基于串并聯理論木材導熱系數的初探研究?

郝曉峰 熊幸陽 允 帥 李賢軍 吳義強

1 概述

木材以其良好的環境學特性被廣泛地應用于室內裝飾及家具材料[1]。在木材使用過程中，為了提高木材的尺寸穩定性，需要不同程度地對木材進行干燥及高溫熱處理[2-3]，此過程需要消耗大量的能源，制約木制品生產成本。利用數學模型可以量化表征上述熱處理過程[4-5]，采用精確的解析解或近似的數值解求解該問題，以得出木材傳熱過程中的溫度場分布，為優化干燥及熱處理工藝提供理論依據。在上述傳熱控制方程中涉及了如比熱容、導熱系數等熱物性參數，前人也做了大量的研究[6-7]。以導熱系數為例，Maclean、Kollmann等基于實驗數據建立了導熱系數的回歸數學模型，但該導熱系數模型為統計學模型而非機理模型，不能從本質上揭示木材結構對導熱系數的影響。筆者試圖從木材微觀構造出發，利用孔隙率及液相水飽和度等概念，并結合串并聯理論建立木材橫向與縱向導熱系數模型，從本質上分析木材密度、水分及溫度對木材導熱系數的影響。

2 木材導熱系數模型構建及物性分析

2.1 導熱系數模型構建

2.1.1 物理模型

為便于數學描述，對木材微觀構造進行適當簡化，引入以下假定進行物理模型的構建。

假定1：將木材視為由固相骨架物質、液相水和氣相組成的多孔材料，細胞為立方體空心結構；

假定2：自由水與吸著水皆存在于細胞腔中；液相水飽和度是指液相水在細胞腔內所占的相對體積，含水率則反映的是液相水占木材的重量分數；……