基于孔道网络模型的香菇热风干燥传热传质数值模拟研究

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香菇干燥可以除去香菇生物体中的大量水分从而延长其保质期以便促进香菇产销。而热风干燥作为农业干燥生产实践中最主要的干燥方式之一,热风干燥过程中的物料内热质传递过程直接影响干燥的品质。香菇干燥数值模拟研究,传统研究方法借鉴连续介质假设方法,以宏观多孔介质为研究对象获得经验参数从而预测干燥过程,忽略实际过程中水分在物料孔隙中的传输与流动特性,导致对干燥过程物料内部微观孔隙效应下的水分迁移机理缺乏较完整的描述。针对该问题,本文基于孔道网络进行了香菇热风干燥传热传质数值模拟研究,探究物料内部结构的热质传递过程对干燥过程的影响。首先在孔道网络模型基础上,结合香菇自身特性与微观实验所获得的物性参数,提出了香菇多孔介质假设,并构建了香菇多孔介质的二维规则孔道网络模型,该模型采用二维离散孔道网络与连续性模型结合的方式构建。结果表明,香菇物料介观尺度下具有孔隙结构,多孔介质特征明显,香菇多孔介质假设成立;所建立的规则孔道网络模型参数符合真实物料参数值,可以代表真实香菇组织结构。其次,根据香菇物料内部组织结构的水分分布与干燥中水分传输动力特性,分别对香菇物料孔道网络模型中的骨架、孔道的水分在干燥过程中的传递进行了分析,根据水分在不同结构中的传递机理建立数学模型。其中包括了相邻骨架间的水分传递、骨架与孔道的水分传递、孔道间水的气液不同相的传递等,构建了基于离散的孔道网络的干燥传质数学模型,并考虑干燥过程的热量传递。最后,实际香菇切片多孔介质进行了温度为40℃下的热风干燥实验,并获得香菇切片样品的干燥曲线,根据实验结果与孔道网络模型的热风干燥结果进行了对比分析与验证。并通过改变传递参数、传质面数目、温度、湿度进行干燥过程数值模拟。结果表明:模型基本上与实验结果吻合良好,能反映实际干燥过程;在骨架中分传输对最终干燥结果具有重要影响,正确测定物料中结构传输参数与传递机理对揭示干燥过程中水分传输机理至关重要;两个传质边界模型所用干燥时间比四个传质边界模型所用的干燥时间长;干燥温湿度会影响物料内部以及边界的水分扩散作用,影响干燥时间与物料含水率。
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