（机械设计及理论专业论文）喷雾干燥中耦合流场的数值模拟及塔体性能参数的分析.pdf

摘要 本文采用理论分析、软件仿真和实验数据相结合的方法研究了干 燥塔内的耦合流场，并以此为依据对干燥塔进行结构和工艺参数的优 化，使其达到经济合理的目的。 本文主要以干燥过程中物料颗粒为研究对象，针对d c 3 0 0 型干 燥塔，运用计算流体力学和空气动力学对雾化器雾化过程，颗粒运动 轨迹以及在运动过程中温度和蒸发量变化规律，旋风氮气场的运动规 律和温度分布逐一进行分析。在模拟仿真和实验数据分析的基础之 上，对干燥中粘壁现象，产品质量和生产效率进行研究，提出了塔体 最小有效尺寸概念，优化了塔体结构，揭示了产品质量和生产效率之 间部分复杂关系。 通过对d c 3 0 0 型干燥塔内耦合流场分析发现，颗粒自雾化器喷 出之后短时间内，温度和蒸发量迅速上升，颗粒很快得到充分干燥， 并不需要过长的干燥时间防止颗粒未干燥彻底和过大的塔体结构防 止粘壁现象的出现。经过对产品质量和生产效率具体分析后，发现二 者关系极其复杂，无法定量分析二者之间的关系，需要针对具体设备、 具体工况利用模型仿真结果进行分析，得到在满足生产需要的前提 下，产品质量和生产效率最优结合。最后提出塔体最小有效尺寸，优 化塔体结构，为干燥塔合理经济的设计提供了依据。 关键词：喷雾干燥，颗粒运动轨迹，耦合流场，粘壁，优化设计 a b s t r a c t t h ec o u p l e df l o wo fs p r a yd r i e rw a ss t u d i e d b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nt h i sa r t i c l e b a s e do nt h er e s u l t s , t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h es p r a yd r i e rs t r u c t u r e ，t h u st om a k et h es p r a y d r i e rd e s i g nr e a s o n a b l ea n de c o n o m i c a l t ot h ed c 3 0 0t y p eo fs p r a yd r i e lt h ep r o c e s so fa t o m i z e r , c a m p a i g nt r a c ko f p a r t i c l e , v a r i e t yo f t e m p e r a t u r ea n de v a p o r a t i o ni nt h e c a m p a i g nt r a c k , c a m p a i g nl a w sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es w i r l n i t r o g e nb yc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n da e r o d y n a m i c sw e r e s t u d i e ds e p e r a t e l yb yt h i sa r t i c l eb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( t h e w a l ls t i c k ys i t u a t i o n ，p r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw e r e r e s e a r c h e do nt h eb a s i so fm o d e ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s m e a n w h i l e ，t h ec o n c e p to fm i n i m t me f f e c t i v es i z eo fd r i e rw a s p u tf o r w a r d ，t h es p r a yd i e rs t r u c t u r ew a so p t i m i z e da n dt h ec o m p l e x r e l a t i o n s h i p b e t w e e np r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw a s r e v e a l e di nt h i sp a p e r ) t h r o u g hm o d e l i n gt h ec o u p l ef l o wo fs p r a yd r i e ti th a s b e e n d i s c o v e r e dt h a tt e m p e r a t u r ea n de v a p o r a t i o no f t h e p a r t i c l ea l er i s i n g r a p i d l yi nas h o r tt i m ea f t e re m i t t e df r o mt h ea t o m i z e r , t h ep a r t i c l e sa r s f u l l yd r i c dq u i c k l y , i td o e sn o tn e e dal o n gt i m et od r yp a r t i c l e s w h i c h w a sn e e d e dt op r e v e n ti n c o m p l e t ed r y ，a n dn o tt o ol a r g ed r i e rs t r u c t u r e w h i c hw a sr e q u i r e dt op r e v e n tt h ep h e n o m e n o no fs t i c k yw a l l b a s e do n t h ec o n c r e t e l ya n a l y s i n gp r o d u c tq u a l i t ya n dt h ee f f i c a c y , i th a sb e e n f o u n dt h a tf i r s t l y , t h er e l a t i o ni st o oc o m p l i c a t e dt oa n a l y s i s s e c o n d l y , t h e m o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r en e e d e df o rc o n c r e t ee q u i p m e n t ，w o r k i n g c o n d i t i o n sa n a l y s i n gi no r d e rt oh a v eag o o du n i o no f p r o d u c tq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yu n d e rt h ec o n d i t i o no f m e e t i n gp r o d u c t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e r a d v a n c e dt h em i n i m u me f f e c t i v es i z eo f d r i e ra f t e rad e t a i l e da n a l y s i sa n d p r o v i d e dg o o dr e f e r e n c et od e s i g nar e a s o n a b l ea n de c o n o m i cs p r a yd r i e r k e yw o r d s ：s p r a yd r y i n g ，c a m p a i g nt r a c ko fp a r t i c l e ，c o u p l e d f l o w , s t i c k yw a l l ，o p t i m i z e dd e s i g n 原创性声明 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及取得的 研究成果。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论 文中作了明确的说明。 作者签名：衄 日期：丛乏7 年月主日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名碰函导师签名j 咝日期：之班上月立日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 干燥技术的发展现状 i i 1 喷雾干燥技术 第一章绪论 喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴，并在热干燥介质中迅速 蒸发溶剂形成干粉产品的过程，一般喷雾干燥包括四个阶段：料液雾化： 雾群与热干燥介质接触混合：雾滴的蒸发干燥：干燥产品与干燥介质分离 料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等泵可以输送的液体形式，干燥的产品 可以是粉状、颗粒状或经过团聚的【” 不同的物料或不同的产品要求，所设计的喷雾干燥系统的都有很大差别，但 其中几个主要系统是不可缺少的：供料系统，供热系统，雾化系统，气固分离系 统，干燥器。图1 1 为喷雾干燥的基本流程。 圉1 1 雾干燥的主要配置 1 一供料系统2 一供热系统3 一雾化系统4 - - 干燥器5 - - 气田分离系统 一百多年来，喷雾干燥技术及设备之所以在众多的干燥器中占有重要位置， 是因它有着其他干燥器无法相拟的优点【2 】； 瞬间干燥；物料本身不承受高温；产品质量好；生产过程简单； 减少公害，保护环境； 生产控制方便；应用领域广泛；可组成多级干燥。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 喷雾干燥设备 喷雾干燥系统中一般包括雾化器，干燥器，换热设备，供料、通风、出料设 备，除尘设备等。其中雾化器。干燥器是整个喷雾干燥系统中的核心设备。 目前，喷雾干燥器主要是高塔式和箱式两种，其中以塔式为主。干燥器的结 构是依据被干燥物料的性质，产量和干燥条件而定。干燥器规模越大，生产运行 时的单位能耗就越低，基建费用也越低。同时操作人员越少，但干燥器越大，在 同一干燥器的平面内温度分布越不均匀，产品含水率不均匀的倾向也越明显。塔 式干燥器不仅能制成粉状，而且也能制成颗粒状产品。箱式干燥室仅在牛乳、禽 蛋、酵母等食品工业中采用，其中以奶粉干燥最多，并有定型设备。主要有日处 理鲜奶5 t 、l o t 、1 5 t 等几种。这种干燥室大多无机械卸料装置，需人工定时进 入干燥室内卸料。因此存在间歇操作、劳动强度大、产品受热时间长易变质等缺 点，箱式干燥室产品一般为粉状。图1 2 为干燥器的分类。 一e 广并流碴雾干燥器 粼l = 流露畴向分类l 怒娜贝弦r 研鞴 图卜2 喷雾干燥器的分类【2 l 雾化是通过雾化器把液体分散成无数微小雾滴的过程，喷雾干燥时，使被干 燥料液雾化是最重要的过程之一。雾化效果关系到喷雾干燥方案的确定，产品质 量以及技术经济指标。如果雾化不均匀，粗大粒子可能粘壁，而细小的粒子可能 过度干燥，甚至受热而被破坏，因此，雾化器是喷雾干燥系统的核心，雾化系统 中的雾化器是干燥专家们从理论到结构研究最多的内容，目前常用的主要有三种 基本形式：离心式以机械高速旋转产生的离心力为主要的雾化动力；压力式 以供料泵产生的高压为主要雾化动力，由压力能转变成动能；气流式以 高速气流产生的动能为主要雾化动力，三种雾化器对液料的适应性和不同产品的 粒度也有一定的差异。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 喷雾干燥技术的发展现状 喷雾干燥是1 9 世纪后期获得工业化成功的干燥方法。目前在食品、化学药 品、医药品、洗涤剂、化肥合成树脂、陶瓷、染料、农药等方面得到广泛应用， 我们目前生活中经常能够碰到的喷雾干燥制品，如乳粉、速溶咖啡，合成洗涤剂 等，都是喷雾干燥产品，关于喷雾干燥的基本技术，主要包括以下几个方面【2 l ： 雾化器性能的研究；在干燥器内气流与微粒的运动及相对运动；雾滴 的干燥速率以及产品的形状。 近年来，国内外干燥理论工作者都做了大量的工作，取得了许多进展，有力 的推动了喷雾干燥技术的发展，也使喷雾干燥理论进一步得到完善，归纳起来主 要表现在干燥动力学研究，雾化机理及雾化特性的研究。 在干燥动力学研究方面，通过时间增量法对干燥过程中物料与干燥空气之间 发生的传质过程的分析，其方法是将干燥时间划分为若干个时间步长。根据 m a r s h a l l 方程，跟踪物料在每一时间末的性质状态参数，直到得到合格产品为 止。此时，对粒子所经历的单个时间增量步进行积累，就是物料干燥所需要的总 时间。本观点的特点在于分析粒子的干燥过程，不需要接受关于恒速阶段的假设。 因为在恒速阶段中，雾滴中水分的蒸发行为类似于相同条件下纯水的蒸发，在时 间增量步中可以取其表面蒸汽压为粒子表面温度下的水的饱和蒸汽压，而粒子直 径也可以考虑随水分的蒸发而逐渐减小。在降速阶段，粒子内部水分向表面自由 扩散的过程因所受阻力增大而变得困难，粒子表面不能继续保持充分的湿润，表 面蒸汽压小于粒子表面温度下水的饱和蒸汽压，可根据物料的性质而取适当的数 值和变化规律，但没有必要取蒸发速度按线性规律递减的假设。研究表明，雾滴 在干燥过程中可能出现三种情况： 在降速阶段初期，粒子表面的水蒸气分压大于空气中的水蒸气分压，干 燥过程继续进行，分压差为干燥过程的推动力，所蒸发的水分可按恒速干燥阶段 中的方法进行计算。 随着干燥的进行，出现粒子表面水蒸气分压等于空气中的水蒸气分压， 二者之间的分压差等于零，也就是传质推动力等于零，这时再延长干燥时问也无 任何意义。 由于粒子粒径和干燥环境的不均匀性，有可能空气中的水蒸气分压大于 粒子表面的水蒸气分压，导致已干燥的粒子吸湿，这三种情况实际上是粒子表面 与空气间水蒸气分压差的三种变化而产生的三种结果，在分析喷雾干燥操作的传 质过程中，应将有可能发生的三种情况都加以分析，才能真实地反映干燥的实际 过程【2 】。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在雾化机理方面的研究，r a y l e i g h 在1 8 7 8 年首先提出了非粘性液束在层流 状态下散裂的数学表达式，并得出了“当液束的长度大于周长时就会不稳定而易 于散裂”的结论。虽然这些条件实际并不存在，实际液束是粘性的紊流，还受周 围空气的作用，但后来的理论中却常引用这个古典理论。t y l e r ( 1 9 3 3 年) 对水银 柬进行了研究，得出与r a y l e i g h 十分相近的结论。w e b e r ( 1 9 3 1 年) 将r a y l e i g h 理 论加以推广，考虑了液体的粘度、表面张力和密度等因素的影响。到2 0 世纪3 0 年代，液束的研究已经达到考虑了空气阻力对液束散裂影响的水平。1 9 3 2 年 h a e n l i n 报道说，在高速气流影响下，液柬表面形成的规则波形由于速度增大而变 得极不规则。c a s t l e m a n ( 1 9 3 1 年) 也分析过高速气流的扰动作用，认为雾化程度从 空气与液体之间的相对速度来调节，直接推论出“液束的稳定性是雷诺数的函 数”。o h n e s o r g e ( 1 9 3 6 - - - 1 9 3 7 年) 找到了与雷诺数之间的关联式，他将液束的分散 倾向用液体的粘度、密度、表面张力和液束尺寸等表示，并将自己的发现归结到 用无因次数z ( z 为韦伯数与雷诺数的比值) 来表示液体散裂机理。在低雷诺数 时，雾化主要是由于液束表面出现振动引起的：在中等雷诺数时，雾化程度则与液 柬上出现的波的运动有关：在雷诺数很大时，液束迅速分散，直接在雾化器边上 雾化，这是液体雾化过程的初步简化。对于工业雾化器，由于液体分散过程进行 得太快，无法分清液体散裂时各个阶段的情况，各种液体性质所起的作用也模 糊不清。但普遍认为，雾化机理与雾化方法、操作条件以及流体的物理性质等因 素有关【3 】。 关于雾化器雾化性能的研充很多研究者已经做了大量理论分析和试验工作 【4 】。对于气流式喷嘴，拔山和棚泽是早期最著名的研究者，他们在1 9 3 8 年提出 t s a u t e r 平均滴径和气液质量比及液体性质之间关系的经验式【5 4 6 1 。g r e t z i n g e r 和m a r s h a l l ( 1 9 6 1 年) 嘲、k i m 和m a r s h a l l ( 1 9 7 1 年) 【7 】也提出了平均滴径的经验 关联式。d e y s s o n 和k a r l a n 6 1 于1 9 7 8 年应用因次分析法获得了无因次平均滴径的 关系式。c e d i k 和f i l k o v a ( 1 9 8 5 年) 【6 】利用因次分析法对气流式喷嘴雾化性能进 行了理论分析，并通过试验加以验证，得到了计算液滴尺寸的关联式。阎红 ( 1 9 8 9 年) 【8 l 对二流式喷嘴进行了试验研究，并得到液滴直径的经验关联式。虞子 云( 1 9 8 9 年) 【9 】进行了二流式和三流式喷嘴的雾化试验，并得到了液滴直径的准数 关联式。 v o r o ( 1 9 3 5 年) 【1 0 1 对压力式喷嘴的流体流动情况作了数学分析，得出了空气心 直径随喷嘴孔径增大而增大的结论。d o b l e ( 1 9 4 5 年) 【1 0 】提出了预测压力式喷嘴性 能的经验公式。n o v i k o v ( 1 9 4 8 年) 【】在假定可忽略液体粘性影响的条件下，对压力 式喷嘴液体的流动进行了数学分析，得到了流量方程。d o u m a s 和l a s t e r ( 1 9 5 3 年) 【l l 】对n o v i k o v ( 1 9 4 8 年) 模型作了经验修正，根据试验数据得到了流量系数和 中南大学硕士学位论文第一章绪论 雾化角的关联图，为压力式喷嘴的设计计算提供了理论基础 m a r s h a l l ( 1 9 5 0 - - 1 9 5 5 年) 【1 2 1 4 1 5 】在旋转式雾化器的雾化理论及性能预测方面 做了大量研究。w a l t o n 和p r e w e t t ( 1 9 4 9 年) 以及f r a z e r ( 1 9 5 6 - - 1 9 5 7 年) 【4 】在旋 转式雾化器的理论研究方面也做出了很大贡献。徐基璇等( 1 9 8 6 - - 1 9 8 9 年) 【l q 在 旋转式雾化器的设计和研究方面做了大量工作。但是，旋转式雾化器的理论研究 还远不及于气流式或压力式雾化器，其雾化性能的计算值与实测值之间的差别还 很大【埘，大多数情况下的设计还是以经验为主。 1 2 本课题的来源和研究目的及意义 本课题来源于湖南某公司设计项目闭式循环喷雾干燥设备d c 一3 0 0 型的 设计，该课题属横向课题，设备如图卜3 。 图1 - 3d c - 3 0 0 型喷雾干燥塔 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 多年以来，喷雾干燥的应用已十分普遍，我们每个人的日常生活都离不开衣、 食、住、行、用，在构成日常生活的全部内容里，到处都有喷雾干燥的产品，也 就是说，人们离不开喷雾干燥产品。 目前喷雾干燥工艺参数的确定和喷雾干燥器的设计，多以实际经验为主，并 没有一套与之配套的理论模型。在喷雾干燥器的尺寸设计上，都是基于忽略风场 影响雾滴运动规律的计算来确定的，这样的计算和实际往往有很大的差距。一些 有关喷雾干燥中喷雾中料液与气流运动问题的综合报导【埽u 2 0 l 认为：在干燥室的 大部分空间内，微细颗粒的运动完全受气流的支配，它们离开雾化器后，在雾化 器附近就达到和周围气流一样的速度，雾滴运行多远才完全受气流的控制，这与 雾滴自身物理性质，雾化器，风场具体情况有关。 为了能更好的确定喷雾干燥工艺参数和喷雾干燥器的结构。我们以闭式循环 喷雾干燥设备d c 一3 0 0 型为例，对其干燥器内部气流流场，雾滴运动轨迹采用计 算流体力学进行分析计算，建立喷雾干燥模型。分析产品质量和生产效率之间的 复杂关系，在满足生产需要，尽量减少物料对塔壁的粘附为前提条件，提出最小 塔体有效尺寸概念，对干燥器结构进行优化。对于大型的干燥器结构的优化，不 但能节省大量的生产成本，而且对设备的采购，安装，运输都带来极大的便利。 1 3 本文的主要研究内容和思路 本课题以闭式循环喷雾干燥设备d c - 3 0 0 型为基础模型，采用理论研究、仿真 研究和实验研究相结合的方法，对喷雾干燥塔内气固两相流场进行分析。 雾化器安装、引风量、物料的温度湿度是产生粘壁的主要因素。雾化器安装、 引风量之所以会影响物料粘壁是因为它们影响了干燥塔内物料粒子运动轨迹和 停留时间。本文对雾化器的几个雾化性能参数进行理论分析，在此基础之上用 f l u e n t 软件对塔内气体流场和物料粒子运动轨迹进行分析计算，建立干燥塔内 气体和雾料颗粒相间耦合离散相流场三维数学模型。本文基于干燥塔内流场的三 维数学模型，对颗粒运动轨迹以及在运动过程中温度和蒸发量变化规律，旋风氮 气场的运动规律和温度分布逐一进行分析，并对物料粘壁现象进行研究，在以减 少物料颗粒对塔壁粘附，达到最终产品要求的前提下，建立最小塔体有效尺寸的 概念，优化塔体结构；并通过模数学型调整具体工况下产品质量和生产效率关系， 优化工艺。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 主要研究内容如下： 喷雾干燥中雾化性能参数的理论分析，分析几个主要雾化性能参数之问 的关系。 运用计算流体力学，分析计算干燥塔内物料颗粒的运动轨迹和气固两相 的热质交换的规律，建立其三维的数学模型。 利用f l u e n t 软件，结合相关实验数据对现有干燥设备i c - 3 0 0 型干燥塔 内流场中热质交换和离散相轨迹进行仿真模拟，分析耦合流场的温度分布、颗粒 运动轨道及颗粒温度和蒸发量的分布 基于仿真模拟的分析结果，对物料粘壁问题、产品质量和生产效 率的关系进行分析，优化塔体结构和工艺参数。 中南大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 本章以压力式喷雾干燥器为例，对其雾化器性能几个重要参数和它们之间的关 系进行分析，建立它们之间的数学关系式，为下文分析塔内耦合流场和优化塔体结 构工艺参数奠定理论基础。 2 i 压力式雾化器性能和影响雾化质量几个重要参数的分析 2 1 1 雾化器的流量及流量系数 我们先假设所喷液体按理想流体考虑，则液体在旋流室中的流动遵守动量守恒 f 2 1 1 。其动量守恒方程式： u 。r = u t r = 常数 其中： r 旋转室半径，( m ) ； u 广任意一点液体的切线速度，( m s ) ： r 一任意一点液体的旋转半径，( m ) ； u t 。一切线入口速度，( m s ) 。 随着r 愈靠近轴心处，u t 愈来愈大，在喷孔的中央形成一半径为t 。的空气芯，如 图2 一l 所示： 图2 - 1 喷嘴内液体运动流动示意图 i 簧 1 c | 。； 中南大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 根据流体的能量方程式( 即伯努利方程) 嘲捌： 日：上+ 堕+ 盟 p l2 92 9 其中： h 一液体总压头，( m ) ； p 一液体静压强，( p a ) ； pl 一液体的密度，( k g m 3 ) ； u ，1 一液体喷嘴出口处轴向速度，( 峨s ) ； g 一重力加速度， m s 2 ) ； u o 一液膜的平均液流速度，( m s ) ； u i ，u ，一u o 径向，轴向的分速度， m s ) 根据流体的连续性方程式： q = 万( 疗一彳) q = 万右 其中： r 。一喷孔半径，( m ) ； r c _ 一空气芯半径，( m ) ； r 。( b 2 ) 一液体入口半径( 或宽度) ，( m ) 。 在旋转液流中，静压强沿径向的变化率 2 4 1 1 2 5 】【3 l 为： 尘：旦里翌三 d r g ，2 ， 边界条件：当r = r c 时，p = o 当r = r o 时( 即喷嘴出口处) ，晖= 等吒 贴p = 三鲁吒胄2 c 孑1 一争 中南大学硕士学位论文第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 则：日= 土p t 三2 鱼g ，2 i , r 2 哼一孑1 ) + 瓦1 习q 了r 2 + 上2 9 i t ( 4 止- 4 ) 2 2 丽q 2 ：。 r 名2 c r 0 4 - + 爿鲁】2 9 万2 0 名c 。( 疗一c ) 2 1 即流量q =正面霄砖 设一号b 专 彳= 碲 瞄呓 。 k ：型! 三竺 l 一4 + 4 2 8 2 蛐= 翩厨= 觑犀 其中： k 流量系数； a 喷孔截面积，( r o b ； h 喷嘴孔处的压头，h = p p ，5 p 可视为料液进喷头之前的表压值，( p a ) o a 有效截面系数，它表示液流截面占整个喷孔截面的分数，反映 了空气芯的大小： b 几何特征系数，它表示了喷嘴主要尺寸之间的关系。： 公式( 2 1 ) 中只有流量系数和雾化器孔径是未知量，其余数据是已知量，但流 量系数与设计参数a 之间有一定对应关系，以a 对k 作图，见图2 - 2 。 ：及要) ；：( 华) ( 皂) i 1 ( 2 - 2 ) f f 式中a 设计参数： r 液体旋转半径( m ) ，r = r - r 。 中南大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 2 1 2 雾化角 迄今关于射流雾化的研究仍然遵循实验研究的技术路线，即通过大量的喷射测 试出各种喷射条件下的雾化特性参数值，对实验数据作回归分析或无量纲分析，得 出经验公式。对于射流雾化的压力式喷嘴也不例外。 即 留兰= 等 单喷嘴雾化角可由液滴的径向速度u l ，轴向速度u ，之比来确定。对于压力式喷 嘴，其雾化角度。可根据射流自由表面增长最快、最不稳定的扰动波的径向和轴向 传播速度来确定啪2 7 1 。 留詈= 等( 旦p z ) ；九鲁( 习r e 2 】 其中： f 一是t a y l o r 不稳定波增长率函数： r e 一基于平均喷射速度和喷孔直径液体的雷诺数： w e 一基于平均喷射速度和喷孔直径液体的韦泊数。 采用旋流式压力喷嘴在空气中喷雾原料液，其雾化角可即由半经验公式近似求得 喷嘴的雾化角度。 口= 4 3 5 l g ( 1 4 4 1 以a 对0 作图，如图2 - 3 所示，根据a 值的大小可以利用该图近似求的喷嘴的 雾化角度。 o ， o 。 o ， 枣。 eo o o o 0 。 0 。 o24南，01 2 ：z j 圈2 - 2 流量系数i 与参数a 的关系 必 1 2 0 1 0 0 98 0 6 0 4 0 2 矿 妒 02 窭 0t 2 4 + i 3 畦 图2 - 30 与 ，的关系困 中南大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 2 1 3 液滴的平均直径 雾滴的直径大小、直径分布对干燥过程和终产品的影响至关重要，它是干燥塔 设计过程中塔径和塔高的最重要设计依据之一雾滴在干燥塔内的分布状况在整个 喷雾干燥过程中具有至关重要的意义。而影响液滴形成的因素如旋流脉动、压力波 动、空气摩擦以及外部震动等。都会使唼嘴孔喷射出的液膜产生振荡两导致破碎， 对其雾化的稳定性有重要意义。 以空气动力干扰为出发点，分析扰动波面上的力可知，液体粘性力的作用阻止 了液滴的分裂扩散，而表面张力则力图收缩表面使其恢复到原来状态，而突面上的 空气却使其附近的局部压力减小，在一定条件下，空气动力作用超过液膜表面张力 作用，液膜的波动则沿流动方向增强，即形成波幅按指数规律增长的不稳定波瞄冽， 其表达式为： y = y 一加 其中：y 一在t 时的振幅，( i i m ) ； y 旷初始振幅，( j l m ) ； 1 3 一振幅增长率： t 一时间，( s ) 。 当薄膜前沿的波幅增长率达到最大bm a x 时，薄膜此时破碎成半个波长 , 2 的条带，表面力的作用使该条带立即收缩成线状，接着线又破裂成液滴，如果此时 液滴的惯性力超过其表面张力一定倍数时，则该液滴将不断被分裂成更细的液滴， 即发生韦伯效应。 韦伯效应表达式： w e ：= p i d u 2 因线是由条带收缩而成的，则线状半径r l 为： = 以f p ) 2 液滴的平均直径d p 可表示为： ! d p = c f ：t , ) 2 中南大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 其中： t ，_ 一薄膜的破碎厚度，c u r e ) ： f ，- ( 争警) ； 。b m a x 时的波长，( 唧) ； 4 耐 乃2 丽 e 波幅比，e = l n ( y p y 。) ； o 液体的表面张力，( m n m ) ； y p - 一平均振幅，( u m ) 1 6 一一膜厚参数，( 1 l m ) ； 5 = 望 2 # v os i n 0 c - 待定常数。 对于给定的喷嘴型式，p 。和u o 的变化对e 影响极小，可视其为常数，于是得 以= q 咖惫，； 其中c 广一液体雾化系数 ( 2 - 4 ) 2 2 流量，雾化角和液滴平均直径之间关系的分析 取进口圆形为例，给出雾化器尺寸r ，r l a 、r o 、r c ，液料的性能参数p1 、pg 、o 、 c o ，进口压力p 。 根据公式( 2 - 2 ) 求出设计参数a ，通过图2 - 2 找到对应的流量系数k 再利 用公式( 2 1 ) 可求出流量q ：剧瓦万：k a 、兰芝 y 研 根据图3 找出对应a 的雾化角e 。 利用公式( 2 - 4 ) d ，= c o ( ( 备；，再将公式( 2 - 3 ) 代入且得： 中南大学硕士学位论文第二章喷雾干燥中喷雾性能参数的理论分析 d ，_ c o c 和赤，； 公式c 2 5 ) 中u o 为液流的平均速度： c o s 兰= q q 2 确q ( 2 - 5 ) 这样公式( 2 5 ) 中所有参量都是已知的，液滴的平均直径就可以求出来。 2 3 本章小结 本章通过压力式雾化器流量，雾化角，液滴平均直径的理论公式推导，找出它 们之间的关系，为下章进行物料粒子运动轨迹分析做好理论基础。分析表明：在已 知雾化器结构尺寸，进口压力，液料性能参数的情况下可以较为方便的求出其流量， 雾化角，液滴平均直径这三个重要参数，他们之间的关系见公式( 2 1 ) 至( 2 5 ) 。 通过对流量，雾化角，液滴平均直径这三个重要参数的分析，找到它们之间的关系， 并用数学公式表达出来，使其在实际生产计算中简单化，方便设备的选型和实际生 产操作。 中南大学硕士学位论文第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 第三章喷雾干燥塔内流场的计算流体动力学分析 3 1 计算流体动力学概述 3 1 1 计算流体动力学概念 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 ，简称c f d ) 是通过计算 机数值计算和图象显示，对包括有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所 做的分析。 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的 场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组， 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 3 0 - 3 2 1 。 c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟，我们可以得到及其复杂问 题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布， 以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性，空化特性及脱流区等。 还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率 等。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化设计等。 c f i ) 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清 晰可见，是知道实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往 要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解对于非线性情况，只 有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它 是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型 尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得 到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许 多困难。而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现了一个 特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计 算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波的运动、强 度，涡的生成和传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的 变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。 中南大学硕士学位论文第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 3 1 2 计算流体力学的工作步骤和特点 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤【3 3 l ： 1 、建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型；2 、寻求高效率、高准 确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有 限元法、有限体积法等；3 、编制程序和进行计算：4 、显示计算结果。 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非 线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而 用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各 种数值试验，从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制， 省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、 高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法， 依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数 学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的 数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流 动现象并定性的描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数， 并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理、 与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因 有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。当然， 涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。 c f d 有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联 系、相互促进，但不能完全代替，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需 要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。 3 1 3 计算流体力学的应用领域 近十多年来，c f d 有了很大的发展，代替了经典流体力学中的一些近似计 算法和图解法；过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借 助c f d 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输送等现象的 问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一 个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工 程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程 问题包括： 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 中南大学硕士学位论文第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 汽车流线外型对性能的影响 洪水坡及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实 验，而现在大多采用c f o 的方式加以分析和解决，c f d 技术现已发展到完全可 以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度 3 2 喷雾干燥的c f d 模型的建立 本节应用气粒两相流理论和计算流体动力学知识，结合喷雾干燥的特点， 建立了模拟喷雾干燥室内气体颗粒两相强旋湍流流动的三维c h ) 模型。为了反 映强旋流场内雷诺应力各向异性的特点，对于有回流、大曲率流线弯曲的复杂强 旋流场，可采用高阶的湍流模型方程雷诺应力模型( d s m ) 对旋流流场进行数 值模拟。 3 2 1 流场基本方程的建立 喷雾干燥塔内瞬时流场的基本方程【，町为： 连续性方程( 质量守恒) 堕：0( 3 - 1 ) 锄 n a v i e r s t o k e s 方程( 动量守恒) 鲁+ 吩堕一吉砉+ 考 v 考+ 善 + 蜀 c3 -zax, ， o + 扯，j = 一一二+ 一l v o + _ 二i + j 办 。 户钆缸，l 缸，魄i “ 按r e y n o l d s 提出的统计方法，将湍流物理量的瞬时值分为时均值和脉动量 两部分，即有吩= u + 蚝，p = p + p 等。将其代入上述二式并进行时问平均， 可得出湍流的时均流方程： 中南大学硕士学位论文 第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 耐均连续性方程 型：o 缸 时均动量方程( r e y r ：o l d s 方程) 警+ 筹= 一去詈+ 毒卜筹一弼 + 蜀 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 由式( 3 2 ) 减去式( 3 4 ) 可得出脉动值的动量方程，然后将嵋乘以可分 量的! 童墨婴量方程加上q 乘以q 分量的脉动动量方程，再求平均，于是得雷诺 应力彰0 的动力学微分方程： 讯o u , 1 驯- ；- - 7 , l i + q 警 = 斟蕊 一告( 彤彰+ 磊) + 一、( u u - - - 7 0 u _ 曼+ 再势露tt + 稠s ， ( 3 5 ) 式中，等号左边第一项为变化率项，记为乃；第二项为对流输运项， 记为c f ；等号右边第一项为湍流扩散与分子扩散项记为d f ：第二项为应力产 生项，记为昂；第三项为粘性耗散项，记为勖；第四项为应力应变项，记为m # 若在式( 3 5 ) 中收缩指标i 和j 并除以2 ，便得湍动能七；三孑了所满足的 微分方程： 竺u t o k o t = 讣弼+ v 嚣 一卅u i u ii u l l 一占 s ， ( 3 6 ) 式中，七= ：咖；，占= v 瓦o u 百o u ：川删, 动_ 能耗散率 若将i 方向脉动值动量方程对而微分，然后等号两边乘以2 v 掣，再进行时 中南大学硕士学位论文 第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 问平均，则得湍动能耗散率所满足的微分方程： 等+ 嗜2 毒 司一垒p 等等+ v 筹 _ a氟觑i 劫玉，觑i 2 v 考( 鬻+刮考器一 z 器t t t 一2 陌 ( 3 - 7 ) ( 3 - 7 ) 式中，等号右边第一项为湍流扩散与分子扩散项，第二项和第三项 为产生项( 源项) ，第四项为小涡拉伸产生项，第五项为粘性破坏项。 式( 3 - 3 ) 至式( 3 - 7 ) 构成了旋流分离器内湍流运动的基本微分方程组。 3 2 2 湍流雷诺应力模型封闭方程组的建立 由于上述湍流基本方程组尚不封闭，因此必须对有关方程进行模型化，即引 入新的方程从而使方程组封闭。雷诺应力模型跳过理论根据不够充分b o u s s i n e s q 假设而直接模化湍流雷诺应力输运微分方程，并与连续方程和动量方程联立求 解。输运方程中对流项和雷诺应力产生项均不需要模化而可直接使用，需要模化 的仅是雷诺应力湍流扩散项、粘性耗散项和压力应变项 经过模型化后【3 习，湍动能方程和湍动能耗散率方程变成如下形式： 丝+ u 竺 a觑 = 毒( c i 喜孺嚣+ v 善) 一- 叶- 一q 百a u , 一占 cs s ， 丝+ u 鱼 钟。鼠 = 善一妻瓦考+ v 筹) - ( 孺鲁+ c ：刁量 cs 圳 于是，由式( 3 - 3 ) 、式( 3 - 4 ) 、式( 3 5 ) 与式( 3 - 8 ) 、式( 3 9 ) 联立，就 组成了湍流雷诺应力模型( r s m ) 的封闭方程组 考虑到喷雾干燥塔内采用柱坐标系更为合适，在将平均流方程整理成 b o u s s i n e s q 公式形式，并将各向异性代数应力模型的k 和c 方程中的扩散项取各 向同性近似时，喷雾干燥塔内平均流动及k 和e 方程在柱坐标中可用如下通式予 以描述： 中南大学硕士学位论文第三章喷雾干燥塔数学模型的建立 妄( 脚) + ；未( 例) = 尝( r 。鲁) + 两, af t r ，a 秽小品 净 i a qc e 。c 2吒吒 l 0 2o 1o 1 1 4 41 9 20 5 1 3 3 表3 - i 模型常数取值 3 2 3 雾料颗粒在空气中运动特性分析 空气一雾滴的运动非常复杂，涉及空气分布器的装置和设计，雾化器的配 置与操作，雾滴干燥时的特性，干燥室的大小以及空气一颗粒的排出方法等。 怎样才能使塔体尺寸和运行参数最好地结合起来以形成具有最佳干燥