（化学工程专业论文）闪蒸干燥器（spin+flash+dryer）分布器流场的数学模型研究.pdf

中文摘要 本文针对现有旋流闪蒸干燥器的结构存在的不足之处，应用f l u e n t 6 0 软 件提出新结构的一些建议。 首先对旋风分离器内气相流场和旋流闪蒸干燥器的各项速度沿径向分布进 行数值模拟和实验研究。建立了旋流干燥器的流体力学模型，使用f l u e n t 6 0 计算流体力学模拟软件模拟出了旋流干燥器气相速度场三维轴向、径向和切向的 分速度场分布。并且用实验室实测实验数据对模拟结果进行了验证，取得了很好 的一致性。此外，还用o r i g i n 7 0 软件来对实验室实际测量计算得到的切向速度 在径向的位置迸行无量纲分析，找出了旋流闪蒸干燥器切向速度的分布规律。 借鉴上述计算模拟过程中模型的选择和边界条件的设置，针对带分布板旋流 闪蒸干燥器进行了模拟研究。利用c f d 分别对圃管形分布器、圆锥形分布器、 方管形分布器进行模拟分析从整体上讲，方管型干燥器能够使切向速度分布更加 均匀，提高干燥能力。 关键词：数值模拟，气相流场，c f d , 分布器，旋流闪蒸干燥器 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a x i a l , r a d i a la n dt a n g e n t i a lv e l o c i t i e si nb o t hc y c l o n ea n ds p i nf l a s h d r y e rw e r ee x p e r i m e n t e da n da n a l y z e d w i t hc f ds o f t w a r e t h eh y d r o d y n a m i c s m o d e li ns p i nf l a s hd r y e rh a sb e e nb u i l ta n dt h ea x i a l ，r a d i a la n dt a n g e n t i a lg a s v e l o c i t y & l dh a db e e ns i m u l a t e du s i n gt h ec f ds o f t w a r e o ff l u e n t6 0 t h e s i l u l a t i v er e s u k sw e r ev a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h er e s u l t sg o th i g h c o n s i s t e n c y t h ee x p e r i m e n td a t ao f t a n g e n t i a lv e l o c i t yw a sa l s oa n a l y z e d i nn o n l i n e a r r e g r e s s i o na n d t h ed i s t r i b u t i n ge x p r e s s i o no ft a n g e n t i a lv e l o c i t ya l o n gr a d i u sh a db e e n b u i n t h ec o m p u t a b l em o d e la n db o u n d a r ya b o v e m e n t i o n e dw e r eu s e d t ot h e s i m u l a t i v er e s e a r c ho fs p i nf l a s hd r y e rw i t hd i s t r i b u t o r t h ep i p ed i s t r i b u t o r , t a p e r d i s t r i b u t o ra n dp i p ed i s t r i b u t o rw e r ea n a l y z e du s i n gc f d t o t a l l y , t h et a n g e n t i a l v e l o c i t yw a sd i s t r i b u t e dm o r ee q u a b l ya n dt h ed r y i n ga b i l i t yw a si m p r o v e d , w h i l e u s i n gp i p ed i s t r i b u t o r k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ，g a sf i e l d ，c f d ，d i s t r i b u t o r , s p i nf l a s hd r y e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做储鹕捌千裤醐叫纠印咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储繇拗手 签字日期：砷月多日 ， 聊躲钐文伽 签字日期；伊7 年 月了日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 气流干燥设备的研究与应用 近年来，干燥理论的研究方面没有突破性的进展，干燥技术的进步主要集中 在干燥设备结构的改进上，最大限度地适应所处理物料的需要，使应用技术更加 完善，工艺也趋于合理。经过多年的发展，我国的干燥行业已形成了一定的企业 数量和生产规模。现从事干燥设备的企业，主要分布在制药机械、化工机械、食 品机械、农产品加工机械、矿山冶金、林产品、轻工陶瓷等设备加工行业，这些 行业的干燥设备生产企业占全行业总数的8 0 9 6 以上。 从近年来国内外干燥设备的开发方向，主要有以下几种趋势：几种传热形 式综合应用，使之在干燥的不同阶段发挥各种传热形式的优势，使设备用得更加 合理；设备的大型化发展。任何生产都有最佳经济规模，干燥设备的放大技术 能保证实现规模化生产，因此设备的大型化研究是今后的发展方向之一。干燥 设备专用化，有针对性的设计干燥设备更能发挥其作用，从技术至经济均有一定 意义。多级及组合干燥系统的开发。不同形式的干燥设备可以适用不同的物料 或可以适用物料不同的干燥阶段，组合干燥可以最大限度地优化干燥过程，使干 燥系统更加合理。设备的多功能化。现在的干燥设备己不仅仅局限于干燥操作， 有时还将粉碎、分级、甚至加热反应集于一机之中，大大缩短生产工艺流程，使 设备呈多功能化。 1 1 1 气流干燥设备的发展概述 气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。 该法是使加热介质( 空气、惰性气体、燃气或其他热气体) 和待干燥固体颗粒直接 接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传 质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作。气流干燥流程图如图1 1 所示。 气流干燥装置可分直接进料的、带有分散器的和带有粉碎机的。另外，还可分为 有返料、热风循环以及并流或环流操作的气流干燥装置。 第一章文献综述 筐 、 。- - - 一，。 - - - - _ l 么 i， -k -加黼jq 陷 j 压 一 1 抽风机；2 袋式除尘器；3 排气管；4 - 旋风除尘器； 5 干燥管；6 - 螺旋加料器；7 - 力口热器；8 - 鼓风机 图1 1 气流干燥基本流程图 f i g l 一1p n e u m a t i cd r y i n gf l o wc h a n 1 1 1 1 气流干燥的特点j i ( 1 ) 气固两相间传热传质的表面积大。固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状 态，这样，使气固两相之间的传热传质表面积大大增加。由于采用较高气速 ( 2 0 - - 4 0 m s ) ，使得气固两相问的相对速度也较高，不仅使气固两相具有较大的传 热面积，而且体积传热系数h a 也相当高。普通直管气流干燥器的h a 为2 3 0 0 - - - 7 0 0 0 w ( m 3 k ) ，为一般回转干燥器的2 卜3 0 倍。 由于固体颗粒在气流中高度分散，使得物料的临界湿含量大大下降。例如， 平均直径为1 0 0 1 a n 的合成树脂，在进行气流干燥时，其临界湿含量仅为1 2 ；某些结晶盐颗粒的临界湿含量更低( 0 3 - - 0 5 ) 。 ( 2 ) 热效率高、干燥时间短、处理黄大。气流干燥采用气固两相并流操作， 这样可以使用高温的热介质进行干燥，h 物料的湿含量愈大，干燥介质的温度可 以愈高。例如，干燥某些滤饼时，入口气温可达7 0 0 ( 2 以上；干燥煤时，入口气 温为6 5 0 ；干燥氧化硅胶体粉末时，入口气温3 8 4 ；干燥粘土时，入口气温 5 2 5 。c ；干燥含水石膏时，入口气温可达4 0 0 。c 。而相应的气体出口温度则较低， 干燥某滤饼时为1 2 0 。c ；干燥煤时为8 0 ；干燥氧化硅胶体粉末时为1 5 0 ：干 燥粘土时为7 5 。c ：干燥含水石膏时为8 3 。c 左右。从上述情况可以看出，干燥气 体进出口温差是很大的。干物料的出口温度约比干燥气体出口温度低2 卜3 0 。 2 第一章文献综述 高温干燥介质的应用可以提高气固两相间的传热传质速率，提高干燥器的热效 率。例如，干燥介质温度在4 0 0 。c 以上时，其干燥效率为6 0 一7 5 。 气流干燥的管长一般为1 0 2 0m ，管内气速为2 0 _ 一4 0m s ，因此湿物料的 干燥时间仅0 5 2 s ，所以物料的干燥时间很短。 ( 3 ) 气流干燥器结构简单、紧凑、体积小，生产能力大气流干燥器的体积 可以下式计算 v = q 红，。 ( 1 - 1 ) 式中，v 为干燥器的体积，m 3 ；g 为热流量，k j h ；h ，为单位干燥器体积传热 系数，k w ( m 3 k ) ；a t m 为进出口气固相的温差，。 由于气固两相并流，有些物料的气流干燥进口处气固两相的温差可达4 0 卜 5 0 0 ，故t m 值很大，同时气流干燥的体积传热系数h ，值也很大，于是在所需 求的热量g 值为某一定值时，气流干燥管体积必定很小。换句话说，体积很小的 气流干燥器可以处理很大量的湿物料。例如直径为0 7 m ，长为l 卜1 5 m 的垂 直气流管可以用来干燥2 5 t h 的煤，或1 5 t h 的硫铵。设备占地面积少。 气流干燥器结构简单，在整个气流干燥系统中，除通风机和加料器以外，别 无其他转动部件，设备投资费用较少。 ( 4 ) 操作方便在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程 联合操作，流程简化并易于自动控制。 ( 5 ) 气流干燥的缺点气流干燥系统的流动阻力降较大，一般为 3 0 0 0 - 4 0 0 0 p a ，必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使用的 气速高，流量大，经常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器。 气流干燥对于干燥载荷很敏感，固体物料输送量过大时，气流输送就不能正 常操作。 1 1 1 2 气流干燥的适用范围i i ( 1 ) 物料状态气流干燥要求以粉末或颗粒状物料为主，其颗粒粒径一般在 0 5 珈7 m m 以下，至多不超过l m m 。对于块状、膏糊状及泥状物料，应选 用粉碎机和分散器与气流干燥串联的流程，使湿物料同时进行干燥和粉碎，表面 不断更新，以利于干燥过程的连续进行，或者采用将一部分干燥合格的产品返回 喂料口与湿物料相混合，使湿膏状物料、泥状物料分散成粉状物料后进行气流干 燥。 气流干燥中的高速气流易使物料破碎，故高速气流干燥不适用于需要保持完 整的结晶形状和结晶光泽的物料。极易粘附在干燥管的物料如钻白粉、粗制葡萄 糖等物料也不宜采用气流干燥。 如果物料粒度过小，或物料本身有毒，很难进行气固分离，也不宜采用气流 3 第一章文献综述 干燥。 ( 2 ) 湿分和物料的结合状态气流干燥采用高温高速的气体作为干燥介质， 且气固两相间的接触时间很短。因此气流干燥仅适用于物料湿分进行表面蒸发的 恒速干燥过程；待干物料中所含湿分应以润湿水、孔隙水或较粗管径的毛细管水 为主。此时，可获得湿分低达0 3 - 0 5 的干物料。对于吸附性或细胞质 物料，若采用气流干燥，一般只能干燥到含湿量2 - - - 3 。 1 1 1 3 旋转气流干燥器的发展概述 旋转气流干燥器是利用流态化结合气流干燥，使气体夹带物料颗粒从切线方 向进入旋转干燥室，沿热壁产生旋转运动，使物料颗粒处于悬浮旋转运动状态， 因此既使在雷诺数较低的情况下，颗粒周围的气体边界层处亦能呈高度湍流状 态。由于切线运动，使气固两相相对速度大大增加。此外，由于旋转运动使颗粒 粉碎、气固相接触面积加大，也强化了干燥过程。 1 1 1 4 闪蒸干燥器( s p i nf l a s hd r y e r ) 闪蒸干燥器国内也称旋流干燥器、旋转快速干燥器，是处理膏状物料的理想 设备。在上世纪7 0 年代从丹麦引入我国，最早应用在染料行业。到目前为止， 经过广大工程技术人员的不懈努力，已经把原来的机型改变了多种型式，进风方 式也由原来的狭缝进风增加了切线进风，可以降低系统阻力。闪蒸干燥器上部有 分级器，同时又增加了物料的分级功能，有效保证了产品粒度。根据不同物料采 取与其他干燥设备组合的方式，又增加了设备的应用范围。干燥器也已经实现了 系列化，目前该干燥器的直径已放大到3 0 0 0 m m ，可以说，目前闪蒸干燥器是发 展最快，应用最广泛的机型之一。在染料、农药以及其他有机化工、无机化工、 矿物加工等行业都有大量应用o 】。 1 1 2 旋风分离器的工作原理及应用 旋风分离器的工作原理是使含尘气体在除尘器内作旋转运动，气体中的颗粒 物受到离心力的作用被甩向外壁，从气流中分离出来，使含尘气体得到净化。旋 风分离器结构简单，制作加工比较容易，造价比较低。它的维护使用简单、方便， 耐高温，对高浓度粉尘适应性比较好，是治理小型锅炉烟尘污染的主要设备，亦 常用于高浓度含尘气体的初级净化，或在生产中用来作为粉料气力输送设备的卸 料器。 在过去3 0 年中，图1 2 所示的x l p 旋风分离器在环保领域发挥了很大作用。 但存在较多不足。为此，高黎明最新设计了t l x 新型高效旋风分离器，通过设 4 第一章文献综述 计改进，优势明显，且由于除尘器内加速而增大了尘粒的离心力，使x l p 型旋 风除尘器里除不掉的小颗粒得以在t l x 新型高效旋风除尘器内除去，降低了后 级除尘的载荷1 2 - 1 5 1 。 t i 型简图 图1 - 2x l p 型和t l x 型简图 f i g 1 2t h ep i c t u r e so f x l pa n dt l x 一汽技术中心从2 0 0 1 年开始，利用c f d 进行旋风筒的分析和计算。用3 种 不同结构除尘器的滤清效率比较；同一结构除尘器在不同空气流量下滤清效率比 较；除尘器水平、垂直放置对滤清效率的影响。计算的滤清效率、压降和试验值 均较接近f 1 6 婚i 。 王伟文，丁丽【19 1 等人测定了环流式旋风除尘器的压降和器内的压力分布， 实验所用设备：m 4 2 6 m m 、 1 5 0 m m 的环流式旋风除尘器，与常规犁、b 型高效 旋风除尘器作比较。实验物系为空气，入口气速为1 6 3 0 m s 。实验结果表明： 与常规型、b 犁高效旋风除尘器相比，该新型环流式旋风除尘器的压降仅为常规 型、b 型高效旋风除尘器的1 3 1 2 ，且随直径增大，压降增大不明显；压力分 布的规律为：压力基本上呈轴对称分布；径向位置上，在一次分离区内，压力变 化不大：轴向位置上，随轴向自下而上，压力先增大后减小，然后基本趋于稳定， 入口处的压力变化较大。 瞢两 第一章文献综述 1 风机，2 - 孑l 板流量计，3 一倾斜压差计，4 一蝶阀，5 加料斗 6 - 办口料孔，7 力口料控制装置，8 常规型或b 型高效型旋风除尘器 9 环流式旋风除尘器 图1 3 旋风除尘器实验流程图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls e t u p 1 1 3 闪蒸干燥器的原理及应用 旋转闪蒸干燥过程是具有当今先进水平的干燥技术。它的出现，引起各国干 燥专家的研究和重视，很快就应用于生产之中，并取得了显著结果。该干燥技术 对高黏度的膏状物、沉积物或滤饼可直接进行干燥，并一次获得颗粒微细的粉体； 由于热风与物料接触时间短，可以对触变性、热敏性物料及生物菌丝体进行干燥， 并具有防止焦化变色的作用。旋转闪蒸干燥器具有结构简单、操作方便、干燥产 品质量好等特点【z 们。 旋流闪蒸干燥器是一种流态化干燥和气流干燥相结合的干燥设备，被广泛地 应用于多种行业中【2 1 - 2 4 1 。为了使干燥系统的工作状态更加稳定，产品的质量更加 可靠，操作工艺更简单，安全性更好，单宝峰【5 】等对旋转闪蒸干燥系统从参数 计算，确定设备到系统图绘制的计算机辅助设计均进行了研究。首先根据干燥系 统所需的风压、风量和热量来确定系统中的各种设备，再对系统中的风机、干燥 主机、旋风分离器、袋滤器进行确定。 在理论研究和试验分析的基础j 二，舒安庆等人f 26 】对旋流闪蒸干燥器旋转流 场进行了研究，通过对理论式进行无量纲化，拟合得到了切向速度分布、轴向速 度分布和沿程压力降的经验式，为旋转闪蒸干燥器的进一步研究和工业应用提供 了有益的帮助。 切向速度分布经验式： 6 第一章文献综述 昔( 云厂3 0 = 一2 3 - 。5 沁+ 3 。6 轴向速度分布经验式： b v o “( 小2 k 代， 干燥器下部阻力降经验公式： ，2 卸，= 1 1 9 x 1 0 7r e 一1 1 0 丛 ” 2 国外对旋流闪蒸干燥器也进行过一定研究 2 7 - 2 9 1 ，天津大学的顾芳珍、钱树德 3 0 1 通过理论分析和试验研究表明，旋风筒的切向速度分布不出现势流区，主要 呈现平面圆旋流分布趋势，旋转气流强度随着高度衰减。对干燥粘性膏状物料特 别有效，能够将难于处理的粘性膏状、浆状物料一次加工成粒度较均匀的颗粒与 粉末。设备结构紧凑，能较大幅度节省能耗，降低设备投资与操作费用。装置中 的切向速度分布模式有利于干燥有结块趋势的粘性物料。 但上述闪蒸干燥器( s p i nf l a s hd r y i n g ) 尚存在截面利用不足的缺点，干燥器 的型号( 尺寸) 增大，单位体积( 或截面) 设备的生产能力会下降。为解决该问 题，故应用f l u e n t 软件进行模拟，提出合理结构，为今后设计提供参考意见。 1 2 气相流场流体力学分析 随着电子计算机和数值计算方法的迅速发展，人们可以通过数值计算的方法 来直接求解控制方程和边界条件来解决湍流流动现象，从而形成计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 这一学科分支。c f d 涉及计算机科学、流体力 学、数值分析等科学。 1 2 1 气相流场模拟研究进展 气相流场模拟研究具有花费少、速度快、模拟能力强等优点，大大减小了计 算流体力学研究的工作量，扩大了计算流体力学的应用范围。计算流体力学技术 还不是很成熟，在用这项技术来对流动现象进行预测的时候，需要对复杂的流动 现象进行处理，然后用数学模型来描述它，如果数学模型的描述不够精确，计算 7 第一章文献综述 结果可能会有所偏差，甚至没有任何意义。 晁忠喜，孙国刚【3 1 1 等人采用c f d 软件提供的d s m 模型对旋风分离器中的 气相流动规律进行了数值模拟，壁面边界条件采用无滑移边界条件；各方程对流 项采用二阶差分格式；建立网格系统时使用了贴体坐标的概念。结果表明，采用 合适的网格系统和边界条件等，d s m 模型对粗旋风分离器有良好的预测精度； 出口边界条件不同是造成粗旋风分离器与常规旋风分离器内流场不同的原因。 王宏伟，王建军，金有海1 3 2 1 利用f l u e n t 软件和雷诺应力模型( r s m ) 对装 有分流型芯管的导叶式旋风管内部三维强旋湍流流动进行了数值模拟计算。由于 分流型芯管结构复杂，其壁面细缝的方向性和较特殊的结构尺寸变化，针对这一 问题采用结构和非结构网格相结合的方法进行网格划分。将入口环行空间和芯管 内的气相流场数值模拟结果与实验结果进行了对比，结果表明，数值模拟与实验 值吻合较好。 宋健斐，魏耀东【3 3 】等人对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟， 重点考察流场的非轴对称特性，为此选择能较好反映湍流各向异性的r s m 模型， 压力梯度项采用p r e s t o ! ( p r e s s u r es t a g g e r i n go p t i o n ) 方法来处理，各方程对 流项均采用q u i c k 差分格式。升气管出口假设为充分发展的流动，壁面采用无 滑移条件及标准壁面函数进行处理。网格划分采用六面体结构化网格。模拟结果 表明旋风分离器环形空间的流场呈现明显的非轴对称分布；筒体和锥体空间的流 场也存在一定的非轴对称性。 张吉光，张竹茜1 3 4 1 等人对一台切向进口旋风分离器，以三维贴体坐标为基 础，应用b r a d s h a w 的修正k - e 湍流模型，用非交错的s i m p l e 算法对静电旋风 分离器的气相流场进行求解。计算结果与实验结果进行了对比，分析了电晕极的 不同安装位置对旋风分离器流场的影响。 陈中，黄健华，刘青f 35 1 为简化计算，假设环管喷射反应器内流动为轴对称 稳定流动，引入r e y n o l d s 分解和平均，并对气相湍流用k - e 湍流模型封闭。采用 由p a t a n k a r 等发展的s i m p l e 方法对微分方程组进行求解。利用交错网格系统， 对流项差分采用混合格式，对环管喷射反应器混合室流场进行了冷态数值模拟研 究。模型成功预测了混合室流动特性及其六平均速度和压力分布。 为了考察适合旋风分离器流场模拟的湍流模型，魏志军、张平p 6 l 等人采用 三维贴体网格，应用p h o e n i c s 程序对旋风分离器气相流场进行了数值模拟， 湍流模型分别采用标准k 模型和c h e n k i n 模型，通过计算结果与实验数据的 对比发现，与标准k - e 模型相比较，c h e n - k i n 模型更适合于模拟涡旋流动，可以 用来进行旋风分离器流场模拟。 孙风霞、卢春喜p7 1 等人用智能型五孑l 探针对催化裂化沉降器带简状物的旋 8 第一章文献综述 流快分系统内的气体流场进行了测试。应用c f d 软件，采用应力输运方程模型 对系统内气相流场进行了三维数值模拟，考察适合该旋流快分系统内流场模拟的 湍流模型。结果表明，应力输运方程适用于带筒状物的旋流快分器内三维流场的 数值模拟。 陈雪莉、吕术森、周增顺【3 8 】等人对适用于高温高压下的一种新型旋风分离 器的气相流场用粒子动态分析仪( p d a ) 进行了测试，利用c f d 软件，并选用 r n gk 和r s m 湍流模型对新型旋风分离器的流场进行了模拟，应用 p h o e n i c s 计算程序对具有不同几何参数的旋风分离器气相流场进行求解，网 格采用自适应结构化网格，计算方法是有限体积法，近壁处理采用标准壁面函数。 通过对两种湍流模型进行模拟比较，找出了适合模拟该种旋风分离器流场的湍流 模型雷诺应用模型( r s m ) 。 姜正良，宗润宽【3 9 】等人对直筒型导叶直流式三相旋流器的内部气相流场进 行了数值模拟，采用标准k - 模型、r n gk - 模型以及r s m 模型分别进行模拟， 计算方法为有限体积法，压力速度耦合采用s i m p l e 算法，连续方程、动量方程、 湍动能方程、湍能耗散率方程均采用一阶迎风格式。模拟结果比较表明，r s m 模型比其他两种模型更加适合用于模拟三相旋流器的内部气相流场，并且将内部 流场结构简化为二维轴对称模型以节约计算机资源。 易林，王灿星对螺旋型旋风分离器进行了两相流场的三维数值模拟，气 体流场通过求解三维n s 方程得到，湍流模型采用了雷诺应力模型，数值模拟 采用有限体积法，控制方程得离散采用控制容积积分法，其中对流项的离散采用 q u i c k 格式。计算结果表明，螺旋通道中的流场是比较稳定的切线流场，在筒 体中心区域，流场由内层的强制涡和外层的自由涡组成，流场变化剧烈，压力损 失很大 彭维明1 分析了湍流中的计算流体动力学模型然后用介于a s m 和r s m 之 间的一个混合模型，对切向分离器的流场进行了理论计算，得出了切向分离器中 的流场分布结果。用激光多普勒装置试验测试了分离器中的速度分布，根据实验 结果，表明以b a r t h 模型为代表的分离模型适合于切向分离器。 李文东、王连泽f 4 1 】利用交错网格的s i m p l e 方法对切向入口旋风分离器内 的流场进行了数值模拟，为了分析验证不同湍流模型的适用效果，分别选用了标 准k - e 模型、s m i t h 修正模犁和c h e n k i m 修正的模型，通过对同一工况模拟结 果与试验数据比较，发现标准k 吨模型不适合用来对切向入口旋风分离器内的流 场进行预测，修正后的湍流模犁得到的结果与实验结果基本吻合，相对来说s m i t h 的修正模型要好于c h e n k i m 的修正模型。在轴向速度的预测上3 种模型得到的 结果相差不大，与试验结果基本吻合。 9 第一章文献综述 青岛科技大学的王洪刚、项曙光【4 】在对不同效率和压降模型进行分析的基 础上，建立了旋风分离器的模拟和设计模型。并基于该模型开发了用于旋风分离 器校核、模拟和设计的计算机程序，该程序包含了效率模型、压降模型等，具有 较高的准确性。 应纯同、曾实、彭维明【4 4 l 在分析了湍流中的计算流体动力学c f d 模型后， 用介于a s m 和r s m 之间的一个混合模型，对涡管分离器中的流场进行了理论 计算，得出了涡管分离器中的流场分布规律，并与r i e t e m a 为代表的模型基本吻 合。然后用激光多普勒装置试验测试了分离器中的速度分布，揭示了在涡管分离 器底部有强烈的方向向内的径向流动。 1 2 2 闪蒸干燥器的气相流场研究 l 1 一分级器2 干燥室3 一进料口 4 搅拌器5 一气体分布器 图1 4 旋流闪急干燥器结构简图 f i g 1 4s t r u c t u r eo f as p i n f l a s hd r y e r 旋流闪蒸干燥技术是在气流干燥技术的基础上发展起来的，旋转流场对干燥 过程影响很大，研究旋转流体的流体力学特性也就成为旋流干燥的重要任务之 一。 舒安庆，刘燕4 5 1 等人以天津大学研制的旋流闪急干燥器( 如图l _ 4 ) 为实验 装置，假定旋转流为不可压流体的定常流动，采用雷诺方程经简化推出干燥室旋 流切向速度沿径向分布规律为： l o 第一章文献综述 v = 七，1 轴向速度沿径向分布规律为： 匕= c l 圭，卜”+ c 2 l 一，i 其中：n 为旋转特性指数，c l 、c 2 为积分常数。 为了使表达式更具通用性，将实验数据进行拟合， 验式： ( 1 2 ) 得到了切向速度分布的经 兰f 二1 ：2 1 3 l o 一5r e + 3 0 6 ( 1 - 3 ) irj 轴向速度分布经验式： 、1 3 0 兰：o 1 4 f 二1 + o 9 2 ( 1 - 4 ) ，o irj 天津大学的顾芳珍、钱树德f 4 6 ，4 8 1 通过理论分析与试验研究表明，干燥筒中气 流的切向速度分布既非势流流动的规律，亦非平面园旋流规律，从中心到器壁切 向速度一直在升高，器壁附近风速最大，中心处越小；另外，旋转气流螺旋上升， 越向上旋转速度越小，直至不再旋转。 李向荣、李丽婷、付经伦0 4 7 1 用稳流气道试验台对切向引入式的标准旋流筒 进行了稳流试验，为了更好地对稳流试验的三维流场进行数值模拟，运算模式选 为稳流模式，湍流模型为k 模型，差分格式选用二阶迎风格式，边界条件为压 力边界。将试验值与模拟数据进行比较，发现两者误差较小，证明模型的准确性， 也说明数值模拟与理论的一致性和可行性。 对于旋流闪蒸干燥器的气相流场模拟还处于探索阶段，因此需要我们进一步 研究闪蒸干燥器内部的流场。 1 3c f d 软件简介 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称，是 专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分 析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变 各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问 题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验 结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于 第一章文献综述 现有流动理论的商用c f d 软件。商用c f d 软件使许多不擅长c f d 的其它专业 研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的 程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题 的提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥 了商用c f d 软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工 程问题开辟了道路。 目前，c f d 软件已可以对许多复杂的单相流动问题求解一整套非线性、耦 合的偏微分方程组。湍流模式理论陋7 1 的发展亦为工程实用提供了一些较可靠的数 值模型，如目前广为应用的k s 两方程模型汹1 以及正在研究与应用中的r e y n o l d s 应力模型协1 。2 0 世纪8 0 年代以来，由s p a l d i n g 学派提出的多相物理化学流 体力学基本方程组口们和一整套多相流的数值解法( i p s a ) 以及一系列大型通用程 序( 如凤凰程序b ，p h o e n i c s ) ，已成功地对多维、稳态及非稳态、多相湍流、 有化学反应的实际过程进行数值分析与设计。目前，c f d 方法已开始成为工程 装置优化及放大的定量设计工具。在化工过程中引入这种方法，可在设备性能的 实验考察中以数值实验取代部分冷态实验和全尺寸热态实验，又如在过程设备设 计中，应用数值模拟结果比较不同方案的优劣等等。显然，这将使过程设备的设 计与优化在更大程度上依靠合理的计算，减少实验和设计工作的盲目性和工作 量，降低消耗并增加设计的可靠度。 使用c f d ，首先需建立研究系统或装置的计算模型；然后将流体流动的物 理特性应用到虚拟的计算模型，c f d 软件将输出所需要的流体动力性质。c f d 是一种高级的分析技术，它不仅可以预测流体的行为，同时还可以得到传质( 如 分离和溶解) 、传热、相变( 如凝固和沸腾) 、化学反应( 如燃烧) 、机械运动( 涡 轮机) ，以及相关结构的压力和变形( 如风中桅杆的弯曲) 等等的性质。 之所以要使用c f d ，至少基于以下三点： 1 通常的系统是很难模型化的，而c f d 的分析能够展示别的手段所不能揭 示的系统的性质和现象，因为c f d 对设计有很强的理解和可视能力。 2 c f d 能够快速的给出所需的结果。一旦给定问题的参量，这样才有可能 在很短的时间内调整设计问题的参数，得到最好的优化结果。 3 采用c f d 是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大 量的人力物力，使产品能更快的进入市场。 c f d 软件通常有三种功能，分别着重用于：前端处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、计算 和结果数据生成( c o m p u t ea n dr e s u l t ) 以及后处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 。 前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数据 录入( 或者从c a d 中导入) ，生成网格等；做完了前处理后，c f d 的核心解释 1 2 第一章文献综述 器( s o l 、僵r ) 将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后 处理过程通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式 给出来。 著名的c f d 处理工具如下： 用于前处理：g a m b i t 、t g r i d 、g r i d p r o 、g r i d g e n 、i c e mc f d 用于计算分析：f l u e n t 、f i d a p 、p o l y f l o w 用于后处理：e n s i g h t 、i b mo p e nv i s u l i z a t i o ne x p l o r e r 、f i e l dv i e w 、a v s 提供综合的处理能力： a n s y s 、m a y a 特殊领域的应用：i c e p a k 、a i r p a k 、m i x s i m 这些c f d 软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生物 医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工 程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。 1 4f l u e n t 概述 在本文的计算流体力学模拟中，前处理使用的软件为g a m b i t 2 0 ，计算分析 主要由f l u e n t 6 0 来完成。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为 6 0 ，凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理 模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油 天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包 括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消融聚积、多相流、管道流 动等等。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各 种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特 定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决 各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的 流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的 物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之 间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 其各软件模块包括： g a m b i t 专用的c f d 前置处理器，f l u e n t 系列产品皆采用f l u e n t 公 司自行研发的g a m b i t 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是具有超强组 1 3 第一章文献综述 合建构模型能力之前处理器，然后由f l u e n t 进行求解。也可以用i c e mc f d 进 行前处理，由t e c p l o t 进行后处理。 f l u e n t6 卜基于非结构化网格的通用c f d 求解器，针对非结构性网格模 型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的c f d 软件。 可应用的范围有紊流、传热、化学反应、混合、旋转流( r o t a t i n gf l o w ) 及震波 ( s h o c k s ) 等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快 速建立及s h o c k s 处的格点调适都有相当好的效果。 f i d a 卜基于有限元方法的通用c f d 求解器，为一专门解决科学及工程上 有关流体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于c f d 领域的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿 流流场、热传、化学反应等等。f i d a p 本身含有完整的前后处理系统及流场数值 分析系统。对问题整个研究的程序、数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 p o l y f l o 、- 针对粘弹性流动的专用c f d 求解器，用有限元法仿真聚合物 加工的c f d 软件，主要应用于塑料射出成形机、挤型机和吹瓶机的模具设计。 m i ) 【s i 卜一针对搅拌混合问题的专用c f d 软件，是一个专业化的前处理器， 可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流体力学软件的冗长学习过 程。它的图形人机接e l 和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底 部形状、折流板之配置，叶轮的型式等等。m i x s i m 随即自动产生3 维网络，并 启动f l u e n t 做后续的模拟分析。 i c e d a k 专用的热控分析c f d 软件，专门仿真电子电机系统内部气流、 温度分布的c f d 分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块 化的设计快速建立模型。 综上所述，对于工程问题，采用c f d 进行数值模拟，可以从全局上了解流 场分布，指导实验沿着正确的方向进行，从而节省实验所需的人力、物力和时间； 在模拟结果得到实验验证的前提下，还可以通过计算试验”的方法，短期内完成 常规手段难以想象的任务，极大地加快研究进度。 1 5 选题意义 鉴于现行的闪蒸干燥器存在的不足之处，对闪蒸干燥器进行c f d 数值模拟， 分析各影响因素，得出必要地结论，提出一些结构建议为闪蒸干燥器进一步发展 提供参考。 本文首先模拟了旋风分离器内气相流场的分布情况，然后模拟旋流闪蒸干燥 1 4 第一章文献综述 器的各项速度沿径向分布情况，目前关于旋流闪蒸干燥器的数值模拟的研究报道 还比较少。 本研究的目的就是通过旋风分离器和旋流闪蒸干燥器内部气相流场的c f d 数值模拟，研究流场分布、速度分布及压降影响；同时利用热线风速仪测量气流 速度，微压计测量压力，并记录试验数据，分析各向速度和压力的分布情况。通 过c f d 的模拟值与实验值进行比较，得到旋流闪蒸干燥器内部的气相分布规律 及适宜的模拟条件。最后对旋流闪蒸干燥器提出改进意见，即加入气体分布板以 改善气相流场，利用c f d 进行模拟分析，为闪蒸干燥器的进一步研究奠定理论 基础。 第二章旋流闪蒸干燥器实验装置 第二章旋流闪蒸干燥器实验装置 2 1 实验目的和装置 2 1 1 实验目的 旋流闪蒸干燥器内流场对干燥性能影响很大，研究旋转气流可以更好的研究 干燥器内的流动状况。通过计算机模拟几种不同分布板对气流分布的影响，对分 布板进行结构优化。采集计算机模拟所需的必要的数据，为验证模拟结果和修正 模型提供依据。 2 1 2 实验流程和装置 执 1 一分级器2 一干燥室3 一气体分布器 4 一搅拌器5 一加料器 图2 1 旋流闪急干燥器示意图 f i g 2 1s p i nf l a s hd r y e r 本套实验装置的是一台旋流闪蒸干燥器，它的工作原理为：湿物料由双螺旋 1 6 第二章旋流闪蒸干燥器实验装置 加料器从干燥器的中下部呈团粒或细条状加入，下落过程中由于部分水分蒸发及 被已干的细粉包裹，表面薄层被干燥，粘性大大降低。内湿外干的团粒落入由旋 转气流及搅拌器( 粉碎器) 形成的浓相旋转沸腾区。团块与搅拌器、团块与器壁及 团块彼此碰撞、搓擦、剥落，使团块或颗粒细化并预干燥。尔后随旋转气流螺旋 上升，较大较湿的团粒被甩向器壁再次落入沸腾区，较小较干的颗粒( 细粉) 经分 级器( 孑l 板) 分级，由捕集器收集为达到一定粒度、温度要求的产品。 影响旋流闪蒸干燥器的因素很多，如气体温度、湿度、风压、风速和颗粒大 小、球形度、物料性质等等。由于干燥器内气相流场是一个重要因素，而气相流 场的流动状况与分布板结构有密切关系，所以研究旋流闪蒸干燥器内分布板结构 对气相速度场就至关重要。 2 2 实验测试方法 在1 5 0 m m ，全高1 5 0 0 m m 的旋流闪急干燥装置中，用热线风速仪测量风 速、微压计测量压力( 因切向速度最大，径向速度最小，故仅测量切向速度，搅 拌器不搅拌) 。在干燥器距底1 0 0 0 m m ( 下断面靠近搅拌器) 处进行测量。 第三章旋流闪蒸过程的流体力学模型 第三章旋流闪蒸过程的流体力学模型 流场的数值模拟作为一种重要的研究手段，日益为人们所重视。与实验研究 相比，数值计算具有花费少、速度快、模拟能力强等优点，特别是当计算流体力 学软件的出现，大大减小了人工计算的工作量，推动了流体力学更深入的发展。 计算流体力学软件虽然还不是很成熟，但作为一门新兴学科，计算流体力学将会 随着技术的进步和发展而日趋成熟，并将在化工领域得到广泛的应用。 3 1 三维湍流流动的基本方程 湍流流动是自然界常见的流动现象，从物理结构上看，可以把湍流看成是不 同尺度的涡叠合而成。这些不同的涡的随机运动构成了湍流的一个重要特点一物 理量的脉动。为了考察脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把湍 流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加。引入r e y n o l d s 平均法，任 一变量妒、时均值万和脉动值7 之间有如下的关系：妒= 万+ 。将各瞬时量分 解为时均值和脉动值，并再对时间取平均，可得湍流流动的时均连续方程、 r e y n o l d s 方程和标量毋的时均输运方程。 詈+ 未( 肛扣o ( 3 1 ) 妄c 一毒( p u , u j ) = - 考+ 未卜考一p 瓦】蝎 c 3 乞， 即 型b t + 掣= 考( r 考一p 万卜 孤；孤il孤；j ( 3 3 ) 可以看到，时均流动的