（农业机械化工程专业论文）四重滚筒干燥机的模拟和优化.pdf

目录 中文摘要i 英文摘要i i i l 弓i 言1 1 1 课题研究的意义l 1 2 国内外研究动态l 1 2 1 国内滚筒干燥机的理论研究现状2 1 2 2 国外滚筒干燥机的理论研究现状2 1 3 研究目的和方法4 1 3 1研究目的4 1 3 2 拟解决的问题5 1 3 3 研究内容和方法5 2 四重滚筒干燥机内物料运动分析6 2 1 物料升举运动分析6 2 1 1物料滑动角的设定6 2 1 2 最大卸料角7 2 2 抄板内物料的下落过程研究8 2 2 1 抄板物性参数的研究8 2 2 2 抄板表层物料下落特性9 2 3 苜蓿草段下落阶段受力分析1 l 2 3 1 苜蓿草段的阻力系数的研究进展1 3 2 3 2 内层滚筒对苜蓿草段下落的影响1 3 2 3 3 苜蓿草段下落阶段各方向移动距离。1 5 2 4 倾斜角为零的滚筒干燥机物料滞留时间。1 7 2 5 小结2 0 3 四重滚筒干燥机内物料传热传质研究2 1 3 1 苜蓿草段水分扩散系数的研究2 1 3 1 1理论分析2 l 3 1 2 材料和方法。2 2 3 1 3 结果和讨论2 3 3 2 干燥机内传热的研究2 4 3 2 1能量方程。2 4 3 2 2 物料和气流的传热研究。2 5 3 3 热损耗的研究2 6 3 4 传热传质的有限元研究2 8 3 4 1有限元方法研究苜蓿草段的传质过程2 8 3 4 2 有限元方法研究滚筒保温壁传热过程3 0 东北农业大学工学硕士学位论文 3 5 卅、结3 3 4 物料在四重滚筒干燥机内干燥过程的模拟3 4 4 1 模拟软件的介绍3 4 4 2 模拟程序的设计及参数的确立3 4 4 2 1 模型假设3 4 4 2 2 参数的确定3 5 4 3 模拟程序的过程及求解。3 5 4 3 1 计算机程序模拟过程。3 5 4 3 2 计算机程序模拟结果分析。3 8 4 4 干燥机工作参数对热能损失的影响4 l 4 4 1 入口气流温度对热损的影响4 l 4 4 2 入口气流速度对热损的影响4 2 4 4 3 滚筒转速对热损的影响4 2 4 5 d 、结4 3 5 参数优化4 4 5 1 试验设备“ 5 2 试验方案4 4 5 3 试验结果分析与模拟结果验证4 5 5 3 1 干燥参数的影响4 5 5 3 2 各因素对滞留时间的影响4 7 5 4 工艺参数的优化4 9 5 4 1 结果分析与优化。5 0 5 4 2 各因素对含水率的的交互影响5 2 5 5 j 、结5 4 6 基于f l u e n t 的四重滚筒干燥机结构优化5 5 6 1 数学模型5 6 6 1 1 连续性和动量方程。5 6 6 1 2 湍流模型5 7 6 1 3 湍流流动的壁面方程5 8 6 2 数值模拟方法5 9 6 2 1 离散方法5 9 6 2 2 有限体积法的求解方法。6 0 6 3 数值模拟分析6 0 6 3 1 网格的生成和入口条件。6 0 6 3 2 结果分析6 2 6 3 3 结构优化6 4 6 4 d 、结6 8 7 结论6 9 目录 7 1 结论6 9 7 2 创新性研究与特色7 0 7 3 不足与完善7 0 致 谢7l 参考文献7 2 攻读学位期间发表的学术论文。7 6 i i i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hp u r p o s ea n dm e a n i n go ft h i ss u b j e c t 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d 1 1 2 1r e s e a r c hs t a t u so f r o t a r yd r y e ra th o m e 2 1 2 2r e s e a r c hs t a t u so fr o t a r yd r y e ra ta b r o a d 2 1 3r e s e a r c hm e a n i n ga n dm e t h o d so f t h i sp a p e r 4 1 3 1r e s e a r c hm e a n i n g 4 1 3 2p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d 5 1 3 3m e t h o d sa n dc o n t e n to f t h i sp a p e r 5 2m o t i o na n a l y s i s o fm a t e r i a l 6 2 1 a n a l y s i sa b o u tm a t e r i a ll i f t i n gp e r i o d 6 2 1 1 s e t t i n go f s h i p p i n ga n g l e 6 2 1 2m a x i m u ma n g l eo f m a t e r i a ll i f t i n gp e r i o d 7 2 2r e s e a r c ha b o u tm a t e r i a ll i f t i n gp e r i o di nf l i g h t 8 2 2 1 r e s e a r c ha b o u tp h y s i c a lp a r a m e t e ro ff l i g h t 8 2 2 2 f a l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s u r f a c em a t e r i a l 9 2 3f o r c ea n a l y s i so f f a l l i n ga l f a l f as e g m e n t 11 2 3 1r e s e a r c hp r o g r e s so nd r a gc o e f f i c i e n to f a l f a l f as e g m e n t 。1 3 2 3 2t h ee f f e c to fi n n e rr o l l e ro nf a l l i n ga l f a l f as e g m e n t 。1 3 2 3 3r e s e a r c hp r o g r e s so nf o r w a r dd i s t a n c ei nl i f t i n gp e r i o d 1 5 2 4r e s e a r c ho nt h er e t e n t i o nt i m e 1 7 2 5 s u m m a r y 2 0 3r e s e a r c ho nh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h ef o u r - f o l dr o t a r yd r y e r 21 3 1 r e s e a r c ho nm o i s t u r ed i f f u s i o no fa l f a l f as e g m e n t 。2 1 3 1 1 t h e o r e t i c a la n a l y s i s 2 1 3 1 2m a t e r i a la n dm e t h o do f t e s t 2 2 3 1 3 r e s u l t sd i s c u s s i o n 2 3 3 2r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e r i nt h ef o u r - f o l dr o t a r yd r y e r 2 4 3 2 1 e n e r g ye q u a t i o n 2 4 3 2 2 r e s e a r c ho na i r f l o wa n dm a t e r i a l lh e a tt r a n s f e r rp r o c e s s 2 5 3 3r e s e a r c ho nh e a tl o s s 2 6 3 4r e s e a r c ho nh e a ta n dm a s st r a n s f e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 2 8 3 4 1r e s e a r c ho nm a s st r a n s f e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 2 8 v 东北农业大学工学硕士学位论文 3 4 2r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 3 0 3 5 s u m m a r y 3 3 4s i m u l a t i o n no fm a t e r i a ld r y i n gp r o c e s s 3 4 4 1i n t r o d u c eo fs i m u l a t i o ns o t t w a r e 3 4 4 2t h ed e s i g no ns i m u l a t i o np r o g r a m 3 4 4 2 1 m o d e lh y p o t h e s i s 3 4 4 2 2d e t e r m i n e dp a r a m e t e r 3 5 4 3 s o l v i n gs i m u l a t i o np r o g r a m 3 5 4 3 1s l i m u l a t i o np r o c e s s 3 5 4 3 2 a n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s 3 8 4 4t h ee f f e c to f w o r k i n gp a r a m e t e r so nh e a tl o s s 4 1 4 4 1t h ee f f e c to fa i r f l o wt e m p e r a t u r eo nh e a tl o s s 4 1 4 4 2t h ee f f e c to f a i r f l o wv e l o c i t yo nh e a tl o s s 4 ：1 4 4 3t h ee f f e c to fr o l l e rr o t a t es p e e do nh e a tl o s s 4 2 4 5 s u m r n a y 4 3 5 o p e r a t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 一。| 4 5 1 e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 。4 4 5 2 e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 。4 4 5 3 a n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o n 4 5 5 3 1t h ee f f e c to f o p e r a t i n gp a r a m e t e ro nr e s u l t s 4 5 5 3 2t h ee f f e c to f f a c t o r so nr e s i d e n c et i m e 4 7 5 4 o p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s 4 9 5 4 1r e s u l ta n a l y s i s 5 0 5 4 2m u t u a li n f l u e n c eo ff a c t o r sa n dm o i s t u r ec o n t e n t 5 2 5 5 s u m m a r y 5 4 6s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nw i t hf l u e n ts o f t w a r e 5 5 6 1m a t h e m a t i c a lm o d e l 5 6 6 1 1 c o n t i n u i t ye q u a t i o na n dm o m e n t u me q u a t i o n 5 6 6 1 2t l i r b u l e n e em o d e l 5 7 6 1 3w a us u r f a c ee q u a t i o n 5 8 6 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 5 9 6 2 1d i s c r e t em e t h o d 。5 9 6 2 2f i n i t ev o l u m em e t h o d 6 0 6 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s 。6 0 6 3 1m e s hc r e a t i o n 6 0 6 3 2r e s u l t sa n a l y s i s 6 2 6 3 3s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 6 4 6 4 s u m m a r y 6 8 v i c o n t e n t s 7c o n c l u s i o n f ；9 7 1m a i nc o n c l u s i o n 6 9 7 2r e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i c 7 0 7 3 d e f i c i e n c ya n di m p r o v e m e n 7 0 a c k n o w l e d g e m e n t 7 1 r e f e r e n c e s 7 6 2 p u b l i s h e da r t i c l e sd u r i n gs p e c i a l i z i n gt h ed e g r e eo fm a s t e r 7 6 6 硕士生学位论文独创声明和使用授权 独创声明 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 翅遗查基他盂噩缱别直明鳆：奎栏亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：盔两洳日期：砂声年占月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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。 本人授权学校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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期：阳户年多月加日 导师签名。声皂适吼帅乡月 摘要 摘要 苜蓿草因为营养价值高而被广泛种植，用苜蓿草干燥设备干燥，能够在短时间内达到安 全贮藏标准且保留了大部分营养。 本文在分析滚筒干燥机内物料运动方式的基础上，将四重滚筒干燥机内苜蓿草段的运动 过程分为升举和下落两个部分。通过研究苜蓿草段的物性，计算升举阶段苜蓿草段的最大卸 料角度。研究滚筒干燥机内抄板特性，结合苜蓿草段的下落角度，分析出苜蓿草段在抄板上 的下落规律。通过对下落过程中的苜蓿草段进行受力分析，计算出滚筒内不同位置抄板上苜 蓿草段的下落量和下落高度，得出苜蓿草段平均下落高度和下落阶段所用时间。通过分析苜 蓿草段水平受力，计算出苜蓿草段在每个下落阶段的水平前进距离。结合升举和下落阶段所 用时间，获得苜蓿草段滞留时间的数学模型。 在理论和试验相结合的基础上，对苜蓿草段的物性进行了研究，获得了关于苜蓿草段水 分扩散系数的回归方程，为模拟苜蓿草段在滚筒干燥机内的干燥过程提供了依据。通过对滚 筒干燥机结构和物性的研究，提出了关于滚筒干燥机外壁向外界散热的数学模型。分析了每 层滚筒与相邻滚筒的换热过程，为模拟每层滚筒内苜蓿草段的干燥条件提供了理论依据。采 用有限元的方法，利用m a t l a b 软件的p d e 工具箱，对苜蓿草段的传质阶段和滚筒的传热 阶段进行计算，得出了苜蓿草段内部水分扩散方式和干燥机稳定工作时滚筒外壁的温度。 将苜蓿草段在滚筒内的干燥过程分为许多个阶段，将每个阶段内的连续方程、能量方程、 传热传质方程，编入模拟程序。通过输入苜蓿草段含水率和滚筒干燥机的工作参数，计算出 苜蓿草段在滚筒干燥机内的干燥过程和最终含水率。通过数值模拟计算出滚筒外壁的热损 失，并分析滚筒干燥机工作参数对热损失的影响。 通过实验验证模拟结果的准确性，发现模拟结果与实验结果相符，可以采用模拟程序代 替试验对滚筒干燥机工作参数进行优化。以入口气流温度、入口气流速度和滚筒转速作为影 响因素，出口苜蓿草段含水率为指标，进行响应曲面分析，建立回归模型，并优化滚筒干燥 机工作参数，得到各因素取值范围和最优值：入口气流温度最优值3 5 9 6 ，入口气流速度 1 1 8 m s ，滚筒转速1 0 1 r m i n 。并对各因素对出口苜蓿草段含水率的交互影响进行了分析。 采用f l u e n t 软件对四重滚筒干燥机内的流场进行分析，通过分析气固两相流在干燥机 内的作用，进行数值模拟，获得干燥机内的流场分布图、静压分布图和湍流动能分布图。对 干燥机内部流场、静压场和湍流动能场进行分析，发现气流运动方向与壁面所成角度是影响 气流速度的重要因素。对第二重滚筒底部和第三重滚筒迎风面进行结构优化，对优化后的流 场进行数值模拟并加以分析，结果表明，优化后干燥机内气流运动流畅，涡流减少，改善了 干燥机性能。 本文采用数值模拟和台架试验结合的方式，从物料运动、传热传质和干燥机结构等各个 方面对四重滚筒干燥机进行了研究，并优化了工作参数和内部结构，为提高干燥机的工作效 率提供了理论基础。 关键词苜蓿草段：四重滚筒干燥机：模拟；验证；优化 a b s t r a c t si m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ef o u r - f o l d r o t a r yd r y e r a b s t r a c t a l f a l f ah a sb e e np l a n t e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sn u t r i t i o n a lv a l u e a ss u i t a b l ed r y i n ge q u i p m e n t ， r o t a r yd r y e rf r e q u e n t l ya p p l i e dt od r ya l f a l f af o r a g es e g m e n tt os a f em o i s t u r ei ns h o r tt i m e i nt h i sr e a c h ，t h em o t i o np r o c e s so fa l f a l f af o r a g es e g m e n ti n s i d er o t a r yd r y e rw a sd i v i d e di n t o l i f t i n gp e r i o da n df a l l i n gp e r i o do nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s t h em a x i m u ma n g l eo f m a t e r i a li nl i f t i n gp e r i o dw a sc a l c u l a t e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l f a l f as e g m e n t a l f a l f a s e g m e n tf a l l i n gp r o c e s sw a sd e t e r i m i n e da c c o r d i n gt ot h ef l i g h tp r o f i l e s t h ea m o u n ta n dh e i g h to f a l f a l f as e g m e n t f a l l i n gw e r ec a l c u l a t e db yt h ef o r c ea n a l y s i so fa l f a l f as e g m e n ti nf a l l i n gp e r i o d a n da v e r a g et i m eo fa l f a l f as e g m e n tf a l l i n gw a so b t a i n e d t h eh o r i z o n t a lf o r w a r dd i s p l a c e m e n to f a l f a l f as e g m e n tw a sa c c o r d i n gt ot h ea l f a l f ah o r i z o n t a lf o r c e am a t h e m a t i c a lm o d e lt h a tp r e d i c t s t h er e t e n t i o nt i m eo fa l f a l f as e g m e n tw a se s t a b l i s h e dd u r i n ga l f a l f as e g m e n tl i f t i n ga n df a l l i n g p e r i o d o nb a s i so ft h e o r i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n to np h y s i c a lp r o p e r t i e so fa l f a l f as e g m e n t a r e g r e s s i o ne q u a t i o na b o u tm o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fa l f a l f as e g m e n tw a so b t a i n e d ，w h i c h p r o v i d e db a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd r y i n gp r o c e s so fr o t a r yd r y e a m a t h e m a t i c a lm o d e l a b o u th e a tl o s so fe x i n eo fr o t a r yd r y e rw a se s t a b l i s h e db ym e a n so fs t u d y i n go ns t r u c t u r ea n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so fr o t a r yd r y e r t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e so ft h ei n t e m a la n de x t e r n a lc l y i n d e r w e r ea n a l y s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd r y i n gc o n d i t i o n so fr o t a r y d r y e r af i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a se m p l o y e dt oa n a l y z et h em a s sv a n s f e ro fa l f a l f as e g m e n ta n d h e a tt r a n s f e ro fr o t a r yd r y eu s i n gm a t l a bp d et o o l b o x ，a n dt h em o i s t u r ed i f f u s i o ne q u a t i o no f a l f a l f as e g m e n ta n dt e m p e r a t u r eo fe x i n eo fr o t a r yd r y e rw e r eo b t a i n e d d r y i n gp r o c e s so fa l f a l f as e g m e n tw a sd i s c r e t e di n t om u l t i s t a g ep r o c e s s t h ec o m p u t e r p r o g r a mh a v e b e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h eh e a tt r a 【f l s f e r e q u a t i o n ，m a s st r a n s f e re q u a t i o n ，c o n t i n u i t ye q u a t i o n ，e n e r g ye q u a t i o ni ne v e r yp r o c e s s f i n a l m o i s t u r ec o n t e n ta n dh e a tl o s sw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ow o r k i n gp a r a m e t e r so fr o t a r yd r y e ra n d m o i s t u r ec o n t e n ta si n p u tp a r a m e t e r so fp r o g r a m a n da n a l y s i st h ee f f e c to fw o r k i n gp a r a m e t e r so n r o t a r yd r y e ro nh e a tl o s s a ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c tt ov e r i f yt h ev a l i d a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l tw i t hh i g hp r e c i s i o n 。 s ot h es i m u l a t i o np r o c e s sm a yb es e l e c t e da saw a yt oo p t i m i z et h ed r y i n gp a r a m e t e r sf o rt h er o t a r y d r y e r s e l e c t e dt h ea i r - f l o wt e m p e r a t u r ea te n t r a n c e ，a i r - f l o wv e l o c i t ya te n t r a n c ea n dr o t a r y c y l i n d e rs p e e da sd e p e n d e n tf a c t o r , a n df i n a lm o i s t u r ec o n t e n to fa l f a l f as e g m e n ta so b j e c t i v ef a c t o r , i i i 东北农业大学工学硕士学位论文 t h er e g r e s s i o nm o d e l sw e r eb u i l tu s i n gr e s p o n s ec b r v em e t h o d at h eo p t i m a lp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e da sf o l l o w ：t h ea i r - f l o wt e m p e r a t u r ea te n t r a n c eo f 3 5 9 6 ，a i r - f l o wv e l o c i t ya te n t r a n c eo f 1 1 8 m sa n dr o t a r yc y l i n d e rs p e e do f1 0 1 r m i n t h ei n t e r a c t i o ne f f e c t so ff a c t o r so i lm o i s t u r e c o n t e n to fa l f a l f af o r a g ew e r ea n a l y z e d 。 i nt h i sr e s e a r c h ，i n t e r n a lf l o wf i e l do ft h ef o u r - f o l dr o t a r yd r y e rw a sa n a l y s e du s i n gf l u e n t s o f t w a r e 。am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e db yt h es t u d yo f g a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nr o t a r y d r y e r 。a i rf l o wf i e l d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n c l u d i n gc o n t o u r so fs t a t i cp r e s s u r eo fa i r f l o w ， c o n t o u r so ft u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yo fa i r f l o wa n dc o n t o u r so fv e l o c i t yo fa i r f l o ww e r e o b t a i n e d i tw a sf o u n dt h a tt h ea n g l eo fw a l ls u r f a c e sa n da i r f l o wm o t i o nd i r e c t i o n sw a st h e i m p o r t a n tf a c t o r st h a t e f f e c t sa i r f l o wv e l o c i t y 。a na r ev e