本發(fā)明涉及陶瓷生產(chǎn)智能制造，尤其涉及一種陶瓷生坯干燥過程的模擬方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在陶瓷生坯進(jìn)行燒成步驟之前，需要先將生坯內(nèi)的水分控制在合適的水分區(qū)間內(nèi)，即需要先進(jìn)行預(yù)干燥，確定合理的干燥氛圍和干燥曲線，有助于減少陶瓷產(chǎn)品缺陷。目前對(duì)于陶瓷生產(chǎn)智能制造上的熱力研究主要集中在陶瓷燒成階段，而與陶瓷燒成階段對(duì)比，陶瓷干燥階段雖狀態(tài)更加穩(wěn)定，但同樣牽涉多個(gè)復(fù)雜過程(水分相變過程、傳熱傳質(zhì)過程耦合)，且干燥過程中陶瓷生坯的內(nèi)外溫濕度難以測(cè)量，因此其數(shù)學(xué)模擬是一個(gè)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要針對(duì)的問題是陶瓷生產(chǎn)智能制造技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于陶瓷生坯干燥過程中生坯溫濕度變化機(jī)理與模型研究空白，為輔助填補(bǔ)該問題部分空白，提供一定方法建議，即一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法。

2、一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，方法步驟包括如下：

3、步驟(1)：根據(jù)陶瓷生坯的結(jié)構(gòu)，利用有限體積法(或相關(guān)網(wǎng)格技術(shù))建立合適的陶瓷生坯的網(wǎng)絡(luò)物理模型，根據(jù)實(shí)際陶瓷生坯的相關(guān)物性特征參數(shù)對(duì)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化；

4、步驟(2)：建立陶瓷生坯外圍空間的熱風(fēng)干燥傳質(zhì)的網(wǎng)格物理模型，將與陶瓷生坯直接接觸的外圍空間區(qū)域與干燥設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)建立關(guān)聯(lián)，區(qū)域相關(guān)數(shù)值取決于干燥設(shè)備設(shè)置和控制結(jié)果；

5、步驟(3)：將陶瓷生坯介質(zhì)計(jì)算區(qū)域的空間和時(shí)間離散化；建立基于菲克定律、質(zhì)量和能量守恒的干燥傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型；設(shè)置傳質(zhì)的初始條件與邊界條件，以及傳熱的初始條件與邊界條件；

6、步驟(4)：采用交錯(cuò)網(wǎng)格求解陶瓷生坯的干燥過程傳質(zhì)傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)是否達(dá)到相應(yīng)陶瓷生坯的干燥平衡含水量來確定是否重復(fù)迭代求解，最終模擬出陶瓷生坯的溫濕度隨干燥時(shí)間的變化分布。

7、步驟(3)中，基于菲克定律、質(zhì)量和能量守恒的主要傳熱傳質(zhì)模型如下：

8、

9、

10、式中，符號(hào)w，t，δ，t分別表示水含量、溫度和厚度以及時(shí)間維度，d為隨干基含水量和溫度變化的擴(kuò)散系數(shù)，表示磚坯密度，cps，cpl分別表示磚坯材料和水分的比熱；

11、通過將空間和時(shí)間離散化處理c＝δt，e＝δδ；則w(i，j)，t(i，j)分別指時(shí)間點(diǎn)(tstart+cj)時(shí)坯體厚度方位(ei)處的干基濕含量和溫度；并設(shè)置初始條件和邊界條件：

12、w(δ，0)＝w0?(3)

13、t(δ，0)＝t0?(4)

14、

15、ws-l(外界與磚坯交界)＝wend?(6)

16、

17、其中，w0，t0表示磚坯干燥前的初始濕度和溫度，wend指臨界含水量，claythickness指磚坯厚度，hc為對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)熱風(fēng)所改用干燥介質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)求解，m為單位時(shí)間單位面積的水分蒸發(fā)量，牽涉到坯體表面蒸氣壓和氣體蒸氣壓的差異；ta指熱風(fēng)的溫度，tsurf指磚坯表面溫度，lv(tsurf)指tsurf溫度下水的汽化潛熱，λh為導(dǎo)熱系數(shù)。

18、3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，其特征在于，步驟(4)中，下個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坯體表面溫度tsurf,利用公式(5)結(jié)合煙氣參數(shù)采用迭代法估算：首先，根據(jù)上個(gè)時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf0估算一個(gè)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf1，根據(jù)tsurf1計(jì)算相應(yīng)的物性參數(shù)，再根據(jù)該物性參數(shù)倒推出表面溫度tsurf1′，當(dāng)差值(tsurf1-tsurf1′)小于設(shè)定的數(shù)值，便停止迭代獲取當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf1；

19、1)過程中水的主要物性計(jì)算

20、令坯體中水分為純水，結(jié)合坯體溫度變化其物理性質(zhì)采用以下公式計(jì)算：

21、①水的蒸發(fā)潛熱hw，單位kj/kg：

22、hw＝c1-c2t5+c3t4-c4t3+c5t2-c6t?(8)

23、②水的飽和蒸汽壓psvp，單位pa：

24、

25、③水的密度，單位kg/m3：

26、

27、三個(gè)公式中的t都是指溫度，單位k，為坯體表面溫度或干燥煙氣的溫度；c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12為實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)值；

28、2)煙氣的物性參數(shù)計(jì)算：

29、煙氣的物性參數(shù)采用以下公式近似估算：

30、①煙氣比熱cp，單位kj/(kg·k)：

31、

32、②動(dòng)力黏度η，單位pa·s：

33、

34、③導(dǎo)熱系數(shù)λ，單位w/(m·k)：

35、

36、gij＝εijφij

37、

38、其中mi，mj指對(duì)應(yīng)組分的摩爾質(zhì)量，λi為單一氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，yj和yi是指對(duì)應(yīng)氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)，而gij為結(jié)合系數(shù)，通過中間系數(shù)εij和φij求取。

技術(shù)特征：

1.一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，其特征在于，步驟(3)中，基于菲克定律、質(zhì)量和能量守恒的主要傳熱傳質(zhì)模型如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，其特征在于，步驟(4)中，下個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坯體表面溫度tsurf,利用公式(5)結(jié)合煙氣參數(shù)采用迭代法估算：首先，根據(jù)上個(gè)時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf0估算一個(gè)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf1，根據(jù)tsurf1計(jì)算相應(yīng)的物性參數(shù)，再根據(jù)該物性參數(shù)倒推出表面溫度tsurf1′，當(dāng)差值(tsurf1-tsurf1′)小于設(shè)定的數(shù)值，便停止迭代獲取當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)表面溫度tsurf1；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種陶瓷生坯熱風(fēng)干燥過程的模擬方法，利用有限體積法(或相關(guān)網(wǎng)格技術(shù))建立陶瓷生坯的網(wǎng)絡(luò)物理模型；根據(jù)實(shí)際陶瓷生坯的相關(guān)物性特征參數(shù)對(duì)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化；建立陶瓷生坯外圍空間的熱風(fēng)干燥傳質(zhì)的網(wǎng)格物理模型；將陶瓷生坯介質(zhì)計(jì)算區(qū)域的空間和時(shí)間離散化；建立基于菲克定律、質(zhì)量和能量平衡的陶瓷生坯干燥過程的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型；設(shè)置傳質(zhì)的初始條件與邊界條件，以及傳熱的初始條件與邊界條件；采用交錯(cuò)網(wǎng)格求解陶瓷生坯干燥傳質(zhì)傳熱數(shù)學(xué)模型，最終模擬出陶瓷生坯的溫濕度隨干燥時(shí)間的變化分布。

技術(shù)研發(fā)人員：何正磊,滿奕,劉澤君
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21