木材の吸・脱湿過程のコンピュータ・シミュレーション

Abstract

木材中の水分の拡散がFickの法則に従うと仮定して, 木材の吸・脱湿過程を有限差分法を用いてシミュレーションを行ない, 平均拡散係数の推定, 拡散係数を用いた吸・脱湿平衡時間の算出, 木材表面上に湿気の伝達層を仮定した場合の見掛けの拡散係数の意義についての検討を行なった。1) 木材表面では瞬間的に外気と水分平衡に達すると仮定した場合: 含水率依存性の拡散過程について, 初期および平衡含水率に対応するそれぞれの拡散係数と平均拡散係数Dの関係を求め, 吸・脱湿いずれの場合も平均拡散係数Dの値には初期含水率に対応する拡散係数の寄与が大きいことを明らかにした。ここで含水率依存性の拡散過程と平均拡散係数を用いた拡散過程とを比較すると, それぞれの過程の終期において吸湿では含水率依存性の拡散過程が速やかに進行し, 脱湿では逆に平均拡散係数を用いた拡散過程の方が速やかに進行する。次いで, 木材の吸・脱湿平衡時間を知るため, 吸・脱湿量が平衡量の0. 5, および0. 99に達する迄の時間t_<0. 5>およびt_<0. 99>を算出した結果, t_<0. 99>, /t_<0. 5>の値は相対湿度の変動範囲40 - 80％で, 吸湿で6. 5 - 8. 5, 脱湿で10. 0 - 13. 0の範囲にあることが分かった。2) 木材表面上に湿気の伝達層を仮定し, この層を通しての湿度平衡の容易さを表わすパラメータ(表面伝達係数, K) を定義した場合: 密度および厚さが異なる木材の吸湿過程で, 表面伝達係数を変化させた場合に見掛けの拡散係数D_<ap>がどのように変化するかを算出した。次いで, 見掛けの拡散係数を用いた吸湿過程と表面伝達層を考えた場合の吸湿過程を比較し, 両曲線はt_<0. 5>で交叉するが, 吸湿の初期および終期では両曲線の差はKの値が小さいほど大きくなることを明らかにした。

The moisture sorption processes of wood were simulated by a numerical method with finite differences under simple and transmissible boundary conditions. First, mathematical simulations were carried out under a simple boundary condition that the moisture content of wood surface reaches at the equilibrium immediately after the sorption starts. The average diffusion coefficients (D) for sorption processes with moisture content dependent diffusion were calculated, and the numerical relation among D and diffusion coefficients at initial and final stages was obtained. The sorption process calculated with D proceeds apart from moisture content dependent diffusion process above 60% of total moisture change, where the moisture dependent sorption goes ahead of the constant diffusion process for adsorption, but conversely for desorption. A equilibrium time was calculated to be 6.5 to 8.5 times of the half-sorption time for adsorption, and 10.0 to 13.0 times for desorption. Using a model with transmission layer on the wood surface, sorption processes of wood of various densities and thicknesses were simulated at different surface transmission coefficients (K). For each case, apparent diffusion coefficient (Dap) of wood was calculated, and the sorption processes simulated with K and D were compared with the simple boundary process using Dap.