（化工过程机械专业论文）薄膜蒸发器流体流动数值模拟及传热计算初探.pdf

南京x - 业大学硕士学位论文 摘要 游腆蒸发器赴利j l j 高速脏转的刮扳将料液分散成均匀的薄膜，以进行物料浓 缩的种新型蒸发设备，它特别通用1 于商沸点、高粘度和i 热敏性物料的浓缩。目 前，国内外关于这类设螽的 发研究和推广应用虽然获得了一些进展，但用于没 计计算的基1 f i i | ；数抓仍鼹不足，如何正确获得液膜的速度分析，、温度分和和浓度分 仰是值得列f 究的问题。 本文在参考人最困内外棚关文献的! 。川：，列南京工、l k 大学化： 设备设i _ 卜形 究所研制的l m 2 薄膜蒸发器试验装胃进 j ：了研究和改进，在此肇础上丌发了0 ，4 m 2 钢制薄膜蒸发器试验装置。随后本文以该装置的设计参数为基础，利用计算流体 力学( c f d ) 软件c f x4 , 4 剥荆膜蒸发器内流体流动及传热过程进行了数值模拟， 获得了液膜内的速度场_ 手u 温度场，并分析了刮板长度、刮板倾角、刮板转速、进 料量、物判粘度以及迸料温度对流体流动和传热过程的影响。 模拟汁算 果表f 则，刮板转速和倾伯列i 1 0 ：腆蒸发器内流体流动状态影响较为 显著：t 匍虫使液腆究个均匀化，订效地促进了池膜内流体f i j 径向混合；刮板倾如 增大，薄膜内流体的径向速度和总速度均明显增加，萨倾角刮板能有效地促进液 膜流体的径向混合，通过调= 肖刮板角度可以控制流体在蒸发器内的平均停留时 间；而进料量和物料粘度对薄膜蒸发器简体内侧料液给热系数的影响较为显著。 本文研究了蒸发器结构及：亡艺参数列蒸发器流动及传热过程的影响，初步探 讨了薄膜蒸发器驶汁影响参数问题，为该设备的进一步推广应用奠定基础。 关键词薄j j ；l 蒸发； ；数值模拟c f x 软仆流体流动传热 南京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h i n f i h ne v a p o r a t o r ( t f e ) i san e w t y p eh i g h l ye f f i c i e n te v a p o r a t i n g e q u i p m e n ti tu t i l i z e st i l eh i g h s p e e dr o t a t i o nb l a d et od i s p e r s et i l ef l u i da su n i f o r m t h i nf i l ms o a st oc o n c e n t r a t et i l em a t e r i a l i ti se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h es e p a r a t i o no f m a t e r i a l st h a ta r eh i g h b o i l i n g ，h i g hv i s c o s i t ya n dh e a t s e n s i t i v e u pt on o w , t h e r e s e a r c ha n dp o p u l a r i z a t i o no ft f ea tl l o n l ea n da b r o a dh a v eg o ts o m ea c h i e v e m e n t s ， b u tt h ef o u n d a t i o n a ld a t af o rd e s i g na r es t j l l1 i m i t e d h o wt og e tt h ed i s t r i b u t i o no f t h e v e l o c i t yf i e l d t e m p e r a t u r ef i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l dw h i c ha r ef o r m e di nt h e p r o c e s so f t h i n f i l i r le v a p o r a t i o ui sa v a l u a b l er e s e a r c hs u b j e c t o nt i r eb a s i so ft h e1m 2s t e e lt f et e s te q u i p m e n tw h i c hw a sd e v e l o p e db y c h e m i c a le q u i p m e n td e s i g ni n s t i t u t eo fn a n j l n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o gy - a0 4 m 2s t e e lt f et e s te q u i p m e u ti sd e s i g n e d b a s e do nt h ed e s i g n p a r a m e t e r so ft i l e0 4 m 2e v a p o r a t o r , t h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a i l s f e rp r o c e s si n t h i n fj me v a p o r a t o ra r en u m e r i c a 】l vs i m u l a t e du s i n gt i l ec f ds o f t w a r ec f x 4 4 a n d t h ev d o c i l yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft i l et h i nf i h na r eo b t a i n e d c o n s e q u e n t l y t i l ee f f e c t so fb l a d el e n g t h ，b l a d ei n c l i n a t i o na n g l e ，r o t a t i o n a ls p e e d ，n l a s sf l o w r a t e ， m a t e r i a iv i s c o s i t ya n di n l e tt e m p e r a t u r eo 1i h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa r e p r e l i m i n a r ya n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er o t a t i o ns p e e da n dt h eb l a d ei n c l i n a t i o na n g l e h a v eg r e a te f f e c t so i lt h ef l u i df l o wp r o c e s si nt f e t h eh i g h s p e e dr o t a t i o nb l a d e d i s p e r s e st h ef l u i da sf u l l yu n i f o r mt h i nf i l i l l a u di n c r e a s e st h er a d i a im i x i n go ft h e f l u i de f f e c t i v e l y t h er a d i a lv e l o c i t ya n dt o t a lv e l o c i t yo ft h ef l u i di nt h i n f i l mi n c r e a s e o b v i o u s l yw i t ht h ei n c r e a s eo fb l a d ei n c l i n a t i o na n g l e t h eb l a d ew i t hp o s i t i v e i n c l i n a t i o na n g l ec a l la c c e l e r a t et h er a d i a l m i x i n go ft i l et h i nf i h n a n dt h em e a n r e s i d e n c et i m ec a l lb ec o n t r o l l e db yc h a n g i t a gt i l ei n c l i n a t i o ua n g l eo ft h eb l a d e 7 t h e m a s sf l o w r a t ea n dv i s c o s i t yh a v eg r e a te f f e c t so nh e a lf r a n s f e rp r o c e s s f i n a | i y t i l ee f f e c t so fs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a n r e t e r so nt h ef l u i df l o wa n d l l e a tt r a n s f e ra r ep r e l i m i n a r ys t u d i e d a i s ot i l ed e s i g np a l a l n e t e r so f t f ea r ed i s c u s s e d t h e s er e s e a r c h e sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no ft h i s e q u i p m e n t k e y w o r d s7 h f i n f i h ne v a p o r a t o r ，n u n r e r i cs i m u l a t i o n tc f xs o f t w a r e ，f l u i d f l o w ，i t e a tt r a n s f e rp r o c e s s 南京工业大学硕士学位论丈 第一章绪论 蒸发设备是重要的化工单元设备。旋转薄膜蒸发器1 1 “也称刮膜蒸发器或 机械搅拌薄膜蒸发器，作为一利，新型高效蒸发器，具有普通蒸发器无法比拟的突 出优点，已广泛应用于化工、轻工、制药、环保、食晶等行业，为工业生产带来 了巨大的经济效益。它传热系数高，蒸发强度大，可实现真空操作，对热敏性、 结焦结垢性、发泡性、粕滞性、结品性等物料的蒸发，薄膜蒸发器更显示了它的 优越性。除蒸发浓缩之外，还_ j 用于蒸馏、反应、脱臭、脱泡、分馏塔馏分的精 制以及加热和冷却操作。游膜蒸发器自2 0 世纪4 0 年代问世以来，国内外对其优 化设计、制造及应用避行了大量的研究，近6 0 年来得到了很大的发展。国内自 6 0 年代开始在化工、染料、食品等一些企业逐步采用中小型刮膜蒸发器，对于 大型刮膜蒸发器的设计和应用，国内也进行了彳i 少探讨。南京工业大学化工设备 设计研究所【9 j 研究设计了目前国内最大规格的2 0 m 2 旋转薄膜蒸发器，并成功地 应用于氯碱工业中。但与国外同类技术相比，还存在很大差距队 由于沸腾传热及刮板刮擦成膜的复杂性，薄膜蒸发器研究还是一个试验性 强，带有经验色彩的学术领域。如g o d a u 【lo j 对薄膜厚度的计算，并没有考虑刮板 的影响；m c k e n n a i 及k o m o r i i l2 】等人给出的设计模型也有较大的局限性：目前 用于设计计算的基础资料仍显不足1 i3 ，用于蒸发设计计算的液膜侧传热系数主要 是液膜受热的数据1 8 , “，虽有一些拙述刮膜蒸发蒸馏的数学模型，但未经实 验研究证实。如何准确测定液膜的速度分布、温度分布和浓度分布，是值得研究 的问题i i ”。国内j 醴多设计和产一拍都足在成功经验的基础上，进行工程放大估算的 结果，而没有一套完整的理沦计算设计方法。对薄膜蒸发器内液膜的流体流动及 传热、传质机理进行研究显得十分迫切。 本研究利用计算流体力学( c f d ) 软件c f x 4 4 模拟薄膜蒸发器内流体流动 及传热过程，获得了液膜内的温度场及速度场，初步探讨薄膜蒸发器内液膜流动 及传热机理，研究蒸发器结构参数( 刮板的分布及倾斜角) 及工艺参数剥流体流 动及传热过程的影响，初步分析了薄膜蒸发器设计的影响参数。 本文在南京工业大学化工设备设计研究所研究开发的i m 2 薄膜蒸发器试验 装置【2 0 j 的基础上，总结经验，进行了o 4 m 2 钢制薄膜蒸发器试验装置的丌发和研 究，增添了自动监洲接口，方便了剥影响蒸发过程的温度、流量、转速、真空度 等参量的自动监测。 本课题的主要研究内容有： 1 、查阅国内外文献资料，对薄膜蒸发器的工作原理、结构设计、应用情况 及液膜内流体流动、传热传质研究机理等有一个全面的掌握； 2 、研制o 4 m 2 薄膜蒸发器试验装茕，包括：0 4 m 2 薄膜蒸发器的结构设计和 第一章绪论 试验装置的流程设计等。 3 、应用1 2 1 7 x 4 4 软件建立薄膜蒸发器计算模型，模拟薄膜蒸发器液膜内流体 流动过程，初步探讨薄膜蒸发器液膜内流体流动规律： 4 、研究薄膜蒸发器内流体传热过程，初步探讨传热机理： 5 、分析薄膜蒸发器设计影响参数： 6 、根据本文研究结果分析，提出继续研究的方向。 南京工业大学硕士学位论文 笫二章薄膜蒸发器研究进展 2 1 薄膜蒸发器的结构特点及分类 2 , 1 1 结构特点 薄膜蒸发器的结构简图如图2 - 1 所示【2 ”。 它是由上部的传动部分和下部的蒸发浓缩部 分组成。对于一些分子量高、沸点高、热稳定性 极差的有机化合物的浓缩和提纯只能在高真空下 进行。蒸发浓缩部分山带夹套的蒸发简体和转子 组成。转子带分布器、捕沫器、主轴、沟槽刮板 及支架等结构。在实际生产应用中，刮膜薄膜蒸 发器和其辅助设备构成蒸发操作系统。辅助设备 一般有预热器、预蒸馏和脱溶剂设备、真空设备、 泵和贮罐等。 2 1 2 结构分类2 2 1 刮膜薄膜蒸发器现已形成系列产品，形式多 样。 堆擅 l 电机、减速机；2 一上端机械密封；3 一分离 筒：4 一j i j j 沭器：5 一分布器：6 一转子：7 一刮扳； 8 筒体；9 夹套：l o 一底封头；t1 - - f 端密封 幽2 - 1旋转薄膜蒸发器结构简图 1 、按冷凝器的设置分为内冷式和外冷式。 8 嘻2 - 18 。“o f h e3 9 i 招。8 f h n _ 倒“ 2 、按薄膜蒸发器放置型式分为立式和卧式。 立式薄膜蒸发器是竖直安装的，物料自上而下流过蒸发圆筒体。而卧式薄膜 蒸发器指蒸发器主体水平安装，物料在水平方向上通过蒸发器蒸发表面。 3 、按刮板型式分类 国外主要有3 种型式： b u s s 型，即原来的l u w a ( 鲁瓦型) 。转子和筒体剐为固定间隙，筒体需 要精加工。它是销售量最大，历史最悠久的产品。 s a r a b a y 型( 桑贝型) 。转子上n 勺刮扳是活动铰链式或擦壁的软刮板，其 销售量不大。 s m i t h 型( 史密斯型) 。转予是一个十字架形，架的四边开有沟槽，沟槽 内装有多组聚四氟乙烯或其他耐磨材料的活动滑块。由于转子的离心作用，活动 滑块被抛到筒壁而使物料流体形成一层薄的液膜。此种产品简体不需要精加工， 制造成本低，以日本产量较大。 困内将薄膜蒸发器一般分成固定刮板式和活动刮板式。 固定谢板式 第= 章薄膜蒸发器研究进展 固定刮板式 这种蒸发足不刮壁蒸发刮板外沿与筒内壁的间隙约0 8 - 2 5 r a m ，在加工上 对简体的椭圆度和在安装上对旋转轴的垂直度都有严格的要求，给旎工、安装、 检修都带来一定的难度。 活动刮板式 这种蒸发是刮壁蒸发，它借助于旋转轴所产生的离心力，将刮板紧贴于简体 壁面。因此活动刮扳液脱厚嫂小0 二心定刮扳的液腆厚度，加上不断的搅拌使简 体内壁不结晶、不结垢，使总传热系数比不刮壁的商；对筒体椭圆度和安装垂直 度的要求也没有倒定刮板式高。活动刮板的材料有树脂与棉布制成的层压板，聚 四氟乙烯板，石墨，木材等。 2 2 薄膜蒸发器操作原理1 3 2 3 】 预热到一定温度的物料自副膜蒸发器上部进口进入蒸发器，被旋转的液体分 布器分成多股物流流入圆筒内壁。每股物流被相应的夹板的搅动作用分散在蒸发 圆筒加热内壁上形成均匀液膜。液膜吸收夹套中加热介质( 加热蒸汽或导热油) 传给蒸发表面( 圆筒内壁) 的热量，在其表面进行物质的迅速蒸发。与圆筒内壁 有一定州隙的刮板转动时，推动物料在其上面形成一个流体弓形波如图2 2 。因 刮扳常是倾斜的，或带有一定期度的沟槽，弓形波内流体呈螺旋状向下流动。在 刮板后边形成拖曳涡流，刮板与壁面之问则形成库塔流，而加热表面的其它地方， 由于重力的作用，物料粘在壁面上慢慢垂直向下爬行流动，形成薄膜流。由于刮板 的旋转和搅动，推动弓形波不断与薄膜流进行物质和能量的交换，有利于物质在 传热表面的蒸发，所以刮膜薄膜蒸发器能够处理热敏性和高粘性物质。 醐2 2 旋转薄膜蒸发器及其流动场简削 f i g2 2 s k e t c ho f a na g i t a t e dt h i n f i l me v a p o r a t o ra n df l o wh e l d 在圆筒内的任一位置，物料流速山两部分组成：山搅拌刮板推动作用和液膜 重力引起。这两种作用使流体在加热表面上的停留时间非常短暂。对于高粘性流 体，刮板的推动作用是流体向下流动的主要作用。所蒸发的二次蒸汽通过二次蒸 汽出口到外部冷凝器冷凝。冷凝器的冷却介质一般为常温下的水。因蒸发往往是 带气泡和液体飞溅的沸腾蒸发过程，二次蒸汽被冷凝之前，需通过捕沫器和分离 霈 移一黼 南京工业大学硕士学位论文 的精馏产品贮槽，残液从蒸发器底部流入到残液贮槽。 2 3 薄膜蒸发器的应用 刮膜薄膜蒸发器一般刖作制药、轻工、食品、石油、化工等工业中的蒸发浓 缩蒸馏设备b2 4 。3 0 1 。 i 、医药工业方面： 抗菌素溶液、高粘度物料、热敏性物料、维生素的浓缩。 2 、食品： 业方面： 饮料、凝胶体、氨基酸的浓缩；蜂蜜的脱水。 3 、油脂工业方面： 甘油、脂肪酸的精馏；卵磷酯、溶剂油的脱水。 4 、化工及石油化工方面： 氯化石油脂、三氯化钛、氯化锰、硅汕的蒸馏；聚乙烯醇、保险粉、甲苯二 异氰酸、琥珀酸、烧碱溶液的浓缩；高醇、苯乙烯单体的精馏等。 5 、合成捌脂、橡胶和纤维工业方面： 环氧树脂、聚丙烯、二烯橡胶、尼龙一6 、尼龙一6 6 、聚f l 旨f l = 维素的去溶剂处 理：对苯二甲酸盐、聚碳酸树脂、聚丁二烯、聚乙烯的浓缩：己内酰铵、聚丁烯 的精馏等。 2 4 流体力学研究【1 9 1 流体力学研究主要是关于膜厚、膜速、液体滞留量、停留时蒯分布、流动结 构及混合机理等。由于刮板对降落液膜的搅拌作用，使液膜流态复杂化。降膜流 动是转予刮板引起的切向流动和重力引起的流动的合成流动。液膜流态可分为三 个区域：在刮扳的前缘形成了涡旋，此部分流体呈螺旋状向下流动：在刮板的后 缘附近n , t f , 成了紊流液膜；在紊流液膜与下一个弓形波之阃，刮板的作用消失， 变成层流液膜。刮板与传热壁丽的间隙不能小于液膜厚度，否则刮板将不起作用。 2 4 1 膜速和膜厚 k e r n i “i 等人和g o d a u i 根据n s 方程计算了重力作用下的膜速和膜厚。 在重力的影响下，介质沿薄膜蒸发器内壁下流。对稳念流动来说，形成的薄 膜的厚度是由介质的特性和重力决定的。为了计算，假定竖直方向只有z 向的轴 向流动出现并且物料的粘度在整个膜厚上是常数。进一步假定膜表面上没有剪切 应力出现，x 轴垂直于薄膜蒸发器器壁。 对于不可压缩介质膜厚可以由n a v i e r s t o k e s 微分方程决定。在：方向上有： 等一g 去老+ 告c 警+ 等+ 等， 协， i 一万言+ ；万+ 驴+ ) 坦。1 因为流动是稳态的，并且这儿没有压力梯度，所以方程左边一项和右边第二项等 第二章薄膜蒸发嚣研究进展 因为流动是稳态的，并且这儿没有压力梯度，所以方程左边一项和右边第二项等 于零。另外，只有沿着薄膜厚度方i f i i 的速度有变化，所以括号中的最后两项可以 略掉。因而方程简化成下述形式： 堡g p( 2 2 ) o x 因为此过程发生在圆筒的内壁，所以可以更加准确地用柱坐标来表示： 0 2 w 。+ 三盟：g p ( 2 - 3 ) a rro rh 用w 代替w ，边界条件如下： 1 、流体附着于简壁上的情况： w ：0 ，：一d 2 、流体位于自由表面的情形： 娑：o ，：( 罢一占) o rz 结合边界条件解得： 一嚣 字- 争c 妒 c z - a ， 围绕环形横截面进行积分得到单位时问内流体的体积流量： 矿= 2 w ( r ) a r ( 2 5 ) ( 芸一j ) 把式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) 得： 矿一2 一计蟛2 ，墨d 一2 3 卜 e ， 厶l j 令b = l 一2 5 1 d 上式变为： 矿：塑二生生l n 一2 r 一) 一尘+ 纠i ( 2 - 7 ) 22、2d484i 。” 插入限制条 儿： 步：p g j _ 2 f 一口一l 。b + 堡口：+ 马 32x、4 4 ( 2 8 ) 6 南京工业大学硕士学位论文 令e = 簪，则适合于计算机估算的表达式为 b 4c t n b 一昙，+ b 2 一 + 善= 。 通过对方程( 2 2 ) 进行两次积分得： w = 等蝎， 利用边界条件解得积分常数： c l = 一4 j ，c 2 = 0 把积分常数代入方程( 2 - l o ) 中： w 叫等删 从x = 0 到x = 占剥。整个膜厚进行积分得到平均流速 访= 詈c 等删出 m 翻： 一 一万2 ”。_ _ 因为品= 善，f = 涮所以 古：地 3 最后解得膜厚度为： 万= ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 一i i ) ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 对刮壁式的叶片m 2 2 1 ，根据力的平衡，得出刮板尖端和传热圆筒壁面之间 的最小间隙。 刮板在运转中，膜厚占随物料的粘度、叶片的转速而变化。在稳定转速下叶 片端面和筒壁之间的楔形间隙中流体受剪切力，并给端面叶片以推力，其径向 分力与叶片的离心力相等从而可以求出最小的液膜厚度瓯。 刮壁桨叶如图所示： 第二章薄膜蒸发器研究进展 筒体 削2 - 3 刮颦式i i j 片的运动 f i g 2 - 3 t h en l o v c m c f l to fb l a d e 若桨叶重量为册，桨叶角速度为必，桨叶周边线越度v r = e o r ) ，则离心力产 生的刮板划筒壁的压力f 为： f ：竺甜2 凡：竺生 g卵 ( 2 1 6 ) 若以旷表示浆l j 卜的宽度，它剥筒壁面的倾斜角为占，刮板末端面的中，i i , 点与 壁面的间隙为磊，则最小间隙为 万= 8 0 ( 1 一口)( 2 1 7 ) 其中舻等 料液在桨叶术端与筒壁面之间的楔i l l 隙中受剪切力 力；分解为半径方向的分力巧和切线方向的分力乃则： f ：2 w a t l v 0 0 9 l g c 乃：2 w - t i l v 矿 0 0 9 其中y = 纠糊一。 当e 和f 平衡时：m y _ z _ ：至坐 g r d o g t g c 7 赋予桨叶末端以推 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 南京工业大学硕士学位论文 瓯：丝丝y m “g s ( 2 - 2 1 ) 2 4 2 液体滞流量( 吼) 及停留时问( f ) 由于沿蒸发器流下的料液的流量、粘度因蒸发而在不断变化1 2 z j ， x r c y l n s 警 糍卜硝z z ， 式中占：液膜厚度m l ：传热筒长度m u ：溶剂的粘度k g mh 攻：料液进料流量m 3 h 口：蒸发量对进料量的体积分数 口，：有关粘度式的常数 九：进料液的体积浓度 为了简化，可假定料液的流下量自入口到山口不变化，粘度也不变化，各取 平均值，则： 既一昆+ 3 8 n 。- 5 偿3 卜( 2 - 2 3 ) 平均停留时问f 山下式计算： r = o s 0 k e r n 3 1 1 对涡旋进行简化，把复杂的涡旋流区简化为与刮板成4 5 。角的三角 形区，并认为涡旋以层流向下流动，结合物料、热量衡算，导出了液体滞流量的 计算式。但由于刮板对液膜的离一t ：, ) j j 速作用，涡旋区实际上将会伸缩。k e r n 的 有关结论未经实验证实。 2 4 ，3 流动结构 液膜流态可分为三个区域：在刮板的前缘形成了涡旋，此部分流体呈螺旋状 向下流动；在刮板的后缘附近则形成了紊流液膜：在紊流液膜与下一个弓形波之 间，刮板的作用消失，变成层流液膜。 库塔流 g o d a u j o l 还把刮板前表面与壁面之间间隙中的液流当成库塔流处理，指出刮 板扫刮液膜时存在回流的可能性。 正如图2 4 所示，在刮板的_ | j 沿流线产生了分支并且形成了一个滞留区，在 9 第二章薄膜蒸发器研究进展 这个区域中流体的动能转化成了压能，压头p = 妻：，为刮板线速度。此压 力随着副板后沿而移动，压缩力与粘性力的作用相反，在这个过程中 n a v i e r - s t o k e s 方程简化为如下的形式： 图2 4 圈形波外形幽 f 9 2 - - 4 t 1 1 ep r o f i l ef i g u r eo fb o ww a v e o x 叫蒂 边界条件如下： 。咎鹏 工= 0 ，= 0 对热筒壁：j x 2o ，w y2 一w “ 把压缩力尸代入方程( 2 - 2 4 ) 中得到： “堡：篮 。a r 22 6 “ 此方程的解为： ，2 = 型芷一c , x - c ：4 b t 结合边界条件得积分常数： c 2 = 0 c ：一盟一旦笠 d 2 b a 引入h a g e n 数： h a ：! 型! 坌 ( 2 - 一2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( z 一2 7 ) 南京i 业大学硕士学位论丈 代入方程( 2 2 6 ) 中得： 一等( 1 - y 一等 2 8 ) 当w 。= 0 时有两个解， y = o ( 在固体筒壁上) 枷：d ( 1 十刍 2 。2 9 第二个“零点”意味着在剧隙中发生了反向流动，这只有当h a 一8 时才有可能。 方程的极值是： y = j 哇+ 去) ( 2 - 3 0 ) 只有当回流发生并且h a 一8 时，才有极值。方程( 2 3 0 ) 说明只有在靠近简壁 的间隙内，回流才会出现，并且当周向速度和闷隙宽度增加时更增加了发生回流 的可能性。另一方面，较大的刮板宽度和较高的物料粘度会限制回流的发生。 m c k e 。v e y 等人口认为弓形波的流动是理解整个搅拌薄膜流动的关键，因为对 于高粘流体，薄膜本身几乎不流动，使用刮板后，形成弓形波，一方面起均布液 膜的作用；另一方面，弓形波与薄膜相遇，剧烈混合，促进了物质交换。他们考 察了弓形波的速度分布和流动结构及其影响因素。 刮板下的流动： 垂直于转动轴的圈形波截面图如图2 5 所示。 幽2 5m 点，转动轴的旧形波戒面图 f i g 2 - 5 t h ec r o s ss e c t i o nf i g u r eo f t h ef i l l e tv e r t i c a lt ot h er o t a t i n ga x i s 设备的轴与水平方向的夹角为矿，列竖直设备来说= 9 0 。，忽略了圆柱筒体 表面的曲率假定圈形波的自山表面为一段圆弧。进一步假定厚度为丁的刮板的 边沿切掉了一部分形成的表面与筒壁表面平行，两个表面间的间隙为h ，刮板 与筒壁表面成的夹角，薄膜的厚发为见永远小二j ：h 。占代表刮扳边缘和设备轴 的偏离夹角，列于= 0 。的情形。臼= 0 。，刮板边缘是竖直的。刮板前端的周向 第二章薄膜蒸发器研究进展 速度为矿，对于0 不为零的情形，v 可以分解为垂直的速度圪和切向的速度k 两 个分速度： 圪= v c o s ( 0 ) ，= v s i n ( 0 ) ( 2 3 1 ) 刮板边缘和筒壁内表面的间隙中流体运动与“曳力流”和“压力流”有关。 “曳力流”是由于刮板的运动产生的，“压力流”是由圈形波楔形块顶端的高压 力形成的。 如果q 代表流经每单位长度刮板狭长缝隙的体积流率，并且假定流体是非弹 性牛顿流体，则： 旷叫丽淼篇篇d 。z ， 用代表方程( 2 - 3 2 ) 中括号中的项，则得到下式： q 。= v 。h p h 。= h 8 ( 2 3 3 ) 的表达式可以写为： ：l 一! ( 幽竺l i ( 2 - 3 4 ) 1 2 + ( h t ) c o s ( b ( 1 + h h o ) j 如果( h i h o ) o 时，c “= c + 当y + 。，l ， o u t ，c “= c 茹 边界条件表i ! j ；i ：在刚丌始挥发时，薄膜中的流体已被充分混合，并等于流体 离开这一段的浓度。 方程( 2 - 6 6 ) 懈鸸成：罨嘶( 击j ( 2 - 6 7 ) 在一段中，在某定点： ， p 。等卜一( c 。劬蟾 。 。， ，= 軎，x 为流体质点与刮板的距离。 r ， 那么，在给定段内挥发面积上积分得到该段内的扩 散通量为： 如犯嘏= 一( c 一c ；。怛搬( 2 - 6 9 ) 那么，在第n 级中的总蒸发率为： 吼2 纸“ ( 2 7 0 ) 定义：a 。 告愕北您 q 疗刈x 图2 - 1 1 平板假设 f i g 2 - 11f l a tp l a t ea p p r o x i m a t i o n 进一步假定一段内蒸发率为一个常数，那么一段内存在质量平衡 c 扣警 假定蒸发入口处浓度为c o ，进行连续迭代，导出出口浓度： c + = c 。 ic + 口， - t + c n ”t _ j = 0 1 k = 夔n ? + d t ) 。o - ，。， l ，= lj m ，7 1 、 这就是薄膜蒸发器设计的最基本的设计方程。 如果不考虑在刮板上下边缘可能出现的尾随液珠的挥发，那么每一级上 盯= 。是一常数，为 9 第二章薄膜蒸发器研究进展 n = 詈( 浮卜厄 ( 2 - 7 2 ) 根据m i d d l e m a n 的研究：当浓缩浓度远高于平衡浓度时，平衡浓度相忽略 设计方程简化为 c o ：( 1 + 口) “ c f 整个蒸发器的高度： 胃巩，耻等等 ( 2 7 3 ) ( 2 - 7 4 ) 从推导过程看，当浓缩浓度接近平衡浓度时按此设计出的设备偏小，应适 量放大。 2 0 南京工业大学硕士学位论文 第三章薄膜蒸发器内流体流动模拟 3 1 c f x 软件应用 3 1 1 c f x 软件介绍 1 、数值模拟的概念 4 4 4 5 】 数值模拟也叫计算机模拟，它实际上应该理解为用计算机来做实验。 当问题本身遵循的规律比较清楚，所建立的数学模型比较准确并为实践证明 能反映问题本质时，数值模拟具有较大的优越性。这是因为数值模拟具有耗费少， 时间短省人力等优点。便于优化设计。比实验研究更自由、更灵活。并且还能 对实验难以测量的量做出估计；并且具有很好的重复性，条中 ：易于控制，可以重 复模拟过程，这对湍流的数值模拟尤为重要。 另一方面，数值模拟也有一定的局限性，面临不少问题。首先是要有准确的 数学模型。这不是所有问题都能做到的。对于不少问题，在其机理尚末完全搞清 楚之前，数学模型很难准确化。其次是数值模拟中对数学方程进行离散化处理时， 需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性 方程是有效的，对非线性方程来说只有启发性，没有完整的理论。对于边界条件 影响的分析，困难就更大一些。所以计算方法本身的正确与可靠性也要通过实际 计算加以确定。在计算过程中有时还有一定的技巧性。因此为了验证计算结果的 正确性，还必须与相应的实验研究进行比较。再次，数值模拟本身还受到电子计 算机本身条件的限制，完全实现模拟并不现实。 总之，数值模拟尽管仍然有不少局限性，但在人们的努力下，其潜在的能力 将得到不断的发挥，应用范围将不断扩大，前景是十分乐观的。数值模拟将以其 自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研究一起，成为流体力学研究的重 要手段。 2 、c f x 4 4 软件简介 计算流体力学( c f d ) 是流体力学的一个分支，现已广泛地应用于各相关领域， 显示出巨大活力【4 8 1 ，其基础是动量、能量、质量守恒方程。数值求解方法主要 有有限差分法、有限单元法、有限体积法。 c f x 软件，1 9 6 6 年以前的名称为c f d s f l o w 3 d ，它是由c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss e r v i c e s ，a e a t e c h n o i o g y 于1 9 9 1 年推出的。c f x 4 4 软件使用的 是有限体积法。 c f x 4 4 软件可以进行结构化正交网络( s t r u c t u r e d ) 、不规则分块 网格( p a t c h e dm u l i b l o c k ) 和非j ：| = ! 交曲线坐标网格( n o n o r t h o g o n a lc u r v i l i n e a r c o o r d i n a t e ) 戈l j 分。c f x 4 4 软件由于采用( m u l t i - b l o c k ) 庵j 格划分技术可以模拟许多 第三章薄膜蒸发器内流体流动模拟 复杂物体的流动状况。另外c f x 4 4 软件还可以进行滑移网格划分( s l i d i n gr u e s h ) 功能利用它可以模拟运动物体的边界条件，如可以模拟动力机械转动的叶片和 行驶汽车车轮周围真实的流动情况。 c f x 4 4 软件【4 9 j 使用的基本算法是s i m p l e c 压力校正算法格式。方程的空 间步长离散是由h y b r i d 格式、二阶上游差分格式和三阶q u i c k 格式结合实 现的。模拟分两步进行：首先使用h y b r i d 差分格式来模拟流动的初始生成阶 段：然后用二阶上游差分格式接着来模拟整个生成阶段：三阶q u i c k 格式用来 模拟流体的逆向流动。c f x 4 4 软件有5 种湍流模型可供选择使用。它们分别是 标准k e 模型、低雷诺数k e 模型、代数应力模型、雷诺应力微分方程模型 和雷诺流动微分方程模型。使用c f x 4 4 软件可以进行多相流动，流场中粒子输 运，气体燃烧，混合热传输，多孔介质渗流，热辐剁化学物质的混合运动以及可 压、不可压、定常、非定常等许多工程实际问题的模拟。c f x 4 4 软件具有良好 的图形化界面，使得问题的定义、求解直到最后的结果输出都非常直观方便。 c f x 4 软件在工业界的应用已有近3 0 年的历史。c f x 4 4 软件主要用于仿真 和分析各种流体设备和过程中的单相和多相流动和传热问题，以及流动与化学反 应、燃烧等现象的耦合。c f x 4 4 软件对于工业界的意义在于，可以部分甚至全 部取代试验。c f x 4 4 软件在计算机上模拟流体设备的性能，相当于“虚拟试验 室”，与真实试验所不同的是，c f x 4 4 软件免除了物理制造和测量，因此产品开 发的费用和时间周期都大幅减少。不仅如此，通过c f x 4 4 软件还可获得流场的 三维详细图象和数据，在此基础上分析流场存在的问题( 如效率、损失、噪声等) ， 并进一步改进和优化设计，而这一点通过试验手段往往很难实现，甚至不可能实 现。目前，c f x 4 4 软件已经成功应用于以下领域：自由表面、换热散热冷却、 多相流、医学流动仿真、气动力分析、燃烧仿真、进排气、流体分离、安全、火 灾、流体混合、环保、室内环境仿真、管路流动、室外环境仿真、水动力分析以 及旋转机械等。 通过建立理论和模拟的数学模型，丽作出预测，可以更好地理解流动过程。 用c f x 4 4 软件模拟能否成功取决与能否产生合适的网格。网格生成后，质量， 能量和动量守恒方程，以及表示湍流作用而产生或消耗的物质的变量，都可以通 过数值计算解得。计算的个重要部分就是满足方程的边界条件。 3 1 2 物理模型的选取 1 、计算物理模型产生过程如图3 一l 所示【5 0 j ： 南京工业大学硕士学位论文 建计算环境 设计c f d 数值模拟 立 以几何模型为基础 计算边界方案。1c f d 数值模拟结果i 模抽象出计算物理模型 求解 。 型应考虑的主要方面 计算功能约束 幽3 - i 计算物理模型的产生和功能 f i g 3 1e s t a b l i s h m e n ta n df u n c t i o no f p h y s i c a lm o d e l 首先对计算几何模型进行边界定义和网格划分，然后定义薄膜蒸发器的主要 环境、边界、功能约束条件，设计c f d 数值模拟方案，建立计算几何模型，进 行c f d 数值模拟，并整理模拟结果。 薄膜蒸发器的工作介质一即流体，沿切线方向进入蒸发器内，由旋转分布器 均匀地分布在内简壁受热面上，由于刮板与传热面问隙小，使得料液被刮板分散 成薄而均匀的液膜。物理模型应该包含固体壁面和流体空间的信息。由于计算 手段的局限性，设计时采取一部分，其余部分定义成边界条件的方法，建立物理 模型。 物理模型建好后，应定义物理模型的边界条件，再将实体模型离散成若干计 算网格，本次模拟以流体部分为计算对象，以固体壁面为边界定义计算模型。 对流体求解时，对计算流体作如下假设： a 流体是各向同性的，均匀的； b 流体运动可看作连续运动； c 该控制体的速度与时间无关，所以是定常的。 上述物理模型参数，涉及流体边界、流体进口速度、流体物理性质如粘度、 密度等，还包括热边界。 2 、流体的k 湍流模型f 5 2 0 4 】 薄膜蒸发器内液膜流态可分为三个区域：在刮板的前缘形成了涡旋，此部分 流体呈螺旋状向下流动；在刮板的后缘附近则形成了紊流液膜；在紊流液膜与下 一个弓形波之间，刮板的作用消失，变成层流液膜。计算模拟应选用湍流模型。 湍流模式可以根据方程数来定义，可以分为零方程模式、一方程模式、二方 程模式和多方程模式等。目前应用较广的是x e 两方程模型，即除连续方程和 n s 方程外，增加能量方程k 方程和e 方程，组成封闭的方程组： 警+ 百- 飞o u , = f 一去考一未畸) + v v 2 瓦 b t ， a u ，二= 0( 3 - 2 ) 黜 苎三主墨墨鳌垒墨空堕堡垫垫壁塑 警+ 巧筹= 一夏a ( v , 。唰a k i 等+ 等 雾，竿 s ， 等+ 瓦毒= 一鲁弦) 功等等等 上面公式中参数的意义： ，u ，tu ，f _ ，方向的平均速度分量 ，时间 x ，x ，x ，f ，方向的位移分量 v 流体运动粘性系数 “，“，t ，方向的脉动逃度分量 p 平均压强 k 单位质量的湍动动能，k ：丝生 2 f 单位质量的质量力 一单位腮弹位l j 搁的湍动粘性耗扭拉r ( 考考) p 流体密度 ( 3 - 4 ) _ 涡流粘性系数，_ ：q 髟，q 的推荐值为0 0 7 0 0 9 占，脉动湍动粘性，s ，：。盟堕 呶 。c | c 。经验常数，c 。m6 8 吼经验常数，o k = 1 ，混合长 其中，方程( 3 1 ) 为霄诺方程；方程( 3 2 ) 为连续性方程，方程( 3 3 ) 为 能量方程模型的k 运输方程，方程( 3 4 ) 为能量方程模型的占运输方程。 “8 方程通过求解偏微分方程，考虑湍流物理量一脉动特征速度与平均场 速度梯度的关系，在一定程度上考虑了流场中各点的湍流传递和流动的历史作 用。k _ e 方程能较好地应用于复杂的流动，甚至复杂的三维流。所以本文模拟 、 生吣 ，义 南京工业大学硕士学位论文 选择了该模型。 3 、边界条件 以速度为边界条件，入口薄膜和圈形波中流体只有轴向速度； 固壁边界条件为无滑移固体壁面； 自由表面处无蓟纠力。 4 、数值模拟示例 选择一组计算条件，建立j l a _ i i 、物理模型，然后选择数学模型k e 湍流 模型，在工业生产一线取得真实数据，相似处理成数值模拟的输入数据，定义边 界条件，用c f d 方法求解。例如在专业计算流体动力学软件c f x 4 4 的环境中， 数值模拟的过程经历日f 处理、边界定义、求解器、后处理的过程。 如上，在前处理中定义了几何模型后，定义边界，下面为物理模型文件： c f x 4 o p t i o n s t h r e ed i m e n s i o n s b o d yf i t t e dg r l d u n m a t c h e dg r i d s c y l 【n d r i c a lc o o r d i n a t b s r o t a t l n gc o o