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干燥发展的新态势及一种新方法可以应用在干燥微观领域研究（1）
战洪仁 张建伟 李冬艳
（沈阳化工学院机械工程学院，辽宁 沈阳，110142）
摘 要：分析了当前干燥学科发展的新态势及干燥微观领域研究状况，并简单介绍了格子气自动机法的发展状况及FHP模型和扩展模型LG模型原理，并用LG模型对液体的相变过程进行模拟，从模拟结果可以清晰地看到气泡的产生、生长、分解过程。在模拟相变过程的基础上，分析了LG模型应用在干燥微观领域研究的可行性。
关键词：干燥；新态势；格子气自动机； LG（liquid-gas）模型；相变；微观；数值模拟
1前言
干燥是一门庞大的学科，由于干燥涉及的面广，在国民经济中占有尤为重要的地位，所以近年来在全球范围倍受人们关注,对干燥的研究越来越广泛和深入。对其研究包括：基础研究（理论、模拟、模型等）；应用研究（以设备为对象的工艺、控制、测试等）；干燥方法研究（微波、冷冻、喷雾、过热蒸汽干燥等）；基于产品的研究（如食品、农产品、纸张、木材干燥等）；还有环境、能源、质量、管理、软件等方面的研究。
从历届干燥会议（无论是国际的，还是国内的）发表的论文，可以看到干燥的主题是变化的：在早些年，节能和干燥机的设计放大是主要的论题；而最近几年的主要论题则是质量、利用数学模型的优化以及发展新型的干燥技术。在过去的十年里，全世界只有少数几个研究小组关注微观水平的干燥模型，以至于目前干燥微观领域研究仍是一个有待开拓的课题[1。2.3.4]。
干燥过程是复杂的传热传质过程，属于化学工程里的复杂系统。近年来，化学工程领域出现了前所未有的新动向，在2002年9月召开的190次香山科学讨论会上，会议的议题是“过程工程中的复杂系统”包括化学工程向过程工程的发展；复杂系统与多尺度方法；微化工系统与纳——微结构；21世纪的过程工程与学科交叉等[5.6]。
中国科学院过程研究所的郭慕孙院士作了“化学工程到过程工程”的主题报告，他强调随着过程工程的不断发展与开拓，今后必须建立过程工程的前沿，要特别关注一些学科交叉的新的增长点。天津大学余国琮院士在会上提出了在复杂系统“三传一反+X”的研究重点为向分子——纳米、颗粒、设备、过程及至全球多层次发展，其中分子层次涉及分子热力学、分子动力学、分子设计。清华大学汪家鼎院士特别强调分子模拟和微尺度是今后发展的重要方向[5.6]。
化学工程到过程工程的变化历程以及未来过程工程基础研究的发展趋势，向人们清楚地展现了现代科学从宏观到微观发展的前进脚步。干燥是一种典型的过程工程，干燥物料大多为含湿多孔介质，在干燥过程中多孔通道以及一些多孔生物物料内的细胞结构，颗粒的微观尺度和设备的宏观尺度以及多种参量场的联合作用，构成了干燥过程传热传质的复杂系统。在传热传质学和过程工程迅速发展的背景下，对干燥过程的基础研究，也必须迎来一个从传统走向现代，从宏观过渡到微观的新阶段。
2 干燥微观领域研究状况
对干燥过程微观领域的研究，有助于我们揭示干燥过程本质，准确建立传热传质理论，对干燥过程中出现的各种现象如：裂纹、应力、变质、变色等做出更科学地分析。微观研究属于基础研究，为认识和试验新的干燥思想和干燥技术提供依据，符合干燥学科发展方向，应当为促进先进干燥技术的发展做出贡献，所以应当引起学术界的重视。
目前对干燥微观领域的研究还不多，主要是应用新的仪器和测试技术进行干燥微观领域的研究，例如可以借助于显微镜来观察干燥后物料的状态，包括水分的分布，裂纹的出现，颜色、成份的破坏等等[7.8]。有了这些微观层次的观察，更有助于研究人员分析干燥过程中出现问题的原因，从而找到解决问题的方法。这些都是基于实验的基础上的，干燥是一门多学科交叉的学科，不但要有传统的实验方法，还要发展数值模拟技术，这也是干燥学科发展的新方向，数值模拟技术可以弥补实验方法带来的实验操作不方便，实验设备短缺，以及实验方法不能分析的问题等缺点。数值模拟技术如果应用在干燥微观领域研究，那将使干燥学科又一进步，是干燥技术发展所需要的。
数值模拟在干燥领域的应用，主要是用差分或有限元方法分析干燥过程传热传质理论模型，即在连续介质假设基础上建立满足质量、动量和能量守恒定律的干燥过程的传热传质偏微分方程组，然后再把方程组离散，获得对干燥现象的理解和认识，或是用有限元软件模拟干燥物料内部水分、温度、应力等的分布状况[9]。这些数值模拟虽然涉及到了干燥物料内部状态，但还是属于以简化模型为基础的宏观参数描述方法，只能反映干燥物料结构的总体化特征，无法给出物料结构的微观细节特征对干燥过程的影响，所以还没达到微观的程度。寻求既能描述干燥物料结构中宏观传输特征又能得出微观传质细节的数值模拟方法，将会促进干燥微观领域研究的发展。
格子气自动机法是一种离散的数值模拟方法，可以模拟液体微观的相变过程，应用在干燥领域是可以尝试的。这里简单介绍格子气自动机方法，分析应用在干燥微观领域研究的可行性。
3 格子气自动机方法简介
格子气自动机(Lattice gas automata，缩写为LGA)也叫做格子气流体动力学(Lattice gas Hydrodynamics)，是以流体力学为背景发展起来的，以流体的分子运动论描述为基础，从微观领域出发进行数值计算的一种正演模拟方法，根据微观运动过程的某些基本特征建立简化的，一种时间离散，空间离散，所研究的物理对象也离散的物理模型，其根本思想是用简单的局域相互作用来表现复杂系统的整体行为，即通过在微观上模拟粒子的相互作用，试图在宏观上达到模拟复杂物理现象的目地[10]。
格子气自动机的前身是细胞自动机，在20世纪40年代就诞生了，真正的格子气的思想是在1952年我们国家的李政道和杨振宁提出的，格子气自动机方法的诞生引起了世界各国科学家的浓厚兴趣，对其发展作了很多的研究。其中比较重要的一次研究成果是，1972年，法国的J.Hardy，Y.Pomeau，O.de Pazzi为解决二维流体力学中输运系数分散的问题，提出了第一个完全离散速度的模型，即以他们的名字命名的HPP模型，该模型是把流场划分为正方形网格，遗留下了各向不同性的问题，并且不能导出流体力学的Navier-Stokes方程[11]。为格子气发展做出重要贡献的是1986年，法国尼斯(Nice)天文台的U.Frisch、美国Los Alamos非线性研究中心的B.Hasslacher和巴黎高师(ENS)物理系的 Y.Pomeau联名发表了一篇“Lattice-gas automata for the Navier-Stokes equations”的文章，提出了以他们的名字命名的FHP模型。他们成功的模拟了一些经典的流体力学问题，并证明了该模型的宏观行为符合标准的Navier-Stokes方程[11]。从此格子气方法受到国际上高度重视，开始了广泛的研究，后来一些研究者对FHP模型作了一些有益的改进和补充，使它更趋完善。
发展到今天格子气经历了很多模型，从速度方面包括了单速模型，多速模型；从空间的维数方面又有二维、三维、高维模型；从模型是否遵守Pauli不相容原理，又有单粒子和多粒子模型，从流体的粒子是否是全同的又有单相和多相模型。所以格子气模型能模拟很多流体力学和其他物理现象，在流体力学里，包括大量的经典绕流问题、管道流动问题、多相流问题、多孔介质流体流动问题、湍流问题、还有磁流体问题等等；其他领域里包括模拟液滴微粒的形成，即相变问题；晶体的增长问题；化学反应和扩散问题；地震波问题；气体的声震荡衰减问题，还有交通流等问题[10~13]。可见随着计算机科学和数值模拟技术的发展，格子气方法已经渗透到了科学的很多领域，能够模拟许多复杂现象，包括自然现象、生命现象、社会现象，有着广阔的发展空间。
4 格子气自动机基本模型FHP模型原理
格子气模拟流场，是直接从Boltzmann碰撞模型出发作完全离散处理，FHP模型是将流场划分成间距为1的正三角形网格，时间也离散成整时间步（t=0，1，…， …）；流体想象成具有单位质量没有体积的粒子，存在于网格节点上并沿网格线运动；不同方向的粒子运动到同一个节点根据一定的规则（称为碰撞规则）同步的随着整时间步相互碰撞和移动（称为时间演化），如图1[14]所示，如此往复下去，演化时间足够长后，作时间和空间统计平均，即得出宏观的力学量，如密度分布，动量分布等。
碰撞规则决定节点粒子碰撞后的运动状态如图2所示，碰撞规则的设计必须遵循质量、动量、能量守恒定律。另外，格子气模型的运行还应服从Pauli不相容原理，即在同一时刻同一网格点上，每一个速度方向最多允许有一粒子，它为Boole型表示提供了可能，可以用“1”表示有粒子，“0”表示没有粒子。
依据节点上有无静止粒子，FHP模型有FHPⅠ模型（节点上无静止粒子）；FHPⅡ模型（节点上至多一个静止粒子）；FHP Ⅲ模型（节点上可允许有多个静止粒子）。
FHPⅡ模型网格节点的状态可按粒子运动方向采用二进制数的方式来表示。假设用ｓ(ｘ，ｔ)表示节点ｘ在时刻ｔ的状态，即：s(x，t)=( nα(x，t); α=0，1，2，3，4，5，6)
其中nα(x，t)为boole变量，表示x节点t时刻以速度eα运动的粒子数占有的情况，对应于nα=1或0，eα={cos(πα/3)，sin(πα/3)}， α=0，…，5。静止状态的粒子速度为e6={0，0}。即FHPⅡ是具有7个速度的二维空间模型，用7位二进制数表示节点的状态如图3所示的格子中在α=0和α=2的方向上有速度，其状态可表示为：s(x，t)={1，0，1，0，0，0，0}。
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