硕士学位论文-单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟.doc

分类号密级UDC学位论文单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟作者姓名：杨指导教师：张副教授东北大学机械工程与自动化学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械设计及理论论文提交日期：2011年6月论文答辩日期：2011年6月学位授予日期：2011年7月答辩委员会主席：评阅人：东北大学2011年6月AThesisinMechanicalDesignandTheoryNumericalSimulationofTemperatureFieldandFluidFieldwithintheSingleChannelDrumDryerByYangXueSupervisor:AssociateProfessorZhangZhenweiNortheasternUniversityJune2011-I-独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年一年一年半两年学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要-II-单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟摘要单通道滚筒干燥机在对流为主的传热方式下工作，广泛应用在化工、轻工、煤炭、建材以及冶金行业。本文介绍了滚筒干燥机的工作原理并采用流体力学软件FLUENT对干燥机内的气相和离散相流场分别进行分析和研究，得到对实际干燥操作具有指导意义的模拟结果。首先运用前处理技术完成网格的划分工作，然后进入后处理中进行一系列的设置和研究分析。本课题主要是从气相和气固两相两方面进行模拟，气相模拟选用的物理模型较少，所以迭代的速度很快。改变入风口尺寸重新模拟气相流场，并分析对比改变前后流场的变化情况，气相模拟的结果可为气固两相的分析提供参考。气固两相的研究过程比较复杂，采用标准的模型，蒸发模型，混合模型，组k分输运模型，选择SIMPLE算法，入口和出口分别施加速度入口和压力出口的边界条件，得到流场的速度图、温度图和压力图，改变方案即增加挡风板，再次模拟气固两相流通过对比得出结论：增加挡风板干扰了气流的流动，不仅使能源得到了有效的利用，而且降低了最大流速，增加了物料滞留时间，提高了干燥质量。分别选取uni和Rosin-Rammler方法定义颗粒尺寸分布，使用离散相模型进行颗粒运动轨迹的研究，模拟出颗粒直径分布图和颗粒停留时间分布图。得出结论：颗粒直径越小，追随性越好，在滚筒内受热风影响越显著；颗粒直径越大，惯性越大，离心力越大。本文基于流体力学和传热学的理论，提供了单通道滚筒干燥机内流场的研究方法，得到了气固两相流场连续相和离散相的模拟结果，并与生产实际相比较，证明了所得结果是符合实际的。这些结果为后期干燥机结构的改进和优化提供了依据。关键字：滚筒干燥机；气相；气固两相流；离散相东北大学硕士学位论文Abstract-III-NumericalSimulationofTemperatureFieldandFluidFieldwithintheSingleChannelDrumDryerAbstractThesinglechanneldrumdryerworksinamainwayofdryingwithconvention.Ithasbeenwidelyusedinthefieldsofchemistrylightindustrycoalbuildingmaterialsandmetallurgy.ThisarticledescribestheworkingprincipleofthedrumdryerandfluiddynamicsoftwareFLUENTisusedtoanalysisandresearchinthepaper.Itcangetthesimulationresultswhichguidetheactualdryoperation.Pre-treatmenttechnologyisappliedtocompletetheworkofdividinggridandthenaseriesofsetupandanalysisshouldbedoneinthepost-processing.Theanalysisofthisissueismainlyconsideredbetweenthegasphaseandgas-solidphase.Thesimulationofgasphaseisrelativelysimpleandthechosenphysicalmodelsarefewsoititeratesfast.Changethesizeoftheairinletsimulateflowfieldofgasphaseagainandanalysistheresultswhichhasbeenchanged.Theanalysisofgas-solidphasecanrefertothesimulationresultsofthegasanalysis.Itiscomplextoresearchtheprocessofthegas-solidphase.Andthestandardkmodelevaporationmodelhybridmodelandcomponenttransportmodelarechosentosimulatethefluidflow.BesidesSIMPLEalgorithmisselected.Inletandoutletarerespectivelyimposedonvelocityboundaryconditionandpressureboundarycondition.Afterthesimulationthevelocitydistributionthetemperaturedistributionandthepressuredistributioncanget.Transtheprogramforexampleincreasewindshieldboardandsimulatethegas-solidphaseoncemore.Contrasttothesedistributionpictureitconcludethatthewindshieldboardinterferewiththeflowofairwhichnotonlyisenergymadefulluseofbutalsomaximumvelocityisreducedparticleresidencetimeisincreasedanddryingqualityisimproved.UniandRammlerRosinsareselectedtodefineparticlesizedistributionandusediscretephasemodeltosimulateparticletrajectoryinordertosimulatetheparticlediameterdistributionandparticleretentiontimedistribution.Thendrawaconclusion:thesmallparticlediameterfollowsbetterpropertiesandismoresubjecttohotair.Thelargerparticlediameteristhegreaterinertiaandcentrifugalforceare.东北大学硕士学位论文Abstract-IV-Thepaperprovidesaresearchaboutflowfieldofsinglechanneldrumdryerbasedonthetheoriesoffluidmechanicsandheattransfersothatitgetstwo-phaseflowfieldofcontinuousanddiscretephasesimulationresults.Comparedwiththeactualproductiontheobtainedresultsareprovedtruly.Theseresultsprovideadequatebasisforlateimprovementandoptimizationofthedryersstructure.Keywords:drumdryergasphasegas-solidtwo-phaseflowdiscretephase东北大学硕士学位论文目录-V-目录独创性声明.I摘要.IIAbstract.III第1章绪论.11.1概述.11.1.1干燥技术及其设备.21.1.2干燥技术的未来趋势.31.2干燥原理.41.2.1外部条件控制的干燥过程.41.2.2内部条件控制的干燥过程.41.3滚筒干燥机概况.41.3.1滚筒干燥机的国内外现状.41.3.2滚筒干燥机工作原理.61.4本文研究意义、研究内容及研究方法.71.4.1课题研究意义.71.4.2主要研究内容.81.4.3研究方法.8第2章计算流体动力学理论基础.92.1计算流体动力学.92.1.1计算流体动力学概述.92.1.2流体力学基本概念.102.1.3流体流动的分类.112.2湍流在CFD中的应用.132.2.1湍流的性质.132.2.2FLUENT中的湍流模型.132.3气固两相流理论.19东北大学硕士学位论文目录-VI-2.3.1两相流研究现状.192.3.2两相流基本方程.20第3章滚筒干燥机内流体有限元模型的建立.253.1前处理器Gambit概述.253.1.1几何建模能力.253.1.2网格生成技术.253.1.3区域模型的设定.263.2计算模型的建立.283.2.1滚筒干燥机结构简化.283.2.2流体计算模型相关参数.283.3网格的划分.303.4边界条件定义.333.5褐煤的物理性质.333.6本章小结.34第4章滚筒干燥机内单相流的数值模拟.354.1传热学基础.354.1.1热传导.354.1.2热对流与对流换热.354.1.3热辐射.364.2参数计算.374.2.1滚筒干燥机工作参数确定.374.2.2进出口边界条件计算.384.2.3边界湍流参数确定.384.3求解的设定.404.3.1求解器的选择.404.3.2湍流模型.404.3.3能量模型的设定.404.3.4操作环境的设置.404.3.5算法的选择.40东北大学硕士学位论文目录-VII-4.4结果分析.414.4.1气相温度场.414.4.2速度场模拟.434.4.3静压分析.444.4.4动压分析.454.4.5总压分析.464.5变结构气相模拟.474.5.1变结构气相速度场.484.5.2变结构气相温度场.49第5章滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟.515.1引言.515.2物料模型的简化.515.3气固两相流模拟.515.3.1入料口速度.515.3.2边界湍流参数确定.525.4求解的设定.525.4.1多相多组分的设置.525.4.2物理材料的定义.525.4.3蒸发模型.535.5结果分析.545.5.1温度场分析.545.5.2速度场分析.565.5.3压力场分析.585.6改变滚筒干燥机结构.615.6.1变结构温度场.615.6.2变结构速度场.635.6.3变结构压力场.645.7离散相模拟.675.7.1离散相模型的设定.67东北大学硕士学位论文目录-VIII-5.7.2定义射流源.675.7.3离散相边界条件.695.7.4结果分析.695.8本章小结.72第6章结论与展望.756.1结论.756.2展望.75参考文献.77致谢.81东北大学硕士学位论文第1章绪论-1-第1章绪论1.1概述干燥是许多工业生产中的重要工艺过程之一，它直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等。干燥技术的覆盖面较广，既涉及复杂的热、质传递机理，又与物料的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及工艺上。从70年代开始，中国着手进行干燥设备改造工作；80年代初逐步引进国外的各种干燥设备。近二十年来，中国的干燥设备取得了巨大的进步。由于中国干燥器需要量猛增，随之在中国出现了一批干燥器制造厂，基本上满足了国内市场的需要，还有极少量产品出口国外。除了特大型的和特殊需要的少量干燥器之外，大批进口干燥装置的时代已经结束；预料今后要逐渐增加出口，这是中国的干燥工程技术人员和制造厂共同努力的奋斗目标。让中国的研究、设计、制造和使用单位联合起来，为使中国的干燥技术与装备尽快地赶上世界先进水平而努力奋斗。滚筒干燥机是一种以对流为主的传热方式使物料加热、水分汽化的干燥器。尽管滚筒干燥机技术上并不先进，但它对物料的特殊作用使之到目前为止仍在广泛使用，目前还没有其设备能完全代替它。滚筒干燥机在化工、轻工、煤炭、建材以及矿冶行业占有重要地位，它不但可以用来干燥，还可以用来炒熟、杀菌和加热，在食品领域可以用滚筒干燥机干燥的物料有粮食、鱼粉、玉米酱、玉米饲料、牧草、果粉、淀粉渣饲料等，这些物料干燥的共同特点是都需要大量连续处理1-3。物料在干燥机内的运动是靠内部抄板不断将物料抄起和撒落，周期性向前输送，同时气流与飘落的物料相互作用，易于输送，不会有物料滞留死角等现象，干燥比较均匀4-5。颗粒物料在滚筒干燥机内的运动是十分复杂的，颗粒运动的机理取决于一系列的状态因素和物料本身的特性。目前有数以百计的各种干燥机类型，但适用处理高湿、物料产量大的干燥器并不多，滚筒干燥机就是其中的一种。按照被干燥物料的加热方式，可将目前的滚筒干燥机分为五种类型，即直接加热式干燥机、间接加热式干燥机、复合加热式干燥机、蒸汽煅烧干燥机、喷浆造粒干燥机6。而直接加热式干燥机内载热体直接与被干燥物料接触，主要靠对流传热，使用最广泛。本课题所研究的直接加热式单通道滚筒干燥机，规格为1.816m，此类滚筒干燥机与其他类型干燥机相比，其明显的优势在于：生产能力大，可连续操作。圆筒空间大，物料流动阻力小。操作弹性大，生产上允许产品的流量有较大的波动范围，并东北大学硕士学位论文第1章绪论-2-且不影响产品质量，清扫容易。可以用它干燥颗粒状物料，对于那些附着性物料也很有利。但在实际生产应用中的单通道滚筒干燥机，常常会出现热效率不高，操作人员对运行机理和内部温度和流动状况不清楚等现象，造成设计和使用的盲目性。本文利用计算流体动力学软件Fluent对滚筒干燥机内温度场和流场进行模拟分析。1.1.1干燥技术及其设备人们通常把采用热物理方式将热量传给含水的物料并将此热量作为潜热而使水分蒸发、分离操作的过程称为干燥。其特征是采用加热、降温、减压或其他能量传递的方式使物料中的水分产生挥发、冷凝、升华等相变过程与物料分离以达到去湿目的。简言之，干燥就是从各种物料中去除湿分的过程。各种物料可以是固体、液体或气体，固体又可分为大块料、纤维料、颗粒料、细粉料等，而湿分一般是物料中的水分，也可以是其他溶剂。在此以水分为对象，将干燥方法分为三类。（1）机械脱水法。为了减少干燥器的热负荷，减少湿物料中的水分含量是很重要的。机械脱水法就是通过对物料加压的方式，将其中一部分水分挤出。常用的有压榨、沉降、过滤、离心分离等方法。机械脱水法只能除去物料中部分自由水分，结合水分仍残留在物料中。因此，物料经机械脱水后其含水率仍然很高，一般为40%60%。但机械脱水法是一种最经济的方法。（2）加热干燥法。此方法也就是我们常说的干燥，它利用热能加热物料，汽化物料中的水分。除去物料中的水分需要消耗一定的热能。通常是利用空气来干燥物料，空气预先被加热送入干燥器，将热量传递给物料，汽化物料中的水分，形成蒸汽，并随空气带出干燥器。物料经过加热干燥，能够除去物料中的结合水分，达到产品或原料所要求的含水率。（3）化学除湿法。是利用吸湿剂除去气体、液体、固体物料中的少量水分，由于吸湿剂的除湿能力有限，仅用于除去物料中的微量水分。因此生产中应用很少。在实际生产过程中，对于高湿物料一般均尽可能先用机械脱水法去除大量的自由水分，之后再采取其他干燥方式进行干燥4。干燥过程的技术研究是一门庞大的学科，由于干燥过程的技术涉及面广，在化学工业技术研究中占有非常重要的地位，所以近年来备受人们关注。目前，对于干燥的研究越来越广泛和深入。研究内容包括：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、能东北大学硕士学位论文第1章绪论-3-源、质量、管理、软件等方面的研究。干燥可以分为两大类，一类要求干燥结束后，仍保持原料的原形，如很多食品类的干燥，建筑材料的干燥等。另一类是把液体、泥状、块状、粉状物料干燥后，成为粉状或颗粒状产品。有的干燥过程，特别是药品的干燥，希望不破坏原来的晶形。药品生产中，还常用到液体和粉状物料经干燥后达到一定粒径的颗粒。干燥设备的选型主要是根据被干燥物料的形态来确定，物料形态不仅决定其干燥方式，同时对干燥机的干燥效率、干燥质量、干燥均匀性及进（出）料装置等都有很大的影响，原料有时在进行干燥前需经前处理（如：减小尺寸、切片、造粒、挤压、与干品返混等），这些也会影响对干燥机的选择7；此外，回收和用户安装地点的可行性问题也要考虑8。因此干燥设备不仅仅是一个选型的问题，还应该制定科学的干燥工艺，才能达到满意的效果。干燥机的进料和出料也有技术问题，很多方面还是要凭借实践经验。从经济角度分析，处理量的大小也是选择干燥设备形式的因素之一。1.1.2干燥技术的未来趋势一般地，干燥技术的发展趋势仍将沿着：有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境影响、安全操作、易于控制、一机多用等方向发展。具体讲，干燥技术的未来发展将着重于：（1）在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质9-11；（2）大量使用间接加热（传导）方式；（3）采用组合式传热方式（对流、传导与介电或热辐射的组合）；（4）在特殊情况下，使用容积式加热（微波或高频场）；（5）组合使用不同类型的干燥器或常规干燥技术；（6）采用间断传热方式；（7）运用新型或更为有效的供热方法（如脉冲燃烧、感应加热等）；（8）运用新型气固接触技术（如二维喷动床、旋转喷动床等）；（9）设计灵活、多用途的干燥器；（10）使用模糊逻辑、神经网、专家系统等实现过程的控制；（11）干燥过程中包含的传热传质过程的变化和物理化学变化时注意环保；（12）在线测量湿含量及产品质量，等等12。东北大学硕士学位论文第1章绪论-4-1.2干燥原理1.2.1外部条件控制的干燥过程干燥过程中外部变量有湿度、温度、物料的物理形态、气流的流速和方向、搅动状况，和干燥器的持料方法。外部条件在排除非结合表面湿分时，即干燥的初始阶段特别重要，物料表面的水分通过物料表面的气膜以蒸汽形式向周围扩散，并伴随传热进行，故加速干燥可采取强化传热13。但干燥速率难以控制，例如原木类物料和瓷器排除自由水后，由内部到表面产生大湿度梯度，表面蒸发越快越易导致收缩，也就是过度收缩和过干燥。过干燥会在物料内部产生很高的应力，物料会弯曲或龟裂。在此情况下，相对湿度较高的气体作干燥介质既有较高的干燥速率又避免出现质量缺陷。另外，水果切片和根茎类蔬菜在此过程中过快干燥，会提高临界含水量而不利于提高干燥全过程的速率。1.2.2内部条件控制的干燥过程当物料表面的自由水分不充足时，湿物料接受热量后，就开始升温并形成内部的温度梯度，热量由外部传入内部，湿分自物料内部迁移到表面，此过程的机理依据物料结构特征而异。临界湿含量与物料干燥的最终湿含量基本一致时，内部湿分迁移发挥着主要作用。一些外部因素通常会提高表面蒸发速率，从而降低了重要性。若物料可以在较高温度下停留很长时间，此过程就能够顺利进行。受内部条件控制的干燥过程，其强化手段是有限的，通常减小物料的尺寸来减小湿分的扩散阻力是有效的。施加超声波、振动、脉冲有助于内部水分的扩散。由微波提供的能量可汽化内部水分，若辅以对流或抽真空方法能排除水蒸气。1.3滚筒干燥机概况1.3.1滚筒干燥机的国内外现状伴随着工农业领域的深刻变化以及科学技术和生产力的发展，人们对加工工艺和产品的质量的要求也逐年增高，产量也越来越大，滚筒干燥机是干燥较大物料产量的设备之一。它在现代干燥技术领域发挥着关键的作用，然而现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的国民生活质量的水平和综合国力密切相关。从一定意义上东北大学硕士学位论文第1章绪论-5-说，它代表着一个国家社会文明和国民经济的发达程度14。所以，滚筒干燥机的作用不容忽视。根据对湿物料的加热方式，把滚筒干燥机分为五种类型，分别是直接加热式干燥机、间接加热式干燥机、蒸汽煅烧干燥机、复合加热式干燥机、喷浆造粒干燥机。而直接加热式干燥机内载热体靠对流传热，与湿物料直接接触，应用范围最广泛。进一步细分，直接加热式干燥机分为常规直接加热滚筒干燥机、通气管式滚筒干燥机和叶片式穿流滚筒干燥机三种。间接加热式滚筒干燥机的载热体与湿物料不直接接触，湿物料所吸收的热量都是靠传热壁传给的。根据热载体的不同，间接加热滚筒干燥机又细分为常规式和蒸汽管式。蒸汽煅烧干燥器，顾名思义既能进行煅烧，又能进行干燥。位于回转筒内的翅片管用来传递加热蒸汽而获得热量。复合加热式滚筒干燥机的一部分热量是载热体与物料直接接触而传递的；另一部分热量是干燥介质经过传热壁传给湿物料，是对流传热和热传导两种形式的组合，热利用率高。喷浆造粒干燥机15的回转筒中能完成干燥和造粒两个任务。喷嘴将料浆喷射到筒内，返料螺旋抄板安插在筒体内部，能完成自身返料的工序，简化流程，提高了设备的生产强度。国内的许多地方都在研究新型干燥机。合肥水泥研究院成功研制了组合扬料板式烘干机，内部设有多段形状不同的扬料板，导向阻料圈和径向折流板，物料在烘干机内部沿轴向呈“波浪”向前“蠕动”，在圆断面撒落均匀，延长了烘干的时间。山东省的天力干燥设备有限公司成功研发了带自清理结构的糟渣类物料转筒干燥机，该干燥机涵盖了流化床技术、惰性粒子回转圆筒干燥技术、气流技术。三种技术相结合极大地拓宽了使用范围，不仅仅能干燥粘性物料、甚至可以干燥液体物料。DJH型烘干机616是顺流、单筒、升举抄板转筒机，依据被干燥物料的性能和运行的具体条件，设定干燥器的倾角和转速、扬料板的结构尺寸，DJH型烘干机采用最佳组合参数工作，提高了干燥能力。除此之外，该类烘干机制造简单，