木材干燥的多场耦合建模仿真与优化研究

论文摘要

木材生产过程中木材干燥是能耗最大的工序。随着木材干燥技术的提高以及木材干燥设备系统集成度的增加,木材干燥过程中不同性质或状态的材料相互影响以及不同物理域的耦合作用,干燥系统越来越复杂,迫切需要引入木材干燥过程与设备的先进分析方法、设计模型和设计思想。本文针对木材干燥系统的多场耦合现象与设计优化问题,提出了实际工作状态下木材干燥系统的多场耦合建模与分析方法；以提高木材干燥性能为目的,进行了多系统整体优化与导流装置设计研究,并进行了试验验证。基于Reynolds时均方程建立了干燥窑的空气流动模型,构建干燥窑内空气流动与换热的基本控制方程。建立了木材干燥过程的水分迁移模型和热传导方程,完成了对木材干燥过程的机理性描述。提出了木材干燥窑的热力耦合模型和流-固耦合模型,利用数值方法对木材干燥的多场耦合方程进行了求解,得到了干燥窑内流体和温度的宏观分布。为更进一步研究木材干燥过程的微观特性,建立了木材微观结构的元胞自动机模型,采用元胞自动机的自组织局部规则模拟了干燥过程中木材的水分迁移微观机理,为实现多场环境木材干燥系统的性能表征、复杂动态性能的仿真及设计优化等工程目标提供了可能。考虑到木材干燥过程中存在多种不确定性,基于随机摄动技术定量计算了木材的材料随机性、尺寸随机性和导流板对干燥过程的影响,以概率思想表达了木材实际干燥过程所带来的随机差异对其干燥过程和性能的影响,获得了对木材干燥过程最为关键的参数组合。为优化木材干燥系统的整体性能,将多场一体化优化方法引入木材干燥系统的宏观参数优化中。基于随机摄动分析获得的信息,建立了木材干燥系统的优化模型,设计了木材干燥系统的多学科优化算法。优化结果表明,通过优化得到了较为合理的干燥参数组合,优化了木材干燥系统的性能。为更进一步提高干燥窑内气体流动均匀性和增强干燥效果,进行了导流板结构的拓扑优化。建立了导流板拓扑优化模型,对模型进行了求解。导流板结构拓扑优化的结果表明,优化以后的导流板输出风速有了较大提高,材堆的风速均匀性也得到了改善。设计了导流装置模拟试验机进行木材干燥的试验研究。试验测试结果表明,导流装置大幅改善了干燥窑内的介质循环风速均匀性,为干燥性能的提高提供了有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外木材干燥技术的研究现状
• 1.2.1 国外木材干燥技术的研究现状
• 1.2.2 国内木材干燥技术的研究现状
• 1.2.3 国内木材干燥技术的发展趋势
• 1.3 木材土燥过程的建模与仿真
• 1.4 研究内容
• 2 木材干燥过程的空气流动特性和干燥机理
• 2.1 引言
• 2.2 干燥窑内空气流动的动态建模
• 2.2.1 干燥窑的物理模型
• 2.2.2 基于Reynolds时均方程的千燥窑空气流动建模
• 2.3 木材干燥机理
• 2.3.1 木材内部构造及水分
• 2.3.2 干燥过程中水分迁移模型
• 2.3.3 木材的热传导方程
• 2.3.4 木材干燥基准
• 2.4 小结
• 3 木材干燥过程的多场耦合仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 木材干燥窑的多物理场分析
• 3.3 木材干燥窑的多物理场建模与仿真
• 3.3.1 木材干燥窑的热-力耦合建模
• 3.3.2 流-固耦合建模
• 3.3.3 干燥窑模型
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 耦合结果与讨论
• 3.4 木材干燥过程的自组织建模与解析
• 3.4.1 木材干燥过程的自组织
• 3.4.2 元胞自动机的自组织技术
• 3.4.3 木材干燥过程的元胞自动机建模
• 3.4.4 木材干燥过程的自组织模拟
• 3.4.5 结果与讨论
• 3.5 小结
• 4 基于随机摄动的木材干燥过程优化
• 4.1 引言
• 4.2 多系统协作的优化过程
• 4.3 木材干燥窑的多系统分析
• 4.4 木材干燥性能的随机摄动分析
• 4.4.1 随机摄动法的引入
• 4.4.2 木材干燥系统的随机摄动分析
• 4.4.3 随机参数统计特性的确定
• 4.4.4 随机参数对干燥速率影响的概率数值分析
• 4.5 木材干燥工艺过程参数分析
• 4.5.1 木材燥过程的多系统分析
• 4.5.2 考虑随机性的干燥系统健壮性设计
• 4.5.3 优化算法
• 4.5.4 木材干燥系统优化
• 4.5.5 优化结果分析
• 4.6 小结
• 5 木材干燥窑导流板结构拓扑优化
• 5.1 引言
• 5.2 结构拓扑优化概述
• 5.2.1 拓扑优化的基本概念
• 5.2.2 结构拓扑优化的基本方法
• 5.3 导流板拓扑优化的材料插值模型
• 5.3.1 导流板拓扑优化的插值方法
• 5.3.2 导流板拓扑优化的密度法材料插值模型
• 5.4 基于SIMP模型的导流板拓扑优化模型及其求解
• 5.4.1 导流板拓扑优化模型
• 5.4.2 基于MMA方法的导流板拓扑优化模型求解
• 5.5 导流板拓扑优化中数值计算不稳定性的解决方法
• 5.5.1 拓扑优化中的数值计算不稳定现象
• 5.5.2 数值计算不稳定性的解决方法
• 5.6 数值算例
• 5.6.1 导流板结构拓扑优化
• 5.6.2 计算步骤与演化过程
• 5.6.3 拓扑优化前后的性能对比
• 5.7 小结
• 6 木材干燥介质风速试验研究
• 6.1 风速试验导流装置设计
• 6.1.1 设计思想
• 6.1.2 导流装置试验机
• 6.2 介质风速均匀性测试
• 6.2.1 介质循环特性测试
• 6.2.2 测试结果与分析
• 6.3 小结
• 7 结论
• 7.1 工作总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢