多孔介質(zhì)干燥分子尺度模型及模擬研究.pdf

1、多孔介質(zhì)干燥過程包括熱量傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程，從上個(gè)世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開始對(duì)干燥時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)部的濕分傳遞過程進(jìn)行了研究。但由于多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙尺度細(xì)微、具有復(fù)雜的容水結(jié)構(gòu)、濕分傳遞過程物理機(jī)制種類繁多及傳輸過程無法直接觀察等諸多原因，一直沒有模型能夠較好地描述被干燥的多孔介質(zhì)內(nèi)部濕分的遷移過程。影響濕分傳遞速率的主要因素就是擴(kuò)散系數(shù)，而現(xiàn)有的研究方法大多是靠經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算得到濕分的擴(kuò)散系數(shù)，并且采用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)手段也很難

2、準(zhǔn)確測(cè)量得到擴(kuò)散系數(shù)。因此，針對(duì)多孔介質(zhì)干燥傳質(zhì)機(jī)理復(fù)雜、擴(kuò)散系數(shù)不易確定等問題，本文采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法來分析在微孔隙直徑小于10-7m條件下的多孔介質(zhì)干燥濕分?jǐn)U散過程并獲取濕分的擴(kuò)散系數(shù)。
　?。?）多孔介質(zhì)干燥分子尺度物理模型構(gòu)建。分析多孔介質(zhì)干燥過程，將分別考慮兩種擴(kuò)散形式下濕分在多孔介質(zhì)微孔隙內(nèi)的擴(kuò)散過程，在干燥前期階段孔隙中含有大量的液態(tài)水分，濕分?jǐn)U散形式主要以液態(tài)水分?jǐn)U散為主；在干燥后期階段液態(tài)水分大部分蒸

3、發(fā)成水蒸氣存在于孔隙中，此階段濕分?jǐn)U散形式主要以水蒸氣在空氣中擴(kuò)散為主。建立多孔介質(zhì)干燥分子尺度物理模型，包括液態(tài)水分與孔隙壁面潤(rùn)濕過程物理模型、微孔隙內(nèi)液態(tài)水分?jǐn)U散模型和微孔隙內(nèi)水蒸汽在空氣中擴(kuò)散模型。
　?。?）多孔介質(zhì)干燥分子尺度模擬數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)模擬體系分子運(yùn)動(dòng)方程，并且選擇Verlet算法作為分子運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解方法；然后建立體系原子間的勢(shì)函數(shù)模型；最后推導(dǎo)出潤(rùn)濕過程接觸角計(jì)算數(shù)學(xué)模型和擴(kuò)散的微觀數(shù)學(xué)模型（Einste

4、in模型和Green-Kubo模型）。
　　（3）多孔介質(zhì)干燥分子尺度模型求解。設(shè)計(jì)模型求解程序，運(yùn)用（MD）方法對(duì)液態(tài)水分與孔隙壁面潤(rùn)濕過程模型和多孔介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)濕分?jǐn)U散模型進(jìn)行模擬求解，同時(shí)給出求解的程序參數(shù)設(shè)定和模型求解流程圖，并對(duì)程序架構(gòu)進(jìn)行解釋說明。
　?。?）模擬結(jié)果及模型驗(yàn)證。對(duì)水滴潤(rùn)濕孔隙壁面過程進(jìn)行模擬，確定了微孔隙內(nèi)液態(tài)水分?jǐn)U散模型的孔隙壁面厚度、孔隙壁面原子作用勢(shì)能及粗糙孔隙壁面表面幾何形貌。對(duì)多孔

5、介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)液態(tài)水分?jǐn)U散過程進(jìn)行模擬，再現(xiàn)了其微孔隙內(nèi)水分?jǐn)U散的“開爾文效應(yīng)”現(xiàn)象，模擬結(jié)果表明本文建立的多孔介質(zhì)干燥微孔隙內(nèi)液態(tài)水分?jǐn)U散分子動(dòng)力學(xué)模型能較好地模擬計(jì)算土豆切片干燥水分?jǐn)U散系數(shù)，其模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的擴(kuò)散系數(shù)最大相對(duì)誤差為8.6％；多孔介質(zhì)干燥過程中，溫度、微孔隙直徑、壁面粗糙度和相面積分?jǐn)?shù)等對(duì)水分在微孔隙內(nèi)的擴(kuò)散過程有重要影響；隨著溫度的升高，微孔隙直徑和相面積分?jǐn)?shù)的增大，壁面粗糙度的減小，多孔介質(zhì)干燥水分?jǐn)U散系數(shù)隨之