展换热器管排排数下各环节温度、管内外传热系数、翅片效率和各热阻变化情况的分析,以及换热工质循环流速和温度对换热器换热量和换热性能的研究。结果表明,回风出口温度要高于翅片表面水膜温度,温差变化在3～5℃。回风侧传热系数与换热器管排排数的变化趋势相反。同时回风侧入口处的热阻要高于出口处热阻。通过增加管内换热工质的循环流速可以降低管内侧热阻,进而提高换热系统与回风之间的换热量。但管内流体处于强湍流状态下,会影响与回风之间的换热效果,因此最佳流速范围在1.49～2.75 m/s。然后,对宁夏某煤矿矿井回风余热回收用乙二醇间壁式换热器进行了现场实验测试与分析。分别对回风进、出口风速、温湿度、乙二醇换热前后的温度进行测试。测试期间室外环境温度在-16.5～1.8℃,换热前后乙二醇溶液进出口平均温度为-1.5/3.4℃,乙二醇换热器交换热量恒定在1500k W左右,系统运行性能稳定。回风中潜热换热量为回风换热量的主要部分占比60%～70%。最后,对回风余热利用耦合水源热泵系统进行了热经济学分析。分别对乙二醇间壁式换热器、热泵系统和整个系统进行（火用）分析,并计算系统的（火用）效率与（火用）损失。从热经济学成本角度对回风余热利用系统和燃煤锅炉建立热经济学模型,并计算系统的供热成本和热经济学成本节约率。结果表明,热泵系统的（火用）效率比换热器的（火用）效率高22.7%,整个系统的（火用）效率为90.5%。乙二醇间壁式换热器在能量转换过程中,热量利用率较低。回风余热利用系统与燃煤锅炉的热经济学成本分别为0.1291和0.1573万元/k W·h。相比之下,回风余热利用系统的投资费用较高,但维护管理费用和运行费用较低。二者的热经济学成本节约率分别为21.8%和17.9%。系统在长期运行过程中,回风余热利用系统更具节能潜力。

关键词： 微波解吸   中密度板   VOCs散发特性   分形重构   多孔介质   传热传质  

摘要： 良好的室内空气品质是保证日常生活舒适度和身体健康的重要前提,而各类人造板散发的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是降低室内空气品质的重要污染物来源,目前我国人造板产业迅猛发展,使得居民的VOCs暴露风险持续增加。因此,研究人造板内VOCs的散发及控制不仅对进一步提高人造板品质,促进我国人造板产业持续发展具有重要意义,对进一步改善室内环境空气品质,降低居民VOCs暴露风险,降低VOCs对居民身心健康危害等方面也具有重要意义。基于微波加热具有快速性、穿透性等特点,本文提出了利用微波诱导方法快速解吸人造板材内部的VOCs气体,从而降低板材内部初始VOCs浓度的方法,并以中密度板(Medium Density Fiberboard,MDF)为研究对象,以甲醛为VOCs模型气体,研究了该方法所涉及的VOCs在板材内部的传热、传质过程。本文首先利用电子扫描显微镜对热处理前后MDF的微观结构进行观测,再利用计算机程序对其所获得结果进行解析以获得MDF板材的孔隙率、孔径分布等特征参数,了解微波诱导过程对板材结构的影响,并通过分形理论利用观测到的特征参数对MDF板材孔隙结构进行重构以探究MDF微观结构对其传热、传质过程的影响。结果表明MDF特有的纤维结构使得传质参数具备各向异性,垂直于板材厚度方向上的传质能力较厚度方向优异约10%,但MDF的传热参数却并未受到纤维结构的影响,表现出各向同性。其次,通过实验方法测定MDF的热稳定性和影响微波诱导时MDF板材温升的板材密度、含水率、传热学参数和电磁学参数,为研究微波诱导MDF板材内VOCs解吸中的传热、传质过程提供准确参数依据。结果显示当温度从25℃增加至180℃时,板材热扩散系数从1.322× 10-7 m2/s降低至1.115 × 10-7 m2/s,板材复相对介电常数虚部从约0.1425增加至约0.2138。再次,搭建了密封环境舱设备以测定不同形态MDF板材样品在密封环境内甲醛散发量随时间的变化曲线,研究了温度场对板材内部孔隙解吸和释放VOCs的强度和VOCs扩散系数的影响。实验结果表明,当环境温度从25℃增加至40℃,MDF板材孔隙内甲醛饱和散发浓度以指数趋势从184.7×10-3 mg/m3提高到约519.6× 10-3 mg/m3,甲醛在MDF板材孔隙结构中的扩散系数从5.666 × 10-10 m2/s增加至13.39 × 10-10 m2/s。最后,建立了微波炉中MDF板材传热传质模型,以甲醛为模型气体,通过数值模拟的方法研究了氮气吹扫时,微波热驱动VOCs在MDF板材孔隙结构内的扩散行为,并确定微波功率、气体流速等因素对微波诱导MDF板材内VOCs解吸过程的影响。模拟结果表明由于板材的热扩散系数的数量级仅为10-7,在使用微波诱导MDF板材内VOCs解吸时,氮气流速主要影响板材内部的甲醛浓度变化,而微波功率主要影响MDF板材内部的温度变化,过高的微波功率对促进板材内甲醛散发没有增益,反而会造成局部位置温度高于MDF板材的热稳定温度。当微波入射功率为500 W时,将氮气流速从0.001 m/s增加到5 m/s可使微波诱导解吸90 s后板材内的剩余甲醛平均浓度从约2.193 mg/m3 降低到约 0.2674 mg/m。

关键词： 升华干燥   火龙果   节能降耗   传热传质   数值模拟  

摘要： 作为农产品大国,我国果蔬种类繁多,果蔬产量居于世界前列。但由于新鲜果蔬在运输过程中容易腐烂、保质期较短,造成大量浪费。传统的晾晒、风干等干燥方法存在物质氧化、物料中热敏性成分变性、微生物失活、质地变硬以及体积收缩等缺陷。低温干燥技术是通过将物料完全冻结至其共晶点以下,并在真空状态下加热,使得物料内冰晶受热升华为水蒸气逸出,以此达到干燥的目的。此干燥方法可最大限度地保持物质原有的结构形态,对物质营养成分损失较小。一方面,由于冻干机内包括制冷系统、真空系统、加热系统及控制系统,导致冻干设备价格昂贵,初投资较大;另一方面,要求足够低的冷阱温度和高真空度,物料内冰晶才得以受热升华,并在冷阱表面凝结,冻干过程才能正常进行。并且干燥阶段耗时较长,导致冻干能耗过高。因此,探究冻干过程热质传递机理、优化冻干工艺、缩短冻干时间对冻干技术的发展十分重要。真空冷冻干燥过程受物料厚度、预冻终温、预冻速率、升华温度、解析温度等众多因素影响,同时冻干过程中物料热物性参数随温度不断变化,单纯进行实验研究,耗时费力、并且也存在有些研究参数无法测量的障碍。因此,利用仿真软件模拟物料在冻干过程中的温度场分布、升华界面及含水率变化,预测冻干周期十分便利,同时也极大地提高了研究效率。火龙果,水分含量较高,富含维生素和水溶性膳食纤维,采摘后在运输过程中极易腐烂。本文以越南产地红心火龙果为研究对象,在测定其各热物性参数后,通过COMSOL多物理场模拟软件对火龙果切片升华干燥阶段进行模拟,预测升华周期。并通过实验验证模型有效的基础上,分别探究了火龙果厚度,升华隔板温度对升华干燥过程的影响规律,得出火龙果最佳冻干工艺。本文主要研究内容如下:（1）通过实验仪器测定以及经验公式计算,获得火龙果的基本热物性参数,为后续火龙果冻干实验和模拟提供基础数据。主要包括:通过差示扫描量热仪（DSC）测定火龙果的共晶点温度为-16℃、共熔点温度为-1.5℃、冰点温度为-3.5℃以及不同温度对应的比热值,为火龙果冻结温度及干燥阶段隔板温度的确定提供基本参数;采用快速水分检测仪测定火龙果初始含水率为80.36%,可初步判定升华干燥阶段结束时刻火龙果切片的重量,为升华及解析干燥结束点判定做准备;利用称量法和Hsick密度计算公式确定火龙果密度,为升华干燥模拟提供数据;最后利用经验公式计算出火龙果的导热系数及表面传热系数。（2）在获得火龙果的基础热物性参数后,构建火龙果几何模型,在COMSOL软件中添加“达西定律”接口,“多孔介质传热”接口和“变形几何”接口,利用“变形几何”接口跟踪火龙果内冰表面,并设置边界条件,建立升华干燥传热传质物理模型,最后采用全耦合瞬态求解器求解,对火龙果升华干燥阶段进行仿真模拟。对模拟尺寸的火龙果进行真空冷冻干燥实验,控制冻结温度、升华阶段隔板温度以及真空度均与模拟值相同,通过实验结果验证模拟的有效性,通过对比升华干燥周期,火龙果温度及其内部含水率的模拟值和实测值,得出结论:所建立的仿真模型可以准确、有效地模拟火龙果升华干燥过程。（3）对火龙果升华干燥影响因素进行了系统分析,采用数值模拟与实验相结合的研究方法,探究不同厚度及升华隔板温度对升华干燥热质传递及升华周期的影响规律。首先利用所建模型分别对8、10、12、14、16mm厚度的火龙果切片进行仿真模拟,通过相同工况下的冻干实验对模拟结果进行验证,确定出此模型所适用的火龙果厚度尺寸范围,考虑升华速率及装载量,得出火龙果最佳冻干厚度为12mm。在此基础上,控制其它工况不变,改变升华隔板温度分别为-10℃、-5℃及0℃,分别对火龙果切片升华干燥进行模拟和实验,综合考虑升华速率及冻干制品品质,得出结论:12mm厚度的火龙果切片冻干时,升华阶段隔板温度设为-5℃较佳。

关键词： 陶瓷烘房   多孔介质模型   数值模拟   传热传质   温度场   速度场  

摘要： 随着中国能源结构的调整以及陶瓷行业的转型升级,在日益严峻的能源问题和环境问题下,如何提高能源的利用率、减少污染物的排放成为陶瓷行业发展需要解决的首要问题。在卫生陶瓷生产过程中,坯体干燥所需的能耗较大,分析陶瓷烘房内部的流场及坯体干燥的传热传质过程,可以优化烘房的结构,提高坯体的干燥效率。本文先对烘房内部的速度场及温度场进行稳态模拟,对烘房的4种不同进口方式:单层两边相对、单层两边错开、双层两边相对、双层两边错开,3种不同进口流速:6m/s、7m/s、8m/s,8种不同扰流风扇压力:0Pa、30Pa、50Pa、70Pa、90Pa、110Pa、130Pa、150Pa,7种不同进口温度:60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃的工况进行研究,探究了提高烘房内部流场及温度场均匀性的方法;再通过多孔介质模型对坯体内部的传热传质过程进行瞬态模拟,研究了干燥介质的温湿度及流速对坯体干燥效果的影响。本文的研究结论主要有以下几点:（1）通过模拟研究烘房进口流速、进口温度、进口方式、扰流风扇压力对烘房内部的速度场和温度场的影响,采用速度不均匀系数、速度均值、温度标准差、无量纲温度4个评价指标对速度场及温度场进行均匀性分析。经分析所得:在进口方式为两边错开、进口流速为6m/s、进口温度为70℃、扰流风扇压力为110Pa时,烘房内部的速度场及温度场均匀性最佳。（2）采用多孔介质模型对坯体内部的传热传质过程进行瞬态模拟,分别研究了干燥介质的流速、温度、湿度对坯体干燥的影响。通过模拟分析得出:坯体内部的湿度梯度方向是从坯体中心到坯体表面,而温度梯度与湿度梯度相反;最高的温度梯度和湿度梯度在坯体的顶角,所以这些部位也是最容易产生热冲击、裂纹和变形,影响坯体干燥的质量。（3）通过模拟2400s内单一坯体干燥的传热传质过程得出:干燥介质流速为3m/s的工况与2m/s的工况相比,其坯体升温速率提高了11.9%,干燥速率提高了16.87%;干燥介质温度为75℃的工况与70℃的工况相比,其坯体升温速率提高了8.9%,干燥速率提高了10.44%;干燥介质湿度为30%的工况与干空气相比,其坯体升温速率提高了3.39%,但干燥速率降低了9.24%。说明提高干燥介质的流速和温度,有利于坯体的加热和干燥,提高干燥介质的湿度,有利于坯体的加热,但不利于坯体内部水分的蒸发。

关键词： (连续)直拉法   定向凝固法   硅晶体   传热传质   数值模拟  

摘要： 全球能源、环境、气候变暖等问题日趋严重,太阳光伏发电提供了一种可持续性解决方案。晶硅材料以其低成本、高效率等优势,占据了太阳电池材料的95%以上,主要生长方法为直拉法和定向凝固法。目前直拉法单晶硅几乎占据了整个光伏市场,连续直拉法单晶硅也正以其独特优势快速发展,定向凝固法晶硅则迎来了巨大挑战。晶硅生长中炉体的热场结构,决定着温场、流场、固液界面、生长速率、热应力、氧碳杂质浓度等,这些因素直接影响着晶硅的质量、生产效率和成本。因此,本文介绍了直拉法和定向凝固法晶硅生长过程中的传热传质现象,总结了国内外相关研究现状,利用Fluent建立了直拉法单晶硅生长的二维全局传热流动准稳态数值模型与定向凝固法晶硅生长的二维全局传热流动以及氧碳杂质耦合输运非稳态数值模型,并利用COMSOL耦合了晶体热应力的计算。在此基础上,针对直拉法、连续直拉法、定向凝固法晶硅生长热场设计中的传热传质进行了数值研究,旨在为低成本、高质量的晶硅生长提供理论依据与技术指导。研究内容和结论如下:(1)分别选取了水冷夹套与晶体之间的不同距离(15 mm,35 mm,55 mm),数值研究了水冷夹套水平位置对直拉法单晶硅生长中传热流动、固液界面与热应力等的影响。结果表明:在相同条件下,水冷夹套水平位置的改变对硅熔体的影响较弱,但对晶体传热的影响显著。当水冷夹套靠近晶体时,尽管底部晶体的辐射换热受到抑制,但晶体与水冷夹套之间的氩气流速显著增大,使晶体冷却效果增强,固液界面凸度减小,热应力降低。ΔL=15 mm时的晶体生长速率相较于ΔL=35和55 mm时可分别提升27.1%和36.1%。(2)在不同内坩埚窗口高度(100 mm,60 mm,20 mm)下,对连续直拉法单晶硅生长中的传热流动、固液界面以及热应力等进行了数值研究,同时与相同条件下的直拉法单晶硅生长进行了对比。结果表明:由于内坩埚的存在,连续直拉法具有比直拉法更高的晶体生长速率,更低的晶体热应力。随着内坩埚窗口高度降低,热量的阻隔作用加强,晶体生长速率进一步提高,当ΔH=20 mm时,其晶体生长速率相较于单坩埚提升了10%,同时也减小了固液界面凸度与最大热应力。因此,采用较低的窗口高度有利于连续直拉法单晶硅的生长。(3)针对大尺寸G7定向凝固炉内出现的固液界面过凸、热应力较大等问题,从影响辐射换热路径角度出发,提出了一种新型金字塔格栅结构。将采用该方案的改进炉与原始炉中的长晶过程进行了对比。结果表明:当无金字塔格栅时,容易引起硅区域中心过冷和过快的长晶速率,导致固液界面过凸,热应力增大。添加金字塔格栅后,降低了前期过快的长晶速率,改善了中心过冷现象和固液界面形状,使硅锭底部中心和拐角处的最大热应力分别降低了20.22%和16.14%。(4)为了减少定向凝固法晶硅中的氧碳杂质,从控制杂质输运路径角度出发,设计了一种氩气导流系统,并根据正交实验设计,进行了二维全局非稳态数值模拟与优化,同时评估了各因子对氧碳杂质的影响,结果表明:当H=10 mm时,氩气回流受到侧部出流的抑制,可有效抑制CO的生成,且Q越大,效果越显著。当外管出口远离盖板时,杂质去除效果不再明显。Q过大或过小都不利于杂质的减少。经综合评价,确定Q=40 L·min、Q=30 L·min、H=10 mm为氩气导流系统的最佳参数组合。采用优化后的氩气导流系统,可使硅锭中氧碳杂质的平均浓度分别降低7.4%和59.9%。