利用TD-NMR技术研究杨木高温干燥过程水分分布

木材中水分状态变化和迁移对木材的物理性质有重要影响.通过时域核磁共振技术(TD-NMR)可以从分子层面解读木材与水分的关系,可以为木材干燥、木制品加工提供理论依据和实践参考.该研究以北京杨为研究对象,通过对高温干燥过程中木材内部水分变化的自由感应衰减(FID)曲线和横向弛豫时间(T_2)进行测定与分析,探究木材干燥过程中水分状态变化及迁移过程.研究结果表明,FID和T_2信号量与木材含水率高度线性相关,由此可以计算木材在干燥过程中任意时刻的含水率.通过对干燥过程中水分T_2分布的分析表明:心材试件在干燥过程中,长弛豫时间自由水(c状态水分)的拟合面积出现了先减小后增大然后再减小的趋势,而边材试件中则不存在这种现象.在北京杨心材试件中含量最多的是弛豫时间为10 ms数量级的水分,而在边材试件中各状态水分含量差异较小,含量最多的是弛豫时间为100 ms数量级的水分.在高温干燥过程中,边材试件内各状态水分百分含量减少的速度快于心材,各试件中自由水的蒸发速度明显快于结合水.     

颗粒堆积多孔介质干燥多尺度多层结构传热传质模型及模拟

针对骨架颗粒的多层物理结构问题,运用孔道网络方法、热质传递原理和多尺度理论等知识,建立了颗粒堆积多孔介质干燥的多尺度多层结构传热传质模型。以稻谷堆为典型代表进行热风干燥试验验证,模拟分析了颗粒内部不同组织物理特性等因素对干燥过程的影响。结果表明:建立的模型可有效模拟稻谷堆干燥过程;稻谷颗粒内存在较大的水分梯度。胚扩散系数对干燥过程的影响十分显著,其次是壳扩散系数,衣扩散系数影响最小;较小的胚扩散系数可将湿分有效地"囚禁"在胚内。     

玉米籽粒的传质干燥模拟及实验分析

为了解干燥过程中玉米籽粒内部水分的扩散过程,优化干燥工艺参数,本文采用模拟研究和实验研究方法分析干燥过程中玉米籽粒内部水分分布随时间的变化规律。玉米籽粒由种皮、角质胚乳、粉质胚乳和胚四组分组成,四种组分水分扩散系数各不相同,本文分别假设玉米籽粒由单组分均质体和多组分非均质体组成,分别建立了玉米籽粒的干燥数学模型,利用COMSOL Multiphysics模块模拟研究了玉米籽粒内部的水分变化情况,并通过玉米籽粒的薄层干燥实验进行了实验验证。研究结果表明,建立的两个模型均可有效模拟玉米籽粒薄层干燥过程;80℃的模拟值与实验值的差异较70℃的小;玉米籽粒多组分模型精度优于单组分模型精度。     

基于热力学极值原理优化污泥干燥过程

本文在热风对流干燥实验台上进行污泥薄层等温干燥特性的实验研究,获得了一定风速下温度对薄层含水率影响规律。基于多元系热力学原理,构建了薄层含水率的双结构预测模型。基于热力学极值原理,分析污泥水分迁移过程中吉布斯函数的变化规律,以对薄层干燥工况方案进行优化。结果表明:双结构模型可用于预测薄层含水率的变化情况;在2 m/s风速下,薄层含水率从80%降低到60%时,控制干燥温度为100℃左右;含水率从60%降低到10%,应保持干燥温度在150℃左右。     

真空过热蒸汽干燥木材的水分迁移特性

摘 要 对真空下过热蒸汽和常压下空气干燥木材时的水分迁移特性做了对比性实验研究,在同一温度水平下,真空过热蒸汽干燥木材的水分迁移速率明显高于常压空气的速率,且随蒸汽过热度和真空度的提高,木材中水分迁移速率加快。文中分析指出:常压空气干燥时,水分通过边界层依靠扩散,而真空过热蒸汽干燥依靠内外蒸汽压差,其传质阻力可以忽略,故干燥速率快。     

菜豆种子薄层干燥物料内部水分扩散系数的确定

本文将数值方法应用于物性测试,用反问题的研究方法,通过建立物料的内部水分扩散模型及边界条件的处理,把反映物料干燥过程动态特性的实验含水率曲线与物料颗粒内部的水分扩散结合起来,确定物料颗粒在非稳态脱水过程中的内部水分扩散系数,并分析内部水分分布及其动态特性。计算结果与实验曲线拟合的分析表明,本文的方法是可行的,对于进一步分析干燥过程参数对种子劣变的影响及确定优化的干燥工艺从而达到干燥控制的目的有重要的意义。     

考虑吸附效应的多孔介质热风干燥研究

本文基于Whitaker体积平均理论建立了多孔介质热风干燥的理论模型,结合隐式有限差分法对其进行了离散求解,在处理方程的非线性效应时采用了预估-校正算法。模拟得到了湿含量随干燥时间的变化,并与文献中实验结果做了比较,二者吻合较好,验证了模型的可靠性。模拟了干燥过程中温度、液相饱和度等参数随干燥时间的变化,研究分析了固体骨架的吸附效应对干燥过程的影响。     

雪花在非等温对流场生长过程的模拟

雪花是水蒸气在过冷环境下凝华相变形成的晶体,其生长过程涉及到多个尺度的热力学过程。本文提出了一种结合水蒸气扩散方程、热传导方程和动量守恒方程的改进的元胞自动机法,可以实现二维非等温对流场中雪花生长过程的模拟。研究结果和实验结果可以很好地吻合,验证了该模型的有效性。通过对模拟结果进行分析,研究了雪花生长过程中水蒸气分布、温度分布和对流速度对其形态的影响。     

浮压下马尾松的干燥特性及水分迁移机理初探

本文阐述了马尾松在浮压真空条件下的干燥特性．实验结果显示,浮压干燥比常压干燥能明显加快木材内水分迁移的速率,特别是在低含水率阶段（纤维饱和点以下）更明显．文中还对浮压条件下细胞壁内吸着水的迁移机理进行了初步的探讨分析．     

温度变化对近红外光谱预测木材含水率的影响

为实现温度不稳定环境下木材含水率的近红外光谱检测,探究了不同温度下木材近红外光谱的变化规律及温度变化对近红外预测木材含水率的影响。对从林场采集的樟子松、水曲柳、大青杨和红松原木木块试样各75块,共计300块试样,进行了不同温度和含水率条件下的近红外光谱采集。采用单一温度下的校正集分别与各个温度下的验证集建立偏最小二乘含水率预测模型,探究温度变化对木材含水率模型预测准确性的影响。比较了不同光谱预处理的木材含水率预测温度全局模型。采集相同含水率下不同温度的近红外光谱数据,对光谱进行光谱平均、一次微分、主成分分析和偏最小二乘判别分析,以探究温度变化时,木材近红外光谱的变化规律。结果显示：(1)温度对木材样品光谱存在显著影响;主成分分析和判别分析表明不同温度下的样品有明显聚类趋势,温度判别准确率为96.1%。温度会影响木材的近红外光谱在特定波长吸收峰的位置及吸光度,在含水率相同的情况下,随着温度的升高,特定位置吸收峰有逐渐向高频波段转移的趋势且在零下低温时波峰移动变化更明显。(2)不同温度下的PLS含水率预测模型对温度变动的适应能力有差异,木材含水率预测模型更适应于检测与建模样本相同温度的样品...     

冷库用翅片管风冷式冷凝器仿真与实验研究

针对某一低温实验冷库的翅片管式风冷冷凝器,建立其稳态分布参数数学模型。从冷凝器的结构型式入手,详细分析了换热管路的布置方式,针对制冷剂与空气间的流动换热方式,在热质平衡原理的基础上以划分微元的方式建立了冷凝器的稳态分布参数数学模型。最后,实验验证仿真数学模型的准确性。在-25℃、-30℃、-35℃和-40℃等四种库温点下进行了稳态实验,测得了四种库温点下冷凝器各监测点的温度和制冷剂侧、空气侧的换热量,分析了制冷剂冷凝过程中过热、两相和过冷状态的变化以及各个状态区的长度。然后以实验工况为计算条件,运行仿真计算程序,得到了四种库温点下冷凝器各监测点的温度和制冷剂侧、空气侧换热量的计算值,通过曲线图分析了计算值和实测值之间的偏差,验证了换热模型的准确性。结果表明:模型具有一定的可靠性和精度,可为该类装置的以及整个冷库系统的仿真和优化设计提供了一定的理论基础。     

直流道PEMFC两相流数学模型

建立直流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维非等温两相流数学模型,基于质子交换膜与气体之间的水分传递特征,综合考虑电渗、浓度扩散及电化学反应作用的影响,发展了膜电极水分传递的非平衡扩散模型.并自主开发程序代码对电池内复杂的多物理场耦合传递过程进行数值模拟,研究PEMFC电极内气态水、液态水分布、质子膜含水量分布和水迁移特性等,分析单电池内部的温度分布特征,并获得电池极化性能曲线.     

不同含水率下木材尺寸变化的近红外光谱研究

木材和水分关系的研究一直以来都是木材学研究领域的重点课题。木材中水分含量变化会使木材产生干缩湿胀,进而影响其尺寸稳定性,这关系到木材的实际应用。一般认为,木材产生变形的根本原因是木材化学组分中多糖类物质所含羟基与水分形成氢键作用的结果,而近红外光谱对有机材料含氢基团具有高度的敏感性。利用这一特点,为了能够实现对木材尺寸变化的在线快速检测,应用近红外光谱(near infrared,NIR)探讨了不同含水率木材与其尺寸稳定性之间的相互关系并建立了木材尺寸变化预测模型。通过对不同含水率下木材三个切面进行近红外扫描得到光谱信息,结合化学计量学方法,建立基于偏最小二乘法的木材径、弦向尺寸变化率的近红外光谱模型,并采用交叉检验的方式对模型进行验证。结果表明：不同含水率条件下的木材径、弦向尺寸变化率与相应的近红外光谱有很高的相关性,说明可以通过近红外光谱来研究木材的尺寸变化;研究建立的木材径、弦向尺寸变化模型的相关系数都大于0.90,均具有比较好的适用性;通过比较横切面上建立的径、弦向尺寸变化率模型,弦向好于径向。以上结果表明利用近红外光谱技术对木材的尺寸变化进行快速、准确的预测具有较好的可行性。     

裂缝性介质多尺度深度学习模型

结合人工神经网络建立裂缝介质多尺度深度学习流动模型.基于一套粗网格和一套细网格,通过在粗网格上训练数据,多尺度神经网络能够以较少的自由度训练出准确的神经网络.并在粗网格上通过求解局部流动问题获得多尺度基函数,结合神经网络进一步得到精细网格的解.基于离散裂缝的流动方程可视为多层网络,网络层数依赖于求解时间步数.阐述裂缝介质多尺度机器学习数值计算格式的建立,介绍如何使用多尺度算法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,多尺度有限元算法与机器学习结合是一种有效的流体流动模拟算法.     

核磁共振研究木材吸着过程中水分吸附机理

核磁共振方法以质子(H)为探针,为研究木材与水分的关系提供了一个新的视角. 该文通过研究杨木在32 ℃恒温、相对湿度为98%恒湿环境下杨木吸着过程中质子的自旋-自旋弛豫时间T₂的变化,进而来分析木材吸着过程中水分的分布与迁移特性. 探测木材吸着过程中水分的迁移行为,为解释木材与水分的关系提供了一个有力的理论依据,同时从微观层面揭示木材吸着过程中水分的吸附机理,其水分吸附机理同样适用于食品等领域. 实验结果证实核磁共振是揭示木材与水分的复杂关系的一个有效的手段.     

用于木材水分检测的单边核磁共振传感器设计

为了实现对木材水分的无损检测,设计了一种单边核磁共振（unilateral nuclear magnetic resonance,UMR）传感器,该传感器由单边磁体、抗涡流板、射频线圈、阻抗匹配和调谐电路构成．在距离传感器表面上方75 mm处的50 mm×50 mm的平面内,建立了71.1 mT（共振频率为3.027 MHz）的静态磁场．本文详细介绍了该传感器的设计思路和实现方法,并开展了初步的木材水分无损测量实验．对圆柱形树桩的径向水分分布进行了一维扫描测量,观察了水分由树皮向树芯逐步深入过程中横向弛豫时间（T₂）的变化规律,还使用UMR仪对木材干燥过程中水分的挥发进行了测量.实验结果表明,随着干燥的加剧,被测样品T₂谱的长T₂波峰明显左移、积分面积渐减,而且积分面积与木材样品含水率呈正比．本文为木材研究提供了一种便携的NMR测量设备设计方案,且可以实现野外活体树木的无损测量．     

基于总能形式的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法

双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法在微尺度热流动系统中得到广泛的应用. 本文基于晶格玻尔兹曼平衡分布函数低阶Hermite展开式, 创新性地提出了包含黏性热耗散和压缩功的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法, 将能量场内温度的变化以动量源的形式引入晶格波尔兹曼动量演化方程, 实现了能量场与动量场之间的耦合. 研究了考虑黏性热耗散和压缩功的和不考虑的两种热自然对流模型, 重点分析了不同瑞利数和普朗特数下流场内的流动情况以及温度、速度和平均努赛尔数的变化趋势. 本文实验结果与文献结果一致, 验证了本文数值方法的可行性和准确性. 研究结果表明: 随着瑞利数和普朗特数的增大, 方腔内对流传热作用逐渐增强, 边界处形成明显的边界层; 考虑黏性热耗散和压缩功的模型对流作用相对增强, 黏性热耗散和压缩功对自然对流的影响在微尺度流动过程中不能忽略.     

铁氧体磁芯感应加速腔模型

 针对铁氧体磁芯,建立了以多层有损传输线为基础的同轴感应加速腔物理模型,并在短脉冲励磁条件下,通过低压及高压实验,结合PSpice电路模拟,对模型的准确性进行了验证,并由此间接推算出了铁氧体磁芯在不同情况下的平均脉冲磁导率和介电常数。实验和模拟结果显示,该模型能够准确地反映铁氧体磁芯感应腔在脉冲励磁下的动态物理过程,为感应加速腔实验结果分析、结构优化设计及磁芯性能选取提供了准确有效的方法。     

操作参数对PEM燃料电池中水迁移的影响

质子膜内水分和阴极多孔电极中液态水含量是PEM燃料电池正常运行的控制因素。本文给出了一个用于研究PEM燃料电池内水迁移的稳态、等温、两相流模型。模型耦合了连续方程、动量守恒方程和物质守恒方程,以及水在质子膜中传递方程。运用试验结果验证了模型的有效性。分析模拟结果表明,增大系统操作压力、升高电池操作温度和降低加湿温度将会使质子膜中水的净迁移通量增大;增大操作压力、降低操作温度和升高加湿温度会增加阴极CTL与GDL界面上液态水含量。     

低温储罐内分层形成与破坏过程的模拟研究

采用CFD模型追踪储罐内发生翻滚现象的过程以及可能产生的影响,对储罐在不同压力不同漏热量的翻滚进行评估。基于扩散理论和三大守恒方程建立了三维储罐模型,对不同密度的LNG充装过程进行了模拟,结果表明低密度液体在只考虑浮升力的作用下逐渐向上运动,重密度液体分布在储罐底部;同时建立了二维液体的分层模型,对罐底和罐壁受热两层混合过程进行模拟。