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微波干燥中木材内热质的多尺度迁移规律及研究摘要：针对木材微波干燥过程中热质转移在不同尺度上表述理论的不足，本研究以木材在微波干燥热质的多尺度迁移为出发点，利用数学模型表征热质转移的方程和木材热质转移多尺度相关的参数体系与边界条件。根据宏观和微观上不同的迁移模式，再由两种模式下的液态水和水蒸气状态分别建立不同的方程式，通过达西定律分析液态水和水蒸气状态下水分的迁移速率，建立微波干燥过程中宏观和微观尺度上的数学模型。通过相关的实验求得木材相关的导热系数、导温系数水分迁移率等参数，再利用MATLAB技术对所建立的模型方程、求得的相关参数及边界条件进行解析、归纳，筛选不同尺度下热质转移的图形，并分析微波干燥过程中宏观和微观及液态和水蒸气不同形式下的热质转移规律，以及不同尺度和水分形式下热质转移的相关联系。系统的建立木材在微波干燥过程中热质转移的模型。这些模型和解析可被用到在短暂的环境中预测木材干燥过程中的水势和温度分布情况，为木材在纤维饱和点以下时进行更加针对性和科学性的干燥提供依据，防止木材干燥时的开裂、皱缩等变形，为木材的生产、美观、销售和使用提供理论性指导。关键字：热质转移 多尺度 微观 宏观 MATLABMicrowave drying of wood heat and mass migration of multi-scale and researchAbstract: For wood microwave drying process of heat and mass transfer at different scales expressed lack of theory, the study of wood in the microwave drying heat and mass of multi-scale migration as a starting point, use the equation and wood heat transfer model to characterize the mathematical heat and mass transfer transfer multiscale System parameters associated with the boundary conditions. According to macro- and micro-patterns on the different migration, re-establishing the state of liquid water and water vapor in the two modes, respectively different equations, analyzing the migration rates of liquid water and water vapor state through Darcys law, the microwave drying process Mathematical model of the macro and the micro scale. Timber obtained through relevant experiments related to thermal conductivity, thermal diffusivity of moisture migration rate and other parameters, and then use MATLAB technology established model equations, obtained the relevant parameters and boundary conditions for analysis, summarized, screened at different scales heat mass transfer of graphics and analysis of heat and mass transfer laws microwave drying process and macroscopic and microscopic liquid and vapor under different forms, and related links at different scales and moisture in the form of heat and mass transfer. System modeling timber in the microwave drying process of heat and mass transfer. These models can be used to predict and resolve the wood drying process water potential and temperature distribution in the short-term environment for scientific more for wood drying below the fiber saturation point in time to provide a basis to prevent the wood drying time cracking, shrinkage deformation, etc., to provide theoretical guidance for the production, aesthetics, sale and use of wood.Keywords: multi-scale heat and mass transfer micro-macro MATLAB1.立题依据与研究内容 （1） 项目的立项依据 木材干燥作为改善木材物理力学性能，减少木材降等损失，提高木材利用率和木制品质量的重要工序之一，在木材制品加工中起着非常重要的作用。目前使用的常规干燥大都需要消耗矿石能源产生的能量达到水分排出的目的，属于木材加工中能耗较大的工序，并且热损失严重并有挥发性有机物的排出，干燥浪费资源，同时干燥的效率低下，不能进行有效的快速的干燥；同时我国锯材人工干燥量占据材总量的比例相对于发达国家较低，使得许多木制品由于干燥方法使用的不恰当或温度的不合适产生开裂、腐朽、变形等缺陷，木材资源浪费严重。针对以上问题我国开始研究木材的微波干燥，微波干燥是一种新型的干燥方式，由于木材在干燥的后期一般是内部的水分较高，外部和表面水分蒸发较快，这使得木材干燥过程中容易受到水分梯度的影响造成木材的开裂或变形。而微波干燥，微 波能可以直接穿透进入木材内部，在木材的内部形成热源，是内部温度升高，保证内部水分的干燥速率，减少水分梯度。从而达到高效高质量的干燥过程。 微波干燥是一种快速高效的现代干燥技术,已经广泛应用在各种行业,然而工业化的木材微波干燥却没有取得实质性进展。丰富和完善木材在微波作用下的内部温度分布和热质转移理论,对于更加科学地控制木材微波干燥过程、提高干燥质量具有重要的理论意义和实用价值。本立题根据微波作用下木材内部温度和热转移的现象,研究木材微波干燥下的宏观和微观机理,建立了微波作用下木材热质的微观和宏观转移模型,系统的研究微波干燥过程中液态水和水蒸气的转化过程，预测在某一时刻木材内部水分的梯度，用数学去描述微波干燥过程中水分的迁移过程。 微波是波长在l mm1 m之间，频率在3.01023，O105 MHz具有穿透性的一种电磁波。在工业加热上只允许使用特定的频率，在我国为915MHz和2 450 MHz1。不同的微波功率和不同的辐射方式对木材内部温度场的分布不同2。而微波干燥和常规的干燥加热源的不同，使木材内部液态水和气态水的转化也不同。木材细胞壁由纤维素、半纤维素和木质素组成，活着的木材或刚被砍下的木材主要有自由水、水蒸气和结合水组成。在大气中或工业干燥一段时间后，其中的自由水挥发掉，剩下细胞壁中液态的结合水和细胞间隙中蒸汽形式的水分，成为纤维饱（FSP）和点以下。而微波干燥一般选用的是纤维饱和点以下的木材进行干燥，在纤维饱和点以下，热质迁移主要建立在宏观的尺度上，36例如木材微波干燥过程中水分和温度的迁移规律，木材干燥过程中温度的分布等，主要停留在宏观尺度上的研究。目前，国内对微波干燥过程中木材内部热质转移的微观研究还比较少。研究水分转移模型多是建立在液态水相的转移，而忽视水蒸气相的传质，国外对木材在微波干燥下建立过三维的温度导热系数的评定，微观的细胞壁水分和间隙水蒸气扩散的研究，以及光纤法检测木材内水分和温度的分布，核磁共振检测吸附法对木材切片水分梯度的研究712。建立微观和宏观的热质迁移模型的作用：可以有效明晰地分析在微波干燥过程中水分的迁移情况，更好的研究干燥过程中动态的水分移动，分析在某一稳态时刻，木材内部水分的梯度形式，简单分析木材中水分的势能，再用微波能对水的势能加以作用，确保高效率的干燥。有效解决木材干燥过程中的开裂和皱缩。同时建立木材在切向和弦向上的水分梯度，用微观尺度去推测宏观尺度水分的迁移，微观动态的模型解析宏观稳态某一时刻水分的梯度和含量1318。（1） 本试验立题的创新点在于用宏观和微观不同尺度去分析微波干燥中液态和气态两相水分的迁移过程，分别讨论木材内部水分液态水和水蒸汽的传导模型，国内对干燥过程中气态水分的迁移和运输过程微观尺度的研究较少，而宏观的模型不能去解决液态结合水和水蒸气在变化过程中和变化结果中发生的耦合现象，木材干燥的宏观研究可能是基于多尺度方法的连续观察，不能描述动态微观动态的变化。而建立有效的微观和宏观的模型联系，可以短暂预测微波干燥中木材中水势的分布，定量和定性的解决干燥中存在的问题。通过理论计算试验三种方法相结合，研究模型的正确性，并通过相应的计算机软件解析和计算模型，分析某一时刻的木材中水分的变化。1祝圣元 王国恒 微波干燥原理及应用.工业炉.2003年.第3卷.25期2李贤军等 不同微波加热方式木材内部温度分布的数学模型 林业工程3李贤军 微波干燥与常规干燥木材内含水率动态分布 木材科学 2009年.第6卷.29期4王元妹 多孔材料传热传质和热湿力分析 论文期刊 2008年5柴媛 李贤军 微波干燥过程中家榆内部温度场的初步研究 2013年6于建芳木材微波干燥热质转移及其数值模拟D内蒙古：内蒙古农业大学，20107Eitelberger J, Hofstetter K. Prediction of transport properties of wood belowthe fiber saturation point a multiscale homogenization approach and itsexperimental validation. Part II: Steady state moisture diffusion coefficient.Compos Sci Technol 2011;71:14551.8 Eitelberger J, Hofstetter K. Prediction of transport properties of wood belowthe fiber saturation point a multiscale homogenization approach and itsexperimental validation. Part I: Thermal conductivity. Compos Sci Technol2011;71:13444.9Mannes D, Sonderegger W, Hering S, Lehmann E, Niemz P. Non-destructivedetermination and quantification of diffusion processes in wood by means ofneutron imaging. Holzforschung 2009;63:58996.10 Dvinskikh SV, Henriksson M, Berglund LA, Fur I. A multinuclear magneticresonance imaging (MRI) study of wood with absorbed water: estimatingbound water concentration and local wood density. Holzforschung2011;65(1):1037.11J. Eitelberger , K. Hofstetter ,S.V. Dvinskikh A multi-scale approach for simul tion of transient moisture transport processes in wood below the fiber saturation point12S. KADEM COMPUTATIONAL ANALYSIS OF HEAT AND MASS TRANSFER DURING MICROWAVE DRYING OF TIMBER 13Jair Stefanini Pereira de Ata Three-dimensional numerical analysis of water transfer in wood: determination of an expression for the effective mass diffusivity(2013) 47:89791214P. Koas COUPLED PHYSICAL MODEL OF MICROWAVE DRYING OF WOOD15M. A. Stanish Application of Wood Drying Simulation Models in Commercial Lumber Manufacturing .Drying Technology, 26: 10891096, 200816ZhipengZhong COMBINED HEAT AND MOISTURE TRANSPORT MODELING FOR RESIDENTIAL BUILDINGS 17Da Silva WP, Silva CMDPS (2012) Calculation of the convective heat transfer coefficient and thermal diffusivity of cucumbers using numerical simulation and the inverse method. J Food Sci Technol.18Wood Sci Technol (2013) 47:897912Three-dimensional numerical analysis of water transfer in wood: determination of an expression for the effective mass diffusivity（2）项目的研究内容、研究目标及拟解决的问题该立题主要是对微波干燥中木材内部热质在两相间迁移过程中的宏观和微观分析，建立起宏观和微观在热质输送的联系，探索木材干燥过程中热质的传导在稳态和瞬态的模型，分析液态水和水蒸气在两相间的运输规律，研究更为高效、高质量的微波干燥，减少木材在干燥过程中的损坏。主要研究内容如下：1、微波干燥木材内部宏观水分和温度输送模型的建立（1）液态水部分热质传导模型的建立及利用参数和边界条件求解（2）水蒸气部分扩散模型的建立及利用参数和边界条件求解（3）MATLAB解析模型的方程式并分析热质转移规律2、微波干燥木材中微观热质传导模型的建立（1）建立微波干燥过程中微观细胞壁和细胞间隙热质传导的的模型（2）分析水分和温度在单个细胞中的扩散和迁移（3）通过相关条件建立微波干燥木材中热质传导的微观和宏观之间联系3、通过相应的实验验证模型的准确性（1）通过实验手段取得在数学模型中用到的相关参数（2）通过用质子成像的技术测定微波干燥过程中某时刻瞬态的水分含量，并与模型得到数值进行比较，验证时模型的可行性和正确性。拟解决的关键问题：1、微波干燥条件下木材内部热质输送的宏观理论和热质传导的宏观模型2、微波干燥条件下木材细胞间水分传导的微观描述和微观传导模型3、实验验证该模型的正确性，并分析某时刻木材内部水分分布情况（3）拟采取的研究方法及研究的可行性1、微波干燥条件下木材内部热质输送的宏观理论和水分传导的宏观模型木材在微波内的加热主要是通过水分传导的，而木材在纤维饱和点以下时，木材内的水分主要是细胞壁内的液态水和细胞间隙内的水蒸气，干燥过程是液态水从细胞壁向细胞间隙移动，气态水从细胞间隙向外蒸发，这是一个平衡的过程。可以分别建立液态水和气态水在木材内随时间变化的傅里叶热传导方程，宏观的数学描述这个过程包括三个不同的等式，液态水和水蒸气迁移时的两个质量平衡方程和一个能量守恒方程，这些方程和相应的边界条件可以表示出木材内部液态水浓度的变量还有水蒸气和温度的变量。再根据整个木材内部能量的守恒方程建立宏观上的热传导模型，根据边界条件和水分的通量，求出在稳态和非稳态木材的在微波干燥中的水分传导规律，并求出两相间相对应的吸附率。吸附率是联系两种水相间相互转化的重要参数。2、微波干燥条件下木材细胞间热质传导的微观描述和微观传导模型宏观模型的建立是基于多尺度方法连续观察的框架，但在液态水相和气态水相在微波中随着温度的变化和在耦合方程式中产生的变化结果，不能找到一个宏观方法描述，因此需要建立一些微观的模型，木材细胞的微观状态才能更好地去描述水分传导的一个尺度，而不是在两相之间，所以微观上应该做单个细胞的水分传导试验，根据木材内部细胞的描述特征，细胞内的液态水被菲克第二定律描述，围绕菲克第二定律的方程式进行建立模型，可以假设木材的细胞为圆柱形，而假设细胞的热传导发生在一个一维空间，利用傅里叶和拉普拉斯定律去描述其水分传导的方程，根据外壁和内壁半径的不