冷凍干燥是一種很好的保存出土的飽水文物的方法，因為它能有效防止收縮、開裂、斷裂等現象的發生。本文建立了采用輻射加熱方式的文物一次干燥過程的物理模型，并用有限元計算軟件進行了數值模擬，探討了文物的形狀、尺寸、輻射板溫度等因素對干燥時間的影響。利用一定條件下的計算結果，對在一次干燥期間可能出現的最高溫度與加熱溫度、干燥箱內壁溫度的關系進行了回歸。

　　冷凍干燥通過將水凍成冰然后在真空中升華的方式除去物料中水分。與其它干燥方式相比，冷凍干燥法具有很多優點，如能保持物料的初始形狀，已經在藥品、名貴食品、保健品生產中獲得廣泛應用，并在超細粉體制造領域嶄露頭角。文物是一個國家歷史的見證，我國在近年來的大規模建設使得出土的待保護的文物不斷增多。出土的文物一般都富含水分，在進行長期保存前必須進行脫水干燥處理。干燥后用于陳列的文物應輕度或無收縮、無斷裂、無顏色改變，這對干燥過程提出了很高的要求。目前研究較多的干燥方法有自然干燥法、熱空氣干燥法、連續真空干燥法及冷凍干燥法等，熱空氣干燥法和真空干燥法由于本身的局限性很容易引起文物的收縮和開裂，自然干燥法從浸漬到完全干燥需要花費很長的時間。冷凍干燥法能有效地防止干燥過程中的收縮、開裂、斷裂等現象，干燥后文物的三維穩定性較好，是一種值得推薦的快速干燥方法。

　　使用冷凍干燥法處理文物的缺點是需要昂貴的凍干設備。此外，飽水文物的冷凍干燥工藝還是值得研究的課題。對于食品、藥品的凍干，其工藝的制定與凍干過程的傳熱傳質機理有關。程江等建立了一維的食品輻射傳熱冷凍干燥的數學模型，在假設干燥層內的溫度分布為線性的情況下得到了解析解。陳孟林等建立了二維的瓶裝物料的凍干模型，對瓶壁導熱的影響進行了分析。鄒惠芬等建立了二維的眼角膜的凍干模型，研究了凍干時間與凍干室壓力、升華界面溫度的關系。BrU¨lls 等建立軸對稱的瓶裝物料的凍干模型，對瓶底弧度、瓶子熱容、瓶子在擱板上位置的影響進行了研究。與食品、藥品等物料相比，飽水文物具有以下不同點：

　　①形狀不規則；

　　②體積一般較大，且不可分割；

　　③需用較高濃度的保護劑（如50%的PEG）做前處理，這些不同點使得文物凍干過程的傳熱和傳質具有自己的特點。

　　目前，國內外針對飽水文物的冷凍干燥過程本身開展的研究仍很少。Jensen P. & Jensen J.B 于2006年建立了一個一維的通過導熱方式提供熱量的文物一次干燥過程的數學物理模型，并利用實驗數據擬合得到了相關的傳熱和傳質系數。

　　浙江省博物館在省科技廳資助下建立了一套大型的冷凍干燥裝置，以輻射供熱方式來進行出土木質文物的凍干。由于文物具有稀缺的特點，使得以文物為樣本進行的實驗越少越好。為達此目的，本文將建立一個兩維的通過輻射方式提供熱量的一次干燥過程的數學物理模型，通過數值方法對該過程進行研究，為更好地開展實驗工作提供參考。

1、物理模型

圖1 干燥箱里輻射加熱板及文物木頭的布置

　　圖1 給除了三種典型形狀的文物木頭在干燥箱里的布置方式，輻射板通過熱輻射為干燥過程的持續進行提供熱量。

　　一次干燥過程的數學物理描述參考非穩態的升華界面連續移動模型。假設：

　　①在二維截面上冷凍區和干燥區的木頭看作是均質的，各向同性；

　　②冷凍區和干燥區有明確的分界，即升華界面，在該面上冰和水蒸氣處于相平衡狀態；

　　③木頭表面是灰體，忽略木頭表面與真空中分子之間的換熱；

　　④輻射板表面是灰體；

　　⑤干燥過程中體積不發生變化；

　　⑥忽略木頭表面傳質阻力，即認為木頭表面水蒸氣分壓為一定值。描述干燥過程的方程有：

3、結論

　　本文進行了輻射加熱方式下文物冷凍干燥過程的數值模擬，對影響干燥進程的若干因素的分析表明：

　　①文物的尺寸有明顯影響，對于圓形截面文物，干燥時間與直徑指數關系；

　　②在截面積一樣時，不形狀的文物由于表面接受熱輻射的面積不一樣，干燥時間也會不同；

　　③冷凍干燥過程中可能出現的最高溫度與輻射板溫度及箱內壁溫度有關，對于本文模擬的某不規則形狀文物，這一關系近似線性。

　　本文得到的結果將有助于木質文物冷凍干燥實驗的設計及實驗結果的解釋。