（热能工程专业论文）水平撞击流干燥器流动特性与传热特性的数值模拟.pdf

摘要 摘要 撞击流的概念最早是由前苏联的e l p e r i n 首先提出的，其基本意义是使两股气体颗粒两 相流沿同轴相向流动，相互撞击，由于惯性，颗粒穿过掩，* 面渗入反向流，被反向流减速后 又向相反方向加速，并如此反复进行，直到颗粒因相互碰撞、速度降低等原因被排山系统为 止。撞击流是强化相问传递过程尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一，传递系数 可比一般方法提高数倍到数十倍。撞击造成的另一个结果是极人的促进混合，尤其是微观的 混合。所以，撞击流在干燥、吸收、气体和i 司体的冷却和快速加热、混合、多相反应等多种 加工过程中有j 阔的应用前景。 对于撞击流的研究主要停留在实验研究阶段，国内外学者曾做过很多研究。然而，实验 研究耗费巨人受到时间、实验环境、实验设备等冈素的限制。为了避免实验研究的缺点。 本文借助计算机强大的计算功能，试图采用数值模拟的方法来研究水平撞击流干燥器中流场 的特性和流场中颗粒与空气间的传热特性。 本文的研究对象是水平撞击流干燥器，为了得到精确的流动特性，本文采 了c f d 软 什f l u e n t 来进行数值模拟。通过建立儿何模型，划分网格，选择适当的数学模型和 参数进行迭代计算之1 f 亓，对数值模拟的结果义进行了后处理。笔者首先研究了空气的单相流 动特性，主要探讨了流场的形态以及静压的分布情况，并且讨论了影响空气晶人径向速度的 儿个主要因素( 空气进v i 速率、进r _ _ 】管间距和进【_ _ | 管直径) 。随后研究了颗粒相的运动特性 和传热特性，主要包括颗粒的运动轨迹、颗粒速度的变化情况、颗粒在水平撞击流干燥器中 的平均停留时间以及颗粒1 j 空气之间的剥流传热系数，得到了对流传热系数与颗粒质量流量 之间的关系式。最斤，利i l = | j 本文的模喇研究了颗粒直径对颗粒平均停留时i n i i 对流传热系数 的影响。 通过把数值模拟的结果与实验数据的比较，发现数值模拟的结果符合现有理论并且和实 验数据基本吻合，从而验证了所建模型的正确性，并为今后进一步的理论研究利开发打r 基 础。 关键词：水平撞击流，撞击流干燥器，数值模拟，f l u e n t 软什 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c e p t i o no fi m p i n g i n gs t r e a m s ( i s ) w a sf i r s tp u tf o r w a r db yaf a m o u s r u s s i a ns c i e n t i s t - - e l p e r i n t h ee s s e n c eo ft h em e t h o do fi m p i n g i n gs t r e a m sl i e si n d i r e c t i n gt w os t r e a m so fas u s p e n s i o no fp a r t i c l e so n ea g a i n s tt h eo t h e rs t r e a m s ，o nt h e s a m ea x i s a tt h ei m p i n g e m e n tz o n eo ft h es t r e a m s ，p a r t i c l e sp e n e t r a t ei n t ot h eo t h e r s t r e a m t h e nt h ea i rs t r e a ma g a i n s tt h e ms l o w st h ep a r t i c l e sd o w nu n t i lt h e i rv e l o c i t y i sz e r o t h e n ，p a r t i c l e sa r ea c c e l e r a t e db yt h ea i rs t r e a mi nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n a f t e rs e v e r a lt i m e so fd a m p i n go s c i l l a t i o n s ，t h ep a r t i c l e sl o s et h e i re n e r g ya n dr u n a w a yf r o mt h es y s t e m t h ei m p i n g e m e n to ft h es t r e a m sc a u s e si n t e n s i v em i x i n go ft h e c o n t i n u o u sp h a s ew h i c hc o n t r i b u t e sa sw e l lt ot h ee n h a n c e m e n to ft h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e r a sac o n s e q u e n c e ，i m p i n g i n gs t r e a m sh a v em u c ha p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y t h em e t h o do ft h es t u d yo fi m p i n g i n gs t r e a m si se x p e r i m e n t s b u tt h i sm e t h o d a l w a y sc o s tm u c hm o n e y ，t i m ea n dm a t e r i a l s ，a n dt h er e s u l t sa r el i m i t e db yt h e e q u i p m e n t ，e n v i r o n m e n t ，o c c a s i o ns ot h a tt h er e s u l t sa r en o ts oa c c u r a t e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，p e o p l ef i n dan e wm e t h o dt o c a r r yo u tt h er e s e a r c ho ft h ei m p i n g i n gs t r e a m s t h a ti s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e r e s e a r c h e rt r i e st ou s et h i sm e t h o dt o i n v e s t i g a t et h ef l o w a n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fac o a x i a lg a s s o l i dt w o i m p i n g i n g s t r e a m s ( t i s ) d r y e r t h er e s e a r c h e rr e c u r r e dt ot h ep o w e r f u lc f ds o f t w a r e - - f l u e n tt os i m u l a t e t h et i s f i r s t ，t h er e s e a r c h e rs e tu pag e o m e t r i c a lm o d e lo ft h et i sd r y e r , t h e n p r o d u c e dg r i di n t h em o d e l a f t e rc h o o s i n gs o m e p r o p e r c f de q u a t i o n s ，t h e r e s e a r c h e r sb e g a nt h ec a l c u l a t i o na n dd ot h ep o s t p r o c e s s i n gw h e nt h er e s u l t sw e r e r e c e i v e d f i r s t ，t h er e s e a r c h e rs t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l u i df i e l da n dt h ep r e s s u r eo f t h ec o n t i n u o u sp h a s e t h e n ，t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h em a x i m a lr a d i a ls p e e dw e r e d i s c u s s e d a f t e rt h a t ，t h er e s e a r c h e rs t u d i e dt h et r a c k sa n dv e l o c i t yo fp a r t i c l e s a n d t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sd i s c u s s e da n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ec o e f f i c i e n tw i t h t h em a s sf l o wr a t eo fp a r t i c l e sw a so b t a i n e d i nc o n c l u s i o n ，a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n ta n d i l a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l m i o nm e t h o dc a ns u c c e e di n s i m u l a t i n gt h et i sd r y e r t h e nw ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o d e li ss u i t a b l e a n di ti s a p p l i c a b l et o u s et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho f i m p i n g i n gs t r e a m s w ec a na l s om a k ei t as t e ps t o n ef o rt h ef u r t h e rt h e o r e t i c a ls t u d y a n dd e s i g no ft h ei m p i n g i n gs t r e a m sd r y e r s k e yw o r d s ：c o a x i a lt w o i m p i n g i n g s t r e a m s ，i m p i n g i n g - s t r e a m sd r y e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f l u e n ts o f t w a r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名：鹭e 日期： 14 z 卯三弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢扯铆签粹 第一帝绪论 1 1 引言 第一章绪论 撞击流( i m p j n g i n gs t r e a m s ，简称i s ) 的概念最早是由前苏联的e l p e r i n 提山的。 撞击流 方法的基本意义是使两股气体颗粒两相流沿同轴相向流动，并在两流体的中点处( 即图l 一1 所示的所谓“撞击面”上) 相互撞击，由于惯性，颗粒穿过撞击面渗入反向流，被反向流减 速后又向相反方向加速，并如此反复进行，直到颗粒因相互碰撞、速度降低等原因排出系统 为止附】。 1 1 1 撞击流的基本原理 撞击流的基本构思是使两股气圃或气液两相流相向高速流动撞击，作用原理如图i - 1 所示。撞击的结果在两根加速管之间造成一个高度湍动的撞击区。气流在撞击面上轴向速度 趋于0 并转为释向流动：颗粒或液滴可藉惯性渗入反向流并在开始渗入的瞬间相间相对 速度达到极大值，理想情况下可接近一倍的气速。渗入反向气流的颗粒在摩擦阻力作肌f 减 速，直到轴向速度衰减为0 时，又被反向加速，向撞击面运动在撞击面上有的颗粒又 藉惯性再次渗入原来的气流，有的则因为撞击、减速笛原囡离开撞击区。撞击区高度湍动和 很大的相间相对速度提供了极住的传递条4 1 ；在两股相向流体间往复渗透的振荡运动则可一 定程度地延氏颗粒在撞击区中的平均停留时间。已经证明，撞南流是强化相问传递过程尤 其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一，传递系数可比一般方法增人数倍到数十倍， 这一特性受到普遍关注。撞击造成的另一个结果是极人的促进混合，尤其是微观的混合。所 以，撞击流在干燥、吸收、气体和体的冷却和快速加热、混合、多相反应等多种加t 过程 中有广阔的应崩前景8 引。 亏i i j 叁：毒： oo口o - 一z 气丽霹：! ；三：三i 瘩 气体+ 粒。二二字二 仁= = 二二二二二二二7! j ： 2 主= = = = 二二二 。三：鬲丽 。 j l j l 生 擅击面 幽1 - 1 撞击流原理 1 j 童f 第一幸绪论 1 1 2 撞击流研究进展 迄今为r ，撞击流的研究与开发大致经历三个阶段肼。 第一阶段从概念提出剑2 0 世纪7 0 年代中期，是撞击流研究的初创时期，工作基本上集 中在前苏联。1 9 6 1 年，前苏联的学者e l p e r i n 首先提出了撞击流的概念，1 9 7 2 年，他以俄文 出版的专著反映了此阶段研究上作的深度、广度雨i 主要成果。该阶段研究的对象集中在气体 连续相撞击流，尤其是关丁运动以及强化传递等基本规律方面的研究。 第二阶段从2 0 世纪7 0 年代中期e l p e r i n2 - 世后到9 0 年代前划，工作主要集中在以色列 ( 前苏联也还有些t 作) 。q a m i r 于1 9 9 4 年出版的专著是此阶段 ? 作的系统总结。此阶段 应用开发研究涉及面非常广泛，几乎遍及所有的化工单元过稃。 最近十年关丁撞击流的研究可以认为是处于第三阶段，从事该研究的地域已扩展到包括 中国、美国、加拿大、德国等在内的2 0 多个国家和地区。我国学者伍沅从1 9 9 2 年开始撞击 流的研究，并获得国家自然科学基金和浙江省自然科学基金资助。2 0 世纪9 0 年代以米该领 域研究最重要的进展是发现了液体连续相撞击流( l i s ) 显著强化微观混台。该性质使得撞 击流可能有效应爿j 的领域大大扩展，尤其是向化学反应体系方面扩展。 1 1 3 撞击流的主要特性 了解撞击流的基本性质对于撞击流的开发应用具有指导意义。根据前人以及现代国内 外学者的研究，从撞击流的 二作原理及其可能的应用途释的观点米看，撞击流有如r 的重要 性质： 】中等的流体阻力 囚涉及高速流动，所以撞击流中的流体阻力是人们关注的问题之一嘲。我国学者吴高安 平u 伍沅”对气一固系在水平撞击流接触器中进行了研究。结果表明：( i ) 只要装置结构设计 合理，阻力并不人；( 2 ) 压降土要消耗在加速固体颗粒，对于粒径约i m m 的油菜籽或黍粒 空气体系，采用约1 m 的长加速管，气速在2 0 3 0 r r d s 之间，总压降仅4 0 0 5 0 0 p a ；加速颗 粒引起的压降约占总压降的8 0 。网此，对于粉粒状物料流体阻力不应当成为撞击流府 用的障碍。然而，对于过大、过重的颗粒，冈为加速需要的能量相当高，所以采用撞击流处 理则是不恰当的。 第一市绪论 2 彳r 高的传递系数 撞击流最具吸引力的一个重要性质是可以强化相问传递。以色列学者x a m i r r 2 1 筲对各种 物系和多种单元过群的试验研究的结果表明，撞击流中相间传递系数，特别是对于两相密度 差很大和外扩散过程的传质系数，可以比传统过程提高数倍到十几倍。 3 撞击区混合强烈 对于固相、液相和液固相体系，混台情况对加上过程往往有重大影响。对于固体混合， t a m i r 利用撞击流使固体混合，试验结果表明撞击流大大增强了颗粒运动的随机性。使得 撞击区成为颗粒的理想混合区。对于液相或以液相为连续相的多相体系中进行的液相和液i 司 相的混合过程，b r a u e r 以及我国的陈煜等研究证明撞击流对液相利液固相混合有重犬影 响，对于促进混合过挥很有效。 近3 0 年来，微观混合刚题引起人们的普遍关注，撞击流的微观混合性质也引起研究者 的广泛兴趣。中外学者( m a h a j a n 、f r i c 以及中国的刘海峰等) 的研究表明，撞击流可以有 效地促进微观混合，这是极有应用潜力的特性。 4 停留时间很短 l u z z a t t 等和吴高安、伍沅筲采用不同的方法研究了气吲撞击流接触器中颗粒停留时 间分布，一致的缩果是：撞击区中颗粒平均停留时间很短，仅约1 5 。由于有很多过程即使 在强化传递和混合的条件下也需要很长时间，这一特性使得撞击流的单独应用受到限制。 5 破碎、分散和雾化 气同撞击流装置中气流携带被加速的颗粒相向撞击可导致或( 和) 颗粒与肇面剧烈的碰 撞，产生粉碎研磨作用，这一特性可用米制取亚微米超细粉体，事实上己成功开发了撞击流 研磨机，例如t r o s t 射流磨机。 6 流动安排较复杂，雉以安排多级系统 1 1 4 撞击流应用现状和主要开发研究方向 将撞击流应用于任何过程，都必定面临许多工程实际问题，必须从系统= 程的观点考虑。 如果应用对象选择不当，或者某些上程问题不能妥善解决，其性能方面的优势很可能被其它 方面的问题所抵消。撞击流工业应用的可能性和可行性必然与上述提到的撞击流的性质密切 相芙。 第一章绪论 1 1 4 1 撞击流的应用现状 撞击流成功应用的例子是k t 粉煤气化炉、静态射流混台器和t r o s t 射流磨机。这些例 子都分别利用了撞击流不同的性质，又都回避了其同有的弱点。 除此2 外，尽管进行了众多的研究，尤其是前苏联做了大鼍的t 作某些研究和开发中 提出了很多好的思想，然而，撞击流丁业应用的程度还相当低州，在人多数化上过程中迄今 还缺乏工业应用的实例。对干燥过程的应用，情况也不理想。或许是由丁“门户之见”，不 同国家的科技人员在该领域的合作与交流也很不够，这可能是撞击流方法j ：业应用进展缓慢 的原因之一。另外，认识的偏颇误导了研究方向某些主要研究者只看到了撞击流在强化传 递方面的优越性，没有充分注意其弱点和局限性；而且，在对撞击流的研究方法上存在“学 院式”研究的倾向，只重视基础理论的研究，在研究方法和内容上没有注意去解决那些上业 应用中必须解决的工程问题，以致长期不能提供成套应用技术，这也延误了撞击流的l 业麻 用。 事实上，撞击流既有突山的优点，也存在其| 古| 有的弱点。利任何其它技术方法一样，不 能指望它成为万能的上具。只有充分把握其性质特征，扬起所k ，避其所短，恰当的选择应 用对象。并在开发研究中充分注意解决相关的j 二程技术问题，才有可能迅速推进撞击流的上 业应用。 幸运的是，近十年来撞击流技术己引起并国+ 学者的重视。有理由相信，今后会不断有应 刷撞击流的技术在多种加工过程中出现。 1 1 4 2 撞击流开发应用的主要方向 最近十多年来，国内外有关撞击流应用的开发研究有增k 的趋势，最有希望获得成功、 因而也最引人关注的有如r 儿个领域。 1 撞击流干燥 干燥是以相间热质传递为基本特征的加工过程。作为强化相间传递最有效的方法之一， 撞击流在干燥中的应用是很有吸引力的，干燥也是撞击流席片j 开发虽多的领域之一。七十年 代以米，国外在各种物料撞击流干燥方面进行了一系列的研究，国内近年来也开始了这方面 的研究。然而，由丁没有解决好相关的上程问题，或者应用对象选择不当，工业应用迄今仍 未取得实质性进展。粉粒状物料干燥是典型的相间热质传递并行过程，是目前撞击流最有可 4 第章绪论 能成功的领域之一。 2 撞击流反应制取超细粉体 通过反应沉淀制取超细粉体需要提供很高而且均匀的过饱和环境由于撞击流具有促 进微观混合的特性，可以刨造上述条件，因而近十多年米倍受重视。瞬间完成的反应沉淀过 程可以单独在撞击流中完成。m a h a j a n 等和l i u 等研究多种药物在撞击流反应器中快速沉淀， 获得了良好的效果。 3 ，撞击流燃烧 撞击流强烈的微观混合对气体燃料燃烧和强化传质以及液体或固体燃料的燃烧都是十 分有利的。前面提到的k t 粉煤气化炉就是撞击流的典刑例子，升已经让明是成功的。多 股火焰相互倾斜撞击的方式已用在较新型的民h 燃气生卜具中。最近的研究主要集中在改进燃 烧室结构平喷燃器的安排方面，以期进一步提高燃烧效率。 4 艟击流的粉碎和研磨 利用气圃两相撞击流破碎和研磨| 古| 体颗粒的突山优点是装置没有研磨部件，可以有效防 止摩擦产生热而损土1 、热敏性物料，避免磨料污染产品。前面提到的t r o s t 射流磨机，在2 0 世纪7 0 年代，国外就已经应用：国内近十年来应_ l j 开发研究有增长趋势这也是撞击流的 一个有应h j 价值的特性。 1 1 4 3 撞击流开发应用的展望 大量试验研究结果已经证明撞击流对强化传递与混合有显著的效果，在包括干燥在内的 多种加工过程中应当有广阔的应用前景。只要对撞击流的性能、优点和局限性有清醒的认识， 注意扬起所长、避其所短努力解决麻片j 中的t 程问题，在开发研究中加强国内外同行间的 台作与交流，成功将指日可待。完全有理由预计，今后若干年内将不断地有利用撞击流的麻 用技术在包括干燥在内的多种加q - 过程中出现。 11 2 计算流体力学与数值模拟简介 1 2 1 计算流体力学简介 自从牛顿定律公布以来到上个世纪5 0 年代，研究流体运动规律的主要方法主要有两种： 一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法利用简单流动模型假设，给山 5 第一章绪论 某些问题的解析解。实验研究耗费巨大，而理论分析的方法对丁- 较复杂的非线性流动现象目 前还有些无能为力。随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学也随之发展起来。 任何流体的运动规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律以及能鼍守恒定律为基础的。 这些基本定律可由数学方程组米描述，比如欧拉方程，n s 方程笛。采h j 数值计算的方法， 通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的返动规律，这样的学科就是 计算流体力学。2 0 世纪7 0 年代以来，计算流体力学为实验研究和理论研究都起到了促进作 用，也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到了发展和完善。实验研究、 理论分析以及数值模拟已经成为当前研究流体返动规律的三种基本方法。 1 2 2 数值模拟简介 由于流体在流动中发生了巨人的形变，所以流体问题的求解变得异常复杂。其控制方程 属丁非线性的偏微分方程，除简单问题外，很难得到解析解。为此，对具体问题进行数值求 解就成为研究流体流动的一个重要研究方向和方法，其基础就是计算流体力学。对于人多数 人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解过程以及进行计算流体力学深入的研究，但在 工作中义需要剥某些具体的流动过程进行计算、分析羊研究，因此计算准确、界面友好、使 h j 简单，又能解决问题的大型商业计算机软件就应运而生。目前，世界上比较著名的c f d 分析有f l u n e t 、c f x 、s t a r c d 、a n s y s 等。这些软什各有优点，但是一般说来f l u e n t 是最为专业化的，也是功能最强的c f d 分析软件z 一。本文使h j 的是f l u n e t 。 r 面简要介缁一下f l u e n t 的相关内容。 1 2 2 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件所包括的软件模块有： 1 g a m b i t1 专用的c f d 前置处理器( 几何，网格生成) 2 f l u e n t 4 5 基了二结构化网格的通用c f d 求解器 3 f l u e n t 5 4 _ 基于非结构化网格的通用c f d 求解器 4 f i d a p8 5 基于有限元方法的通用c f d 求解器 5 p o l y f l o w3 7 针对粘弹性流动的专用c f d 求解器 6 m d ( s d 针对搅拌混合问题的专用c f d 软件 7 i c e p a k 专用的热控分析c f d 软件 6 笫一章绪论 1 2 2 2f l u e n t 软件几个特点 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_ h j 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h j 丁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2 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丁应用的t 业背景不同，因此大大方便了阁 厂。 f l u e n t 强人的功能还表现在如下儿个方面： ( 1 ) f l u e n t 软什提供了完全的网格灵活性，川户可以使i 【 j 非结构网格，来解决具有 复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行 修改( 细化或粗化) 。 ( 2 ) 对于人梯度区域，如自由剪切层干边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网 格是非常有_ j 的。 ( 3 ) f l u e n t 软件是用c 语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存 分配、高效数据结构、灵活的解控制都是可能的。除此之外，f l u e n t 使用c l i e n t s e r v e r 结 构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。 ( 4 ) 在f l u e n t 中，解的计算与显示可以通过交互界面、菜单界面来完成。 1 2 2 3f l u e n t 软件使用概述 当用户决定使f l u e n t 解决某一问题时，首先要考虑如i u l 点问题：定义模型目标： 选择计算模型；物理模型的选取：确定解的程序。 确定所解决问题的特征之后，用户需要一系列基本的步骤来解决问题，比如，创建几何 模型和网格，运行f l u e n t 软件选择合适的解算器以及参数等进行迭代计算，并对结果进 行后续处理等。 1 3 本文的主要工作 综上所述，撞击流的研究手段主要集中在实验研究，但是由于实验研究耗费巨大，设计 第一章绪论 周期较艮，实验研究还受到实验条件、实验设备、实验时间的限制；而理论分析的方法目前 还只能解狄一些简单问题，对于撞击流这种复杂的流体流动仅靠理论分析还无能为力。所以 需要借助于计算机进行数值模拟研究。虽然文献u 6 等中也曾做了一些数值模拟的研究，但 是研究还只局限于连续相的初步研究。 因此，本文从简单的水平撞击流于燥器入手，主要采州数值模拟的方法米研究水平撞击 流干燥器中的流场以及颗粒场的流动特性和传热特性。通过把数值模拟的结果与现有实验数 据和理论进行分析比较得出结论，从而为今斤进一步的理论研究和开发设计打下了基础。 1 4 本章小结 本章主要是介绍本文研究的背景和将要进行的上作。首先介绍了目前国内外撞击流研究 与应用的情况，接着指出实验研究和理论分析在撞击流研究中的局限性，然斤引出本文的研 究方法数值模拟的方法，随后简单介纠了本文用剑的数值模拟的上具f l u e n t 软 什，最后指出本文将要进行的j 一作以及要达到的目标。 8 第二章水、r 撞击流十燥器流动特性与传热特性的数学模型 第二章水平撞击流干燥器流动特性与传热 特性的数学模型 任何流体的运动规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能最守恒定律为基础的。这 些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、n s 方程。流体力学的控制方程属丁二1 f 线 性的偏微分方程，除了简单的问题外，一般很难得到解析解。f l u e n t 软件可以通过计算 机强大的数据处理功能来实现这些控制流体流动数学方程的求解，从而可以研究流体的运动 规律。 2 1 本文的研究对象 本文采州的实验模犁是同轴水平撞击流干燥器”1 ，该干燥器结构尺寸如幽2 - 1 所示。它 的进口管b 是同轴的，并可以移动以改变两根管出口面之间的距离。实验剧的黍籽为 d 。= 1 9 x l o 。m ，p 。= 1 1 5 3 船m3 ，其它物性参数( 如空气物性、空气流动参数、物料 流动参数等等将在第四章给山) 。实验研究了颗粒质量流量m 。等、空气质龟流量m 。、山1 2 1 间距l 等参数对传热系数h 的影响并由这些结果得出结论： ( 1 ) 在实验精度下，流动参数不影响传热系数h 的值； ( 2 ) 颗粒质量流餐= m ，对传热系数h 有显著的影响。 固 体 图2 一l 同轴两流撞击流干燥器 瞿 第一章水平撞击流干燥器流动特忡o o 传热特性的数学模型 在数值模拟中可以进一步的简化模型，通过求解流体控制方程得到数值模拟的结果。 2 2 水平撞击流干燥器中流体的基本控制方程 对于所有的流动，数值模拟都是求解质量和动最守恒方程。对丁包括热传导或可压性的 流动，还需要求解能量守恒的附加方程。 2 2 1 质量守恒方程 在流场中任取一封闭空间，此空间称为控制体，其表面称为控制面。流体通过控制面 ，流入控制体，同时也会通过另一部分控制面a 2 流山控制体，在这期间控制体内部的流体 质量会发生变化。根据质量守恒定律，流入的质鼙与流山质最之芹，等于控制体内部流体质 量的增龟。质量守恒方稃又称连续性方程，其微分形式为 7 1 ： 警十未( 脚，) 暇 ( 2 1 ) 其中j 表示坐标方向。方程( 2 - 1 ) 是质量守恒方程的一般形式，它适刚丁| 可压流动和不 可压流动。 ! | 项s 。是从分散的离散相中加入钊连续相的质量( 比如，由丁液滴的蒸发) ，源 项也可以是任何的自定义源项。对7 - 本文没有考虑组分扩散的情况，源项等丁i 零，即 警+ 未( 川= 。 协：， 对于不可压均质流体，密度为常数，则在_ 二维直角坐标系r 有： 当十宴：0 ( 2 - 3 ) d 石d v 2 2 2 动量守恒方程 在惯性( 非加速) 坐标系中f 方向上的动量守恒方程为7 未( 膨2 ) + 专b 一) = 一妾+ 鲁+ 船，+ f ( 2 4 ) 其中p 是静压气是麻力张量，昭，和只分别为i 方向上的重力体积力和外部体积力 ( 如离散相相互作用产生的升力) 。 0 第一章水平撞击流干燥器流动特性1 传热特件的数学模型 对于二维不可压缩粘性均质流体，可以得到驯 坐d t = 一吉襄圳导+ 氅a y ， “ d 孤 、孤2 方程( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 就是纳维尔一斯托克斯方程的二维形式。 2 2 3 能量守恒方程 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 数值模拟中求解如r 的能量方程： 昙( 删m ( 咖e 训) 小( 丁一 ，巧+ ( 霜；) 卜 协， 其中，为有效导热率；，为组分，的扩散通量。方程( 2 7 ) 右边的前三项分别表示由 于热传导、组分扩散、粘性耗散而引起的能鼍转移。s 。包含化学反应放( 吸) 热以及任何 其它的由用户定义的体积热源。 方程( 2 - 7 ) 中： e ：h - 旦+ ! ( 2 8 ) p 2 其中，显焓h 的定义( 对理想气体) 为： h = 巧 ， ( 2 _ 9 ) 对不可压流体： n 2 莩巩+ 暑 ( 2 1 0 ) 方程( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 中，y 为组分的质量分数。 对于本文，对于二维稳态的情形，仅考虑颗粒和气体间的对流换热，所以公式可以得到 大大简化： “af+v里：土(冀+xoat)(2-11)g “x x 面2 瓦眩+ 矿 堕妒 + 立掰 “ + 却一砂 一p 一 = 生研 鹕一章水1 p 撞击流十燥器流动特性与传热特性的数学模型 2 3 水平撞击流干燥器中颗粒的控制方程 本文主要讨论的是颗粒在流体中的运动与传热情况，与此相关的内容主要有颗粒的轨迹 计算以及颗粒在流场中的传热计算。 2 3 1 颗粒运动方程 数值模拟中通过对拉氏坐标r 的颗粒作用力微分方程进行积分来求解离散相颗粒( 液滴 或气泡) 的轨迹。笛卡儿坐标系卜- ，颗粒在方向上的作刚力平衡方程( 颗粒惯性= 作用在 颗粒上的各种力) 的形式为”： 鲁吲一尝+ 沼 其巾( “一“。) 为颗粒的单位质量曳力，其中 2 嚣警 ( 2 1 3 ) 其中， “为流体相速度，h ，为颗粒速度，a 为流体动力粘度，p 为流体密度，p p 为颗粒 密度，d 。为颗粒直释，r e 为相对雷诺数( 颗粒雷诺数) ，其定义为 r 。：型! 睦二g ( 2 1 4 ) 曳力系数巳可采用如f 表达式： c d = 卺+ 毒 协 对丁球形颗粒，在一定雷诺数范围内，上式中的口，、n 2 、n 3 为常数。对于其它情况卜的曳 力系数，f l u e n t 软件中也提供相应的表达式。 在f l u e n t 软件的缺省模式下，重力加速度等丁零，即式( 2 - 1 2 ) 中的g ，= 0 。如果要 考虑重力的影响，可在o p e r a t i n g c o n d i t i o n s 面板中没定重力加速度的大小和方向。本文中的 计算主要沿水平方向进行，暂不考虑重力的影响。 颗粒平衡方程式( 2 - 1 2 ) 中的f x 是作用在颗粒上的其它作用力，在某些情况下这些力 可能很重要。这些作用力主要有： 第一章水1 t 撞击流十燥器流动特性与传热特性的数学模型 ( i ) “视质量力”( 附加质量力) ，它是由于要使颗粒周同流体加速而引起的附加作 用力。当p p 。时，视质量力不容忽视。对于本文中计算模型，空气密度远小于颗粒密度 故视质鼍力很小。 ( 2 ) 热泳力( 热致迁移力或辐射力) ，对于悬浮在具有温度梯度的气体流场中的颗粒， 受到一个与温度梯度相反的作用力，这种力称为热泳力，这种现象称为热泳。此时式( 2 一1 2 ) 中的c 可以包含这种热泳力： f 。= - d r p 寿誓 沼 其中d r 。为热泳力系数，可以定义为常数、多项式或用户定义函数a ( 3 ) 布朗力和s a f f m a n 力，这两种力一般在处理砸观尺寸( 直径= 1 1 0 微米) 颗粒的 i q 题时才考虑。 垒此已经确定了式( 2 - 1 2 ) 中的各个参数，对式( 2 1 2 ) 进行积分，就可得到颗粒轨 道上每个位置上的颗粒速度。同时，又知道 dx：“。(2-17) i 2 该方程与式( 2 - 1i ) 相似，沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离敬相的轨迹。 2 3 2 颗粒传热方程 对丁颗粒与流场存在换热的问题，可以使i h = | 一个简单的热平衡方程米关联颗粒温度 l ( f ) 与颗粒表面的对流与辐射换热 其中 m 鲁= h a p ( t 一t t ，) + g p a p o ( 碟 m 。颗粒质量( k g ) ； c 。颗粒比热( ，妇k ) a 。颗粒表面积( m 2 ) ； l 连续相的当地温度( k ) ( 2 1 8 ) 第二章水下搏击鞴l 干燥器流动特性，传热特性的数学模型 卜对流给( 传) 热系数( w l m 2 k ) 。颗粒黑度( 辐射率) ( 无量纲) ； 仃斯蒂芬孙一玻耳兹曼常数( 5 6 7 x 1 0 。8 w m 2 k 4 ) ； 醵辐射温度，( 石g “4 ，c 为入射辐射，单位是w ，2 。 方程( 2 1 8 ) 假定颗粒内部的热阻为零，即颗粒自身的温度处处一致。 本文中的模型忽略辐射换热，所以方程( 2 - 1 8 ) 右边第二项为零。这样方程就得到简化， 即： v ，鲁碱( l 吲 ( 2 - 1 9 ) 在计算颗粒轨道的过程中，对上述方程进行积分，即可得到卜_ 一时刻的颗粒温度。 对流传热系数h 采用的是r a n za n dm a r s h a i 一的建议值： “_ h 女d 。p = 2 0 + 0 6 r e ( 2 2 。) 其中： d 。颗粒直释( m ) ； 。连续相的导热系数( w m k ) ； r e d 以颗粒直径为定性尺寸、颗粒与流体的速度莘为定义的雷诺数； p r 一连续相的普朗特数( c 。, u l k 。) 。 当颗粒穿过流体单元( 计算网格) 时，颗粒吸收( 释放) 的热量作为源相作用剑连续相 的能量方程中。 2 4 颗粒与气体间的耦合作用 在计算颗粒的轨道时，跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失，这些物 理量可作用于随后的连续相的计算中去。丁- 是，在连续相影响离散相的同刚，离散相对连续 相也有作用。交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛( 二者计算解不再变化) 为止，这样，就实现了双向耦合计算。图2 2 表示了两相之间的热量、质量与动量问的交换。 1 4 第二章水 掩击流干燥器流动特性o 传热特性的数学模型 2 4 1 动量交换 图2 2 颗粒与空气的质量、热量和动量交换 当颗粒穿过每个数值模拟模型的控制体时，通过计算颗粒的动量变化来求解连续相传递 给离散相的动最值。颗粒动量变化值为 ，- ( 筹( u p - - u ) - t - u 二栅 其中： 口流体粘度： p 。颗粒密度； d 。颗粒直径； r e 相对雷诺数 “。颗粒速度4 “流体速度； c 。曳力系数； m 。颗粒质量流量： 卜一时间步长： f z 。，其它相问作用力。 ( 2 2 1 ) 第二二市水平撞击流十燥器流动特件与传热特性的数学模型 这个动量交换作为动量“汇”作用到随后的流体相动量平衡计算中。 2 4 2 热量交换 q = 静v o 衄m p , - ( - h f g + h p y r 。t + 髓丁，卜 弦 m m 颗粒初始质最( 始) ： c p 颗粒比热容( j ( k g k ) ) ： l 控制体 = | 颗粒的温度变化( k ) ： a m 。控制体内颗粒的质晕变化( k g ) 。 h 矗挥发分析出潜热( j k g ) ； h m 。f 挥发分析山时热解所需热量( j ik g ) ： c _ 析出挥发分的比热( j ( k g 。) ) ： l 离开控制体颗粒的温度( k ) ； 7 焓所对应的参考温度( k ) ： 2 4 3 质量交换 当颗粒穿过每个数值模拟模型的控制体时，通过计算颗粒的质螭变化来求解连续相传递 给离散相的质量值。颗粒质量变化值可简写为： 6 第二章水甲掩击流干燥器流动特忡与传热特件的数学模型 m ：堡磊 ( 2 2 3 ) 卅p ，0 这个质量交换作为质量“源”作用到随后的流体相质星平衡计算中，同时义作为某一化 学组分的组分“源”作崩于组分方程。 2 4 4 相间交换项的亚松弛 在f l u e n t 软件中，相间的动量、热量、质量交换是按亚松弛格式计算的，即 e ，。= f o “+ 暖e 。w 。丁e j q 。= q “+ a ( f 2 m b ，“一q j “) m ，! 产m t 产o m 。m l o , 石m j 其中，n 为颗粒的弧松弛系数，为了改进耦合计算的收敛性，可减小松弛系数。仅值的 大小不会影响最终收敛解所预报山的结果。 2 5 边界条件的给定 前面已经给出了求解流体平颗粒流动特性和传热特性的微分方程耍进行计算从而得到 方程确定的解，还必须设定求解的初始条什和边界条什。 2 5 1 连续相初始条件和边界条件的设定 对于连续相耍求解动量守恒方程、质量守恒方程以及能鼍守恒方程，必须给定空气入 口的参数，包括入口的速度、温度等，对r 湍流存在的情况还要给定湍流量。 f l u e n t 软件提供了十余种进、出口边界条什，包括速度入口、压力入口、质敏入口、 压力出口、壁面等。对于本文给定了水平撞击流干燥器两个进口的空气速度和温度、进口的 尺寸。 2 5 2 离散相初始条件