超声波对可变形多孔介质内热湿传递过程影响的研究

Heat and mass transfer enhanced by ultrasound in porous media has a wide application in material drying, solid waste disposal and bio-engineering. The action of ultrasound on the heat and moisture transfer in deformable porous media is mainly studied in this project. The pore structure and fractal characteristics which are changed under the action of ultrasound pretreatment are studied based on the visualization experiment. The effects of pore structure characteristics on moisture migration process in deformable porous media are examined. The enhancement mechanisms of heat and moisture transfer in deformable porous media, which are caused by sponge effect and cavitation effect formed by ultrasound, are elucidated in macro scale and pore scale. The experimental studies are carried on the coupled heat and moisture migration process affected by ultrasound-hot air in deformable porous media, which is represented civil sludge. The effects of frequency, power and implement method of ultrasound and assisted hot air on the heat and moisture migration during the initial period of sludge drying are measured, and the operating parameters of ultrasound are optimized.

超声波强化多孔介质中传热传质技术在物料干燥、固体废弃物处理、生物工程等方面具有广泛的应用前景。本申请项目重点研究超声波对可变形多孔介质内热湿传递过程的影响机理。通过可视化实验研究超声波预处理作用下可变形多孔介质孔隙结构与分形特征的变化规律，分析超声波作用下多孔介质孔隙的演变过程以及结构改变对湿份传输过程的影响。在宏观尺度和孔隙尺度上研究超声波形成的海绵效应和空化效应对可变形多孔介质内的热湿传输影响机理，揭示超声波强化可变形多孔介质内热湿迁移机制。实验上以市政污泥这一典型的可变形多孔介质为研究对象，研究在超声波热风联合作用下的污泥干燥过程，重点分析超声波频率、功率、作用方式以及热辅助条件对干燥初期阶段热湿迁移过程的影响，优化超声波强化污泥热湿迁移的操作参数。

可变形多孔介质内热湿传递过程特性对于其强化技术的发展具有重要指导意义。本项目基于实验与理论相结合的方法，深入研究了超声波对可变形多孔介质内热湿传递过程的影响机理。首先，搭建可视化实验平台，研究了超声波预处理作用下可变形多孔介质孔隙结构变化规律，利用分形理论分析了孔隙结构的拓扑特征演变规律，探究了超声波对可变形多孔介质传质特性的影响。结果表明：超声波可以增大多孔介质的孔隙面积，湿分有效扩散系数随着超声波功率逐渐增大。在宏观尺度上建立了可变形多孔介质内超声波耦合热-湿-力数学模型，进一步揭示了超声波作用下的强化机理。数值模拟结果表明超声波的存在增大了多孔介质内部温度梯度，湿分传输速率增大且方向有序，交替的膨胀压缩使得多孔介质宏观形变较小。在孔隙尺度上，利用浸入边界耦合格子-Boltzmann方法，深入研究了可变形多孔介质内传热传质过程，阐明了传热传质过程与多孔骨架形变之间的耦合作用关系。在此基础上，搭建了超声波辅助热风干燥实验台，分别针对市政污泥、多孔纤维、活性氧化铝颗粒等典型可变形多孔介质进行了一系列对比实验，研究了不同操作条件下的干燥动力学特性，并通过响应面法和人工神经网络模型优化了超声波辅助干燥系统的工艺参数。该项目深入揭示了超声波对可变形多孔介质内热湿传递过程的强化机理，为超声波强化技术的广泛应用提供了指导。