（机械制造及其自动化专业论文）旋片干燥机内流场和温度场数值模拟.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l u i df i e l da n d t e m p e r a t u r e f i e l dw i t h i nt h er o t a r yv a n e d r y e r - b yl ik e f e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g z h e n w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 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 二e 思0 学位论文作者签名：棼克噜 日 期：撕7 7 ，2 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： 半年口一年口一年半口两年i 学位论文作者签名：套戋嗜 签字日期： 棚7 、7 乙 1 导师签名：多f 编钐 签字日期：7 尸z 多 东北大学硕士学位论文摘要 旋片干燥机内流场和温度场数值模拟 摘要 旋片干燥机可视为热风输送型干燥机和搅拌型干燥机的组合。它所应用的气流干燥 是对流干燥方法中的一种。主要适合干燥高湿、高粘的物料。对干燥机的研究是一项复 杂的工作，它涉及到多学科，多领域。本文在理论知识方面介绍了旋片干燥机的工作原 理，以及相关干燥方面的原理，传热原理和流体力学原理。并根据所研究分析的旋片干 燥机的特点选择了相应的数学模型。 本文用计算流体动力学软件f l u e n t 对旋片干燥机内流场和温度场进行模拟分析。 对旋片干燥机单相气体的分析，采用标准k - e 湍流模型，得出了干燥机内流场和压力场 的分布，给干燥机的结构优化提供了参考依据。在分析单相流场时，通过改变两个布风 板下端的高度，得到了布风板的高度对流场的影响趋势。通过模拟分析可以看出，布风 板末端高度适当降低有利于涡流的产生，提高干燥速率，同时可以增加物料的停留时间。 但是，如果太低则对流场的改善不大。布风板在原始位置到搅拌槽之间，应该有一个最 优位置。 对旋片干燥机气固两相流的分析，采用m i x t u r e 多相流模型，组分输运模型，以污 泥为干燥物料。分析了在正常工作参数下，干燥机内流场、温度场、压力场以及物料体 积分布的情况。在分析过程中，考虑到了水分的蒸发对温度场和物料体积分布的影响。 对于松散物料主要分布在干燥机前部和后部的涡流区。特别在干燥腔体前部，物料干燥 速度较快，温度下降剧烈，这与实际的干燥过程相符。 另外，本文采用分散颗粒模型，分别模拟了直径为0 1 m m 和o 0 1 m m 的颗粒在干燥 机内的不同分布。通过分析发现，小颗粒物料主要分布在腔体上部的涡流区，经顶部出 风口被气流夹带进入干燥系统的气固分离装置；大颗粒物料分布在搅拌槽内，由下部出 料口排出。 本文通过数值模拟分析，为旋片干燥机的研究提供了新方法，通过与实际的干燥过 程相比，证明了所选模型的正确性。经过对不同结构参数和操作参数的模拟分析，为结 构的优化改进和工作参数的选择提供了依据。 关键词：旋片干燥机；对流干燥；流场；温度场；两相流 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a lsi m u l a t i o no ff l u i df i e l da n d t e m p e r a t u r e f i e l dw i t h i nt h er o t a r yv a n e d r y e r a b s 仃a c t t h er o t a r yv a n ed r y e rc a nb er e g a r d e do fac o m b i n a t i o no fh e a t e dt r a n s p o r td r y e ra n d s t i r r e dd r y e r p n e u m a t i cd r y i n gt h a tu s e di nt h er o t a r yv a n ed r y e ri so n em e t h o do fd r y i n g w i t hc o n v e c t i o n i ti sf i tf o rd r y i n gh i g hh u m i d i t yl e v e la n dh i g hv i s c o s i t ym a t e r i a l s t h e r e s e a r c ho fd r y e ri sac o m p l i c a t e dw o r k ，w h i c hi n v o l v em u l t i d i s c i p l i n a r ya n dm u l t i - f i e l d w e i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fw o r ko ft h er o t a r yv a n ed r y e r w ea l s os u m m a r i z et h et h e o r yo f d r y i n ga n dh e a tt r a n s f e ra n dh y d r o m e c h a n i c s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er o t a r y v a n ed r y e r ，i ti sa ni m p o r t a n tw o r kt oc h o o s ear i g h tm a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ef l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h er o t a r yv a n ed r y e r w i t ht h ec o m p u t a t i o nf l u i dm e c h a n i c ss o f t w a r ef l u e n t t oa n a l y z et h es i n g l e - p h a s eg a s ，i t i sf e a s i b l et oc h o o s et h ek t u r b u l e n c em o d e l i tp r o v i d e st h ee x a c td a t eb a s i sf o ro p t i m i z i n g t h ed r y e rs t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h ef l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h e d r y e rw i t hd i f f e r e n th e i g h to ft h eg r i dp l a t e t h r o u g hs t u d yo f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e c a ns e et h a tt h el o w e ro ft h e 鲥dp l a t e ，t h ee a s i e rt of o r mb a c k s e t t h eb a c k s e tc a np r o l o n g t h ed w e l lt i m eo ft h em a t e r i e l ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rt h ed r y i n gq u a l i t y b u ti ft h eg r i dp l a t e s a r et o ol o w , t h e r ea r en o tm o r ei m p r o v e m e n t sf o rt h es t r u c t u r e t h e r es h o u l db eab e s t p o s i t i o nf o rt h eg r i dp l a t eb e t w e e ni t so r i g i n a lp o s i t i o na n dt h ea g i t a t i n gt a n k t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h er o t a r yv a n ed r y e ri nd r y i n g s l u d g e t h i sr e s e a r c h r e v e a l st h ef l u i df i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i l e da n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es l u d g ew i t h t h et w o p h a s ef l o wm o d e l sa n ds p e c i e st r a n s p o r tm o d e l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i ti sa c o n c e p t i o nt oi n c l u d et h ef a c t o ro fe v a p o r a t i o n f o rt h el o wh u m i d i t ys l u d g e ，i t i sh i g h v o l u m ef r a c t i o ni nt h ec i r c u m f l u e n c ef i e l do ft h ef o r e s i d ea n dr e a r w a r do ft h ed r y e r t h e d r y i n gv e l o c i t yi sh i g hi nt h ef o r e s i d eo ft h ed r y e r , a n dt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e sr a p i d l y i t m a t c h e su pt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n a d d i t i o n a l l yt oo b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tm a t e r i a l ，t h i sd i s s e r t a t i o nc h o o s e st h e m o d e l i n gd i s c r e t ep h a s e t h e r ea r et w ok i n d so fp a r t i c l e si nt h ea n a l y s i s ，o n e sd i a m e t e ri s o o l m m ，a n dt h eo t h e r sd i a m e t e ri s0 1 m m i nt h i ss e c t i o ni ti sf e a s i b l et og e tt h ed i s t r i b u t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o ft h ep a r t i c l e s t h r o u g ht h es t u d yo ft h es i m u l a t i o n ，w ec a ns e et h a tt h em o s to fs m a l l p a r t i c l e ss t a yi nt h eu p s i d eo ft h ed r y e ra n ds h i p p e do u tt h r o u g ha i ro u t l e tt ot h eg a sc y c l o n e s e p a r a t o r , w h i l et h eb i gp a r t i c l e su s u a l l yd i s t r i b u t ei nt h ea g i t a t i n gt a n ka n ds h i p p e do u t t h r o u g hm a t e r i a lo u t l e t t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sap r o p e rm e t h o df o rt h er e s e a r c ho ft h er o t a r yv a n e d r y e r i t p r o v e st h a tt h em e t h o di sr i g h tt h o u g hc o m p a r i n gw i t ht h ep r a c t i c a lp r o c e s s t h er e s u l to f s i m u l a t ep r o v i d e st h eb a s i sf o rr e o r g a n i z a t i o na n dt h es e l e c t i o no f o p e r a t i n gp a r a m e t e r k e yw o r d s ：r o t a r yv a n ed r y e r ；d r y i n gw i t hc o n v e c t i o n ；f l u i df i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； t w o - p h a s ef l o w i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 旋片干燥机的结构及工作原理2 1 3 干燥技术及数值模拟研究的进展3 1 4 课题研究的意义5 1 5 主要研究内容和方法6 1 5 1 主要研究内容6 1 5 2 研究方法7 第2 章计算流体动力学及数值模拟理论基础8 2 1 计算流体动力学8 2 1 1 计算流体动力学概述8 2 1 2c f d 数值模拟的步骤9 2 1 3c f d 特点9 2 1 4c f d 的应用领域1 0 2 1 5c f d 技术近年来主要发展方向11 2 2 湍流及在c f d 的中应用1 1 2 2 1 湍流的性质1 1 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 2 湍流数值模拟1 2 2 2 3 湍流模型必须遵守的原则1 6 2 3 湍流气固两相流1 7 2 3 1 气固两相流概述1 7 2 3 2 无滑移模型l8 2 3 3 双流体模型1 9 2 3 4 离散颗粒模型2 1 2 4 干燥传热传质原理2 3 2 4 1 热量传递的方式2 3 2 4 2 干燥过程传热与传质2 4 第3 章数值模拟方法研究及模型确定2 7 3 1 数值离散方法2 7 3 1 1 数值离散的概述2 7 3 1 2 数值离散的目的2 7 3 1 3 离散时使用的网格2 7 3 1 。4 常用的离散方法2 8 3 2 数值模拟软件的介绍2 9 3 2 1 概述2 9 3 2 2 应用范围3 0 3 2 3f l u e n t 求解的步骤3 0 3 3 解算器的选择3 l 3 3 1 分离解方法3 1 v i 东北大学硕士学位论文目录 3 3 2 耦合解方法3 2 3 3 3 显式和隐式3 2 3 3 4 压力一速度耦合3 3 3 4 多相流模型的选择3 5 3 5 湍流模型的选择3 5 3 6 流动区域的模型选择3 5 3 7 边界条件的设置3 6 3 8 多相多组分的设置3 6 3 9 参数的计算3 7 3 9 1 旋转轴转速的计算3 7 3 9 2 污泥物理性质计算3 7 3 9 3 进出口边界条件计算3 8 3 1 0 蒸发模型的建立3 9 第4 章旋片干燥机内单相流的数值模拟4 0 4 1 三维建模的介绍4 0 4 2 三维模型的网格划分4 1 4 3 边界条件的设置4 1 4 4 气体单相流流场模拟结果及分析4 2 4 4 1 速度场结果及分析4 2 4 4 2 压力场结果及分析4 6 4 5 变结构气体单相流流场模拟结果及分析4 7 4 5 1 速度场的分析4 8 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 5 2 压力场的分析4 9 4 6 本章小结5 2 第5 章旋片干燥机内气固两相流的数值模拟5 2 5 1 旋片干燥机内低湿度物料流场与温度场的数值模拟5 2 5 1 1 气固两相物质设置5 2 5 1 ，2 模拟结果与分析5 3 5 2 旋片干燥机内高湿度物料流场的数值模拟5 7 5 2 1 边界条件、初始化设置5 7 5 2 。2 模拟结果及分析5 8 5 3 变结构干燥机内低湿度物料流场与温度场的数值模拟5 9 5 3 1 速度场分析5 9 5 3 ，2 温度场分析6 0 5 3 3 物料分布分析6 1 5 4 本章小结6 2 第6 章结论与展望6 3 6 1 研究结论6 3 6 2 创新点6 3 6 3 研究展望6 4 参考文献6 5 致谢6 8 v i i i ， 东北大学硕士学位论文 笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 通常人们把热物理方法去湿的过程称为“干燥”。其特征是采用加热、除湿、减压 或其他能量传递的方式使物料中的湿分产生挥发、冷凝、升华等相变过程与物体分离以 达到去湿目的。干燥过程在国民经济的各部门有着广泛的应用干燥的产品便于加工、 运输、贮存和使用。从化学工业的产品如肥料、染料、无机盐到医药工业、粮食、食品、 饲料均离不开干燥过程，通过干燥，使产品具有良好的扩散性、均性，正确地完成干燥 过程有利于保证和改进产品的质量，对提高生产，促进经济的发展有十分重要的作用。 现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的综合国力和国民生活质量的水平 密切相关。从某种意义上说，它标志着这个国家国民经济和社会文明的发达程度。在中 国加入w t o 的形势下，干燥设备制造业所面临的更多是机遇而不是风险。如果我们能 够克服自身的一些缺陷，加强实力积极进取，则中国干燥设备完全有望成为我国机电产 品输出的一个新的增长点【l j 。 传统的工业生产普遍采用的干燥技术主要有：厢式干煤、隧道干燥、转筒干燥、转 鼓干燥、带式干燥、盘式干燥、桨叶式干燥、流化床干燥、喷动床干燥、喷雾干燥、气 流干燥、真空冷冻干燥、太阳能干燥、微波和高频干燥、红外热辐射干燥等。此外在各 个行业，例如谷物、水果和蔬菜、木材、茶叶、乳品、中药材等行业也有适合自身特点 的专有干燥技术。这些传统的干燥技术发展历史较长、成熟可取，在世界已经得到广泛 的应用。近些年来，国际上涌现出一批新型的干燥技术。作为代表的有：脉冲燃烧干燥、 对撞流干燥、冲击穿透干燥、声波场干燥、超临界流体干操、过热蒸汽干操、接触吸附 干燥等等。这些新技术相对传统干燥技术在机理上有一定的突破，但在工业化应用方面 仍有待于完善。现代干燥技术的发展主要有两个特点：一是开发应用新型干燥设备，二 是对已工业应用的干燥技术进行组合优化，提高干燥产品质量，降低能耗。从我国干燥 行业的现状出发，后者由于技术成熟，风险较低，更具有现实意义。 提高机器的工作效率，达到节约能源的目的是评价机器性能优良的重要指标，因此 对机器结构和操作参数的研究至关重要。干燥过程中，热风是传热和传质( 脱湿) 的主 要介质。较好地组织在干燥段的热风气流，使大量被干燥的物料在干燥全过程中按需要 与具有适宜温度、湿度和流速的均匀热风接触，来满足干燥益线的要求，使干燥全过程 中热交换和湿交换均匀协调地进行，是优化干燥的关键。 随着计算机软、硬件技术的迅猛发展，c a d c a m c a e 技术日趋成熟，计算机应用 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 遍及各类工程和技术研究领域。有限元软件是数学、力学及计算机技术完美融合的结晶， 在诸多领域均得到极为广泛的使用。人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借 助现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。 继理论分析和科学试验之后，数值模拟己成为科学技术发展的主要手段之一。与此同时， 计算流体动力学也有了突飞猛进的发展，用它自己的方法处理流体动力学方程组，突破 了求解非线性方程组的困难。基于计算流体动力学和数值模拟的发展，利用专业的分析 软件，通过模拟工作区的流场和温度场的分布可以很明显的反应机器干燥作业的情况， 并为结构的改进和操作参数的选择提供可靠的依据。 1 2 旋片干燥机的结构及工作原理 l o l 疹 、 l ，j 、：南m f t1 | t 旷tttt 盯i i - ttt 旷l l jttt 丫 口i 蜘掉、廿l 口i 阳 ，1卫 、 h 。卜啐峻h 4f i i l ij 阻土上i 土瞳j 上- i lf i i | i 土上r l 上上l _ | i埘ill 图1 1 旋片干燥机结构示意图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h er o t a r yv a n ed r y e r l 一出风口；2 一布风板：3 一干燥腔体；4 一入料口；5 一入风口；6 一搅拌槽体；7 一搅拌轴：8 一底 座；卜排料螺旋：1 卜出料口 l a i ro u t l e t ；2 一g r i dp l a t e ；3 - - h o u s i n go fd r y e r ；4 一m a t e r i a li n l e t ；5 一a i ri n l e t ；6 - - a g i t m i n gt a n k ；7 一 m i x e rs h a f t ；8 - - p e d e s t a l ；9 一h e l i xf o rt r a n s p o r t i n gm a t e r i a l s ；1o m a t e r i a lo u t l e t 本课题所研究的热风旋片干燥机是一种对粘性糟渣干燥最为有效的设备之一，是东 北大学独立开发的新产品。它实现了物料的完全分散，并且干燥滞留时间可调，达到了 良好的干燥效果。由图1 1 可知，它的主要结构包括热风出入口、物料出入口、排料螺 旋、底座、搅拌轴、搅拌槽体、干燥腔体、布风板等。在搅拌槽体中安装了两个带有许 多旋转叶片的搅拌主轴，主轴由腔体和槽体两侧的轴承支撑而高速旋转。加入的湿物料 一面被搅拌叶片激烈的搅拌、抛起、分散，一面依次通过布风板与旋转叶片之间的间隙 以及设在板上的百叶窗向出口移动。高温热风由湿物料入口侧进入，与物料保持充分接 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 触，通过布风板上的百叶窗和布风板与旋转叶片之间的间隙，到达出风口排出。落在搅 拌槽底部的大块物料则由排料螺旋运出。旋片干燥机已经在数十家企业应用，用于味精 菌体蛋白、药渣、果渣、甜菜渣、淀粉渣、玉米渣、柠檬酸尾液、啤酒糟、白酒糟、饲 料、蛋白粉、活性污泥、下水污泥、石化污泥、造纸污泥、印染污泥、制革污泥、电镀 污泥、城市污水处理厂污泥等干燥。 旋片干燥机可视为热风输送型干燥机和搅拌型干燥机的组合。它所应用的气流干燥 是对流干燥方法中的一种。由于这种干燥方法的空气温度便于调节，物料的温度便于控 制，产品不致过热而变质，产品质量好，所以在工业生产中得到广泛应用。目前，气流 干燥装置已成为广泛应用的一种干燥机。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，旋片干燥机正是带有分散器的一种。所以，旋片干燥机又具有搅拌式 干燥机的特点，是一种新型的热风式槽型搅拌干燥机1 2 1 。其中，槽形搅拌干燥器，是近 年来国内外干燥单元中使用的一种新型高效设备。由于其问世不久，物料的流动状况复 杂，目前，其叶片输送量还没有成熟的计算公式，仍处于由实际测定阶段。一般来说， 旋片干燥机对各种糟渣干燥和污泥干燥都是适用的，尤其能够处理高湿、高粘的原料。 1 3 干燥技术及数值模拟研究的进展 在干燥领城，8 0 以上的科技和工程文献都是最近2 0 年内出现的，这种发展是在 全世界范围内的共同发展。事实上，过去十年来，西方国家和日本在干燥技术研究和发 展方面放缓，北美的干燥研发活动逐年下降，而南美，特别是巴西，干燥研发活动明显 上升。有关干燥节能降耗的研究论文较少，每年在5 篇以内，可见这方面仍是一个薄弱 环节。但世界经济的发展足以弥补这一缺陷( 印度是一个显著的例外) 。目前每年有2 5 0 多个有关干燥的项目在美国专利局获得专利，近1 0 0 个在欧盟专利局获得专利。这些数 字是工业界的注意力转向干燥技术开发的一个很好的证明。而其他一些曾被学术界给予 更多关注的单元操作，如吸收、结晶、膜分离等，其获得的专利数目则低得多【3 1 。 近年来，国外一些学者在研究木材干燥中采用了神经网络模型和考虑物料收缩的孔 道网络等温干燥模型以及计算流体动力学模型( 配有c f d 商用计算软件) 等。在加拿 大等国的工业应用过热蒸汽干燥技术效果良好。日本采用高频一常规蒸汽联合干燥 1 1 3 m m x1 1 3 m m 的柳杉方柱，与单纯蒸汽干燥相比，干燥时间缩短了4 倍以上，而干燥 成本( 包括设备、能耗和人工费) 降低了3 。另外，国际上有些学者把超声雾化用于 干燥中，取得了一些成果。早在9 0 年代，就有一家国际公司在研制开发配制超声雾化 的喷雾干燥装置，黄立新等用计算机技术模拟了配置超声雾化的喷雾干燥装置。德国赫 斯特公司开发了一种干操器一旋风干燥器，它是根据旋流原理设计的，采用两种传热方 式：高速旋转气流的对流传热和夹套通过器壁对物料的辐射传热。日本设计推出桨叶式 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 干燥机串联系统，这种干燥机的外部有夹套加热，轴及桨叶均可通入过热蒸汽，所以它 也有两种传热方式一对流传热和传导传热。桨叶也根据需要设计成不同形状，因而单机 效率也比普通耙式干燥机高。桨叶式干燥机即搅拌式干燥机虽然最先由前联邦德国开发 成功，但日本引进之后，进行了不断的改进，目前这种机型以日本株式会社奈良机械制 作所为代表，现已开发出双轴和四轴两种结构，l o 多个规格的系列产品1 4 。 国内在干燥技术方面建立了多个系统组织，还出版了一批干燥技术文集和专著，为 中国干燥技术的蓬勃发展做出了巨大贡献。我国各工程类大学、科学院、工业研究所及 一些制造厂，已形成了一支强有力的干燥科研队伍，广泛开展了干燥技术的基础研究、 工艺研究及设备结构研究，使我国干燥技术正向世界水平迈进。3 0 年来，中国对许多干 燥过程进行了卓有成效的研究，并实现了现代化。国内目前的干燥机品种比较齐全，可 以满足国内绝大部分市场的需要，大部分干燥机不再需要进1 ：3 ，这是一个伟大的转折【5 】。 在干燥设备发展方面，我国大批进口干燥机的时代已经结束，一些常用的干燥机主 机已接近国外水平。例如上海市化工装备研究所与江苏常州市金陵干燥设备厂联合开发 出种可替代传统耙式干燥机的优选产品z h g 真空耙式干燥机。该产品为我国自行 开发的大面积内加热传导真空干燥机，内置空心平板和容器内层同时传热，并设置了无 级调速搅拌装置。湿物料经耙叶及夹层传导蒸发，带有刮板的搅拌器不断清除热面上的 物料，并在容器内推移形成循环流，水分蒸发后由真空泵抽出。该干燥机适用于浆状、 膏糊状、粉状以及要求低温干燥的热敏性物料，易氧化、易爆、强刺激、剧毒物料，要 求回收有机溶剂的物料等。 同时我国学者在干燥技术领域的研究取得了许多成果。中国农业大学刘相东教授在 “多孔介质内部湿分迁移过程的孔道网络模拟及分形网络模拟”研究中对物料和干燥介 质之间的质热传递过程做出了新的解释，为干燥技术提供了理论支持；中国农业大学曹 崇文教授在谷物干燥过程的计算机模拟方面开发了多种软件；大连理工大学王喜忠教授 和同事王宝和教授、于才渊教授对中国的喷雾干燥设备进行了广泛研究，设计了年产万 吨的大型干燥装置；东北大学徐成海教授近年来研制成功了“连续真空干燥设备”和“连 续真空冷冻干燥设备 ，山东省科学院史勇春研究员及其团队在流态化干燥技术、蒸汽 回转干燥技术研究方面，在国内位处前列【6 】。 现代，国内对干燥过程的数值模拟研究也日渐增多。早在2 0 0 3 年，清华大学就有 研究生做了含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数值模拟的研究，综合考虑了干燥管内气固两 相间的传热和传质、气固两相温度和含湿量的变化，提出了一个描述含湿煤灰颗粒气流 干燥过程的一维数学模型，用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真软件进行了数值求解。2 0 0 5 年 南京航空航天大学有研究生做了微波对流联合干燥特性的数值模拟1 7 ，着重考察了沿半 径方向上物料含湿量、水蒸汽压力、温度等随干燥时间的变化关系。2 0 0 6 年，武汉理工 - 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 大学的研究生做了喷雾干燥烟气脱硫塔流场数值模拟【8 】，采用湍流k - e 模型及随机轨道 模型，运用通用的计算流体动力学软件f l u e n t 进行脱硫塔内流场模拟。2 0 0 7 年，东 南大学葛仕福副教授发表了多孔小颗粒对流干燥的数值模拟的论文【9 1 ，采用全隐式有限 差分法求解得到模拟结果。综上所述可以看出，国内院校对干燥过程数值模拟的研究一 直没有间断，而且研究方向越来越深入。但在理论研究方面我国与丹麦、加拿大、日本 等国尚有一定差距。 总的来看，着力开发有创新和突破性的干燥技术，注重干燥的理论研究与工业应用 相结合，并更加重视节能和环保问题将成为今后发展的主流。推动我国干燥技术的创新 与发展任重而道远，需要业界加强联系，联合攻关，也需要得到政府相关主管部门的支 持，才能使我国干燥技术的发展有一个新的飞跃。 另外，本课题研究还主要涉及到湍流气固两相流数值模拟。目前，国际上对湍流气 固两相流的数值理论研究的趋势是无论从研究方向、内容还是方法上，都越来越与单相 湍流的研究接近。两者均发展了包括直接数值模拟、离散涡模拟、大涡模拟的微观模拟， 工程中复杂湍流的统观模拟以及介于两者之间的概率密度函数模拟。经过国内、外众多 学者的努力，湍流气固两相流领域的研究发展迅速，己经建立起一套较为完整的数值模 拟理论体系，形成了微观、宏观多种模型共存，相互补充、相互渗透的局面。但总的来 讲，直接数值模拟、离散涡模拟、大涡模拟等微观模拟理论的发展慢于宏观模拟。从长 远来看，两者应该相辅相成，共同发展，只有这样，湍流气固两相流数值模拟理论才能 更加完整。 1 4 课题研究的意义 随着经济技术的飞速发展，能源危机己成为世界性的问题。工业机械化在提高劳动 生产率、减轻人类劳动强度、增产、增效方面发挥了巨大的作用。但工业机械能耗较大 也是值得关注的问题。随着工业向现代化进程的迈进，实现全面的工业机械化是大势所 趋，因此，如何节约能源，杜绝损失和浪费，提高能源利用效率，成为极具意义的工作 之一。几乎所有工业领域都有热力干燥这一环节，涉及的材料超过6 万种。物料干燥属 于高能耗行业，据不完全统计，全球1 0 0 旷2 5 的能源用于工业热力干燥【1 0 】，在我国干 燥所用能源占国民经济总能耗的1 2 左右【l n 。因此，高效节能干燥技术的应用对提高产 品的质量和降低能耗等方面都有重大意义。在化工、食品、制药等行业，很多产品和中 间产品都是高粘度、高湿度物料，这种物料在干燥过程中易结成硬块，不利于水分的扩 散和汽化，而且容易改变物料的品质，干燥难度较大。因此，选择高效节能的干燥工艺 和设备对物料干燥，具有重要的经济意义。 现代干燥技术虽已有一百多年的发展史，但至今还属于实验科学的范畴。大部分干 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 燥技术目前还缺乏能够精准指导实践的科学理论和设计方法。实际应用中依靠经验和小 规模试验的数据来指导还是主要的方式。缺少理论研究是制约干燥设备发展的一大瓶 颈。同时，许多干燥设备设计制造企业还欠缺一个合格的实验流程。到目前为止，不论 是干燥设备厂还是理论研究单位，都没有一个完善的实验基地。制造厂商由于试验装置 缺乏或类型不全( 这在我国是一个普遍存在的现象) 经常回避应做的干燥实验。用户由 于不了解干燥技术的特点，也经常放弃进行必要试验的要求。其结局是装置使用效果不 佳，甚至于报废。在我国，这样的事例屡见不鲜，曾有过一套价值2 0 0 0 万元人民币的 工业干燥装置因达不到使用要求而被闲置的教训。因此，建设工业干燥装置尤其是较大 的装置之前，一定要进行充分的、有说服力的试验，并以试验结果作为工业装置建设的 依据。 c f d 技术应用在旋片干燥机内气固两相流的数值模拟也是一种尝试，以达到利用高 新技术改造传统产业的目的。与试验相比，数值模拟可以迅速而方便地深入到一个系统 的内部，了解过程内部的一些实质性问题，它可以大大缩短一个工程系统的设计和试验 时间，可以预测机器的性能，可以部分代替常规试验，利用计算机在极短的时间内完成 性能试验。还可以方便的改变输入参数，因而利用模拟可以进行参数分析，解决人工所 不能完成的复杂计算问题。模拟能够保证计算精度，避免一些意外而产生误差，经济、 省工、省时，而且还能进行灵敏度分析，甚至可以用于干燥机的放大。 本课题正是基于数值模拟技术的以上优点，将其应用于旋片干燥机的流场和温度场 的研究。通过这种方法的研究，我们可以在较短的时间内，以最小的经济代价，了解在 不同的参数下，旋片干燥机内流场和温度场的分布情况。 1 5 主要研究内容和方法 1 5 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究最适合旋片干燥机的数值模拟的方法，包括计算域网格的划分、理论模 型的选择、数值计算方法的选择等。 ( 2 ) 考察旋片干燥机的气相流流场，分析其三维速度分布、压力场分布。 ( 3 ) 分析旋片干燥机的两相流场，得到干燥机内的速度分布、温度分布以及不同 直径的物料分布，深入了解旋片干燥机的工作机理，为调整操作参数提供依据。 ( 4 ) 改变干燥机的局部结构，再分别分析其内部的单相流场和两相流场，分析结 构的改变对内部流场和温度场的影响，为结构的改进提供依据。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 2 研究方法 在课题的研究中，涉及三维建模技术、网格划分技术包括动态网格划分、各负载的 加载、流场和温度场的模拟技术。具体实施方案如下： ( 1 ) 测定干燥机入风口和出风口的速度和温度，确定研究分析的参数。 ( 2 ) 采用c a d 软件p r o e 进行三维建模，建立干燥机的工作区的三维实体模型。 ( 3 ) 将三维模型导入到网格划分模块g a m b i t ，对模型进行网格划分，设置模型 的边界类型，并且设置搅拌轴边界为滑移网格，输出m e s h 文件。 ( 4 ) 打开c f d 软件f l u e n t 读入网格文件并进行求解设置，利用软件的u d f 功 能编写物料的物理性质程序和能量转移程序。 在f l u e n t 的设置中，输入不同的参数组合进行模拟研究。结合生产实践情况和 试验结论，分析模拟的结果，得到在正常工作的条件下旋片干燥机的工作情况，初步探 究改变结构对内部流场和温度场的影响，为实际的生产过程提供依据。 东北大学硕士学位论文第2 章计算流体动力学及数值模拟理论基础 第2 章计算流体动力学及数值模拟理论基础 流场与温度场的数值模拟是现代计算机科学、计算流体动力学、传热学等学科发展 的结果。它是基于计算流体动力学、传热学的原理，建立各种复杂情况下的守恒方程， 利用适当的模型使其封闭，再利用数值方法直接求解偏微分方程组，从而得到整个流场 中各个变量的时空分布。 旋片干燥机流场和温度场的模拟涉及到计算流体动力学和传热学的相关知识。本章 将对课题中所用到的计算流体动力学、传热学、干燥过程中的传热传质原理做基本介绍。 2 1 计算流体动力学 2 1 1 计算流体动力学概述 c f d 的全称是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，其主要用途是对 流体进行数值仿真模拟计算。c f d 方法是对流场的控制方程组用数值