固体干燥的物理解释和建模综述(1)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:2

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王维陈国华
(香港科技大学化工系，香港九龙清水湾)
摘要：固体干燥的建模一直是干燥技术研究的主要课题之一。自从Luikov体系和Whitaker理论建立以来，这样的努力已历经近三十年。基于作者和其它研究者的工作，本文通过回顾过去几十年所发表的数学模型，对固体干燥过程给出一些物理解释。经典的传递过程理论结合多孔介质理论足以在基础层面上解决固体干燥问题。目前的数值计算方法和计算机技术可以处理任意几何形状物料的干燥问题。这些进步似乎走在了人们对于过程和材料理解的前面。几乎全部的现有固体干燥模型仅能处理特殊的物料系统。由于缺乏基础数据，模型的通用性依然是一个主要问题。未知参数的测定和模型的实验验证需要进一步加强。工业干燥器的设计、操作和优化期盼一个综合的数学模型，这个模型须兼顾考虑准确性、通用性和复杂性/简单性。
关键词：建模；固体干燥；多孔介质；传递；机理；理论
基金项目：香港研资局（Research Grants Council, RGC）基金：HKUST 6038/00p，RGC600704
Physical interpretation of solid drying:
an overview on mathematical modeling research
Wei Wang, Guohua Chen
(Department of Chemical Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong)
Abstract ：There are successive interests in developing the mathematic models for the solid drying process. Such efforts have been made for nearly three decades since Luikov’s system and Whitaker’s theory were established. This paper gives some physical interpretations of solid drying through reviewing mathematical models published in the past few decades based on studies by authors and other researchers. Classical transport theory in porous media is sufficient for dealing with the solid drying process at a fundamental level. Current numerical technique and computer technology are able to solve problems with any material geometry. These advancements seem to go faster than one’s understanding of the process and materials. Almost all of available models for solid drying can only be used in specific material systems. Generality of a model still remains a major problem due to the lack of fundamental data. Measurements of unknown properties and experimental validation of models need to be improved. The design, operation and optimization of industrial dryers call for a comprehensive mathematic model that gives attention to accuracy, generality and complexity/simplicity.
Key words: modeling; solid drying; porous media; transport; mechanism; theory
Research grants council (RGC): HKUST 6038/00p, RGC600704
1 前言
众所周知，数学模型是用数学语言来描述一个过程或系统的行为。除了对过程进行预测和再现之外，建模过程可以使人们获得更多有用的信息，从而加深对过程的理解。例如，一个冷冻干燥数学模型不仅可以预测适宜的操作条件，也可以分析传递机理，以避免在确定设备尺寸和过程条件时的某些臆测 [1]。模型也可以使人们加深对过程的理解，揭示一些新的现象。一个固体干燥的数学模型可以用于确定用实验很难测定的变量的分布侧定。例如，温度分布测定受制于物料中热偶数目的限制，而湿份分布测定几乎是不可能的。
建立一个数学模型取决于人们对过程的理解。对于固体干燥过程，任何人只要掌握传递过程理论，都可以写出质、热以及动量传递方程。建立这样一个模型的关键是基于现有理论去辩析各种传递机理。另一个重要方面是对已有模型的评价，既如何确认一个模型的优劣。研究者们 [2] 已提出了一些模型评价的质和量的标准。如果只考虑量化评价，这些标准可归纳为准确性、通用性和复杂性/简单性。毫无疑问，模型必须与实际情况相符，无论它是理论的还是经验的。换言之，模型必须准确呈现所测变量之间的关系。通用性是指一个模型具有不但适用于一个过程，也可适用于与之相类似过程的能力。通常具有坚实理论基础的模型都有较好的通用性，虽然由于理解的局限性，模型可能有系统误差。例如，对于热力学状态方程，最好用纯组分的性质去推测混合物的性质，尽可能少地依赖试验测定。在保证准确性和通用性的前提下，模型应尽量简单。因此，为简化过程需做一些假设。然而，模型亦应具有一定的复杂性以准确描述过程的规律。应该说，增加复杂性能够提高模型的准确性；而额外的复杂性会降低模型的通用性；良好的准确性和通用性要求一定的复杂性。三者之间的均衡是不容易的。

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