圆锥型气流流化干燥机毕业论文

圆锥型气流流化干燥机毕业论文 目 录 摘要 ...................................................................... 1 Abstract ................................................................... 2 ............................................................. 3 第1章 绪论 1.1 研究背景与意义 ....................................................... 3 1.2 课题研究进展 ......................................................... 3 1.2.1工业干燥技术 ..................................................... 3 1.2.2 气流流化干燥 .................................................... 9 1.2.3 CFD理论及其应用软件 ............................................ 12 8 1.3 课题的研究重点 ...................................................... 1第2章 流场模拟与流化床的结构优化 .................................. 19 2.1 气流流化床干燥机结构 ................................................ 19 9 2.2 内部流场的CFD模拟 .................................................. 1 2.2.1 CFD理论模型 .................................................... 19 2.2.2 模拟计算流程 ................................................... 21 2.2.3 初始计算参数 ................................................... 22 2.2.4 网格模型及计算边界 ............................................. 23 2.3 结果与讨论 .......................................................... 23 2.3.1 模拟计算结果 ................................................... 23 2.3.2 尺寸优化后的流化流场 ........................................... 26 第3章 结论 ............................................................ 28 参考文献 ................................................................ 29 致谢 ..................................................................... 33 摘 要 圆锥型气流流化干燥机作为一种历史相当悠久的工业生产设备，在化工、食品、医药等工业生产中有着十分广泛的实际应用。 圆锥型气流流化干燥机，运用计算流体力学理论及相应的经典商用软件，借助针对 均匀 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的试验计划安排法，开展了干燥机流化室的结构尺寸优化与设计，以确保在设备流场充分流化的前提下，进一步减小操作的风动力操作损耗。结果表明，对于釜体中部圆筒直径为300 mm的圆锥型气流流化床，当釜的中部圆筒高度设计为75 mm、釜的上下接口直径设计为60 mm、且上、下两锥形体的锥角分别设计为50?和55?时，设备正常操作时的风阻压降将可降至最低。 关键词:流化床，干燥机，流场模拟，结构设计 1 Abstract Layered conical fluidized air dryer as a historical quite a long industrial production equipment, and chemical industry, food, medicine and other industrial production has a wide range of application. For layered conical fluidized air dryer, using computational fluid mechanics theory and the corresponding classic by uniform design, commercial software test plan method, and carried out the dryer fluidization room structure size optimization and design, to ensure that equipment flow field under the premise of fully fluidized, further reduce operating wind power operation loss. The results show that, for axe body for 300 mm in diameter central cylinder of layered conical airflow fluidized bed, when autoclave central cylinder height for 75 mm, kettle design the fluctuation interface design for 60 mm in diameter, and two cone-shaped body cone angle of 50? respectively design, equipment and 55? normal pressure drops the air resistance can be reduced to the minimum. Keywords: Fluidized bed; Drier; Flow field simulation; Structure design 2 第1章 绪论 第1.1节 研究背景与意义 干燥是现代工业中运用极为广泛的一种操作技术，其技术水平及相应设备的先进与否，直接影响着生产企业的经济效益和产品竞争力。近代干燥器开始使用的是间歇操作的固定床式干燥器。19世纪中叶，洞道式干燥器的使用，标志着干燥器由间歇操作向连续操作方向的发展。20世纪初期，乳品生产开始应用喷雾干燥器，为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始，随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥器相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥器则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波干燥器。经过近几十年的快速发展与追赶，我国的干燥设备虽然已经结束了完全依赖进口的被动局面，自行制造的干燥设备目前可基本满足国内市场的一般生产要求，甚至还有个别机种出口到国外。但总体而言，与国外的同类设备相比，国内的干燥设备制造水平仍处于积累发展阶段，尚不能较好满足当前如制药与催化剂制造等新兴行业中的高精技术要求，亟待进一步地改进与研发。 可见，运用新兴的CFD理论及其商业应用软件，开展干燥器的流场模拟及其结构设计是一项极具意义且高效的研究工作。 第1.2节 课题研究进展 1.2.1 工业干燥技术 1.2.1.1 技术简介 干燥就是利用热能使湿物料中的湿分(水分或其他溶剂)汽化,水汽或蒸汽经气流带走或由真空泵将其抽出除去,而获得固体产品的操作过程。工业上，干燥操作不仅影响着产品的生产效率与操作能耗，且通常作为产品加工的最后一道工序，对产品的最终质量起着重要的保证作用。因此，干燥操作的技术水平将直接影响到生产企业的经济效率与市场竞争力，譬如我国有许多的工业出口产品，单就纯度而言，已经达到或超过了国外的同类产品，但只因干燥技术的落后，致使产品的粒度、色泽和堆积密度等物性指标偏低，从而在国际市场竞争中常处于劣势，如白炭黑、轻质碳酸钙等。为此近年来，国内的有关单位或部门正着力加大对干燥技术的研究力度，先后成立了各级干燥技术研究中心，组织召开了多届干燥技术交流会，并取得了阶段性的研究成果，目前已涌现出了一批专业的新型干燥设备生产与制造厂商，进而有力推动了国内干燥技术由传统的粮 3 食、肥料、饲料、燃料、陶瓷、织物和矿物等生产领域向新兴的生物化工、高分子材料、催化剂制造、印染、食品与制药等高科技领域中的应用拓展，初步显示出良好的发展势头和广阔的应用前景。 干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响，还在于它往往是生产过程的最后工序，操作的好坏直接影响产品质量，从而影响市场竞争能力和经济效益。我国有许多产品，就纯度而言已经达到甚至超过国外产品;然而就是由于干燥技术不如国外技术，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去。在国际市场竞争中处于劣势，有的甚至售价仅为国外同种产品的1/3。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。根据粗略估计，我国生产的干燥设备种类仅为国外30-40,。因此进行干燥技术研究的任务迫切。 第一届全国干燥会议干1975年6月23日在南京召开，至今已经30余年了。30多年来，我国干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大专院校、科研院所、研究单位大约有50多家，领域涉及化工、医药、染料、轻工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产业、渔业等行业，全国共有设备制造厂600多家，已形成了一支强有力的干燥科研开发队伍，广泛开展干燥技术的基础研究、工艺研究及工业化研究，使我国干燥技术研究正向世界水平迈进，某些技术领域达到了国际先进水平。30年来，中国对许多干燥技术实现了工业化。其中喷雾干燥机，旋转快速干燥机，振动流化床干燥机，蒸汽管(管壁导热的)回转干燥机，双锥回转真空干燥机，粮食干燥机等，均接近或达到国际先进水平，这对我们中国来说，是一个伟大的转折。中国有许多干燥设备制造厂，他们制造的常用干燥设备，基本上满足了国内市场的需要，并有个别机种出口到国外。 1.2.1.2 操作过程原理 物料的干燥过程一般可大致分为三个阶段，物料预热阶段，恒速干燥阶段，降速预热阶段。物料预热阶段，顾名思义，就是将湿料进行预热，在此同时也用一些湿的水分汽化;恒速干燥阶段主要是将物料表面所有湿的水分汽化，而物料表面的温度保持不变，使含水量降到一个程度;降速预热阶段主要是深入到物料内部，热空气主要是加热物料，只有一小部分是汽化湿分，这时干燥率下降，直到含水率达到要求的范围。 通常所了解的干燥就是将一个使物料脱水到一定程度，即将湿料变成干料的过程，看似非常简单。然而事实上考虑到不同物料的要求以及各种因素，这其实是个比较复杂的过程。从最基本的讲，既然脱水，那么就要考虑采用哪种方式脱水，机械脱水即是其中一种。机械脱水又可以分为电渗析脱水、间断式电渗析脱水、组合场能脱水以及辅以振动的微滤。这几种方式虽然有的已经付诸于工程运作，但还有发挥的余地。在脱水的过程中温度一定会升高，因为在干燥的过程中一般是不停通空气的，它有个空气加热的过程，而水分不断减少的话，物料便会越来越容易受热，温度就会随之升高。在物料干燥的过程中，随着水分的散失，物料的温度逐渐升高，在一定的温度范围内，这并不会有什么影响，但是当温度升高一定程度时，就会对物料的干燥效果有影响，所以必须在 4 干燥的过程中必须控制温度的高低，使它在一定范围内浮动。并且要保证物料的均匀，使物料的失水量也均匀，这样就不会使得局部物料的温度过高，而导致生产率下降。因此，从一方面来讲，干燥有等温干燥和变温干燥两种，在干燥过程中，并非仅仅等温干燥就能解决问题的，等温干燥会导致物料过热，损伤产品质量，故采用变温干燥是必要的。变温干燥有极限变温法和周期变温法等几种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，极限变温法就是当物料的温度趋近于耐热的极限温度时，立刻降低加热介质的温度，使其在极限温下干燥，达到最终要求的含水量而又保证产品的质量;而周期变温法就是周期性地通入热空气和冷空气，在一定的范围内，通过冷热空气气压的相对挤压，使物料的温度不超过允许值，同时又保证物料的脱水率，排除了湿料中的水分。同样的，热空气干燥时，脉冲气流比连续的高速气流更有利于形成较大的物料与气流间的相对速度。从而有利于干燥，并节省能量。仔细选择气温和脉冲气流频率也可防止物料的过热。在干燥过程中温度的控制有很多的方法，可以灵活地加以运用，并不需要局限一种，但是要保证一个前提，要保证物料的温度不超过它耐热的极限值。当然保证干燥温度的同时，也要保证干燥速率。也可以这样说，保证干燥速率首先要保证干燥温度和湿度这些外部条件的要求。然而保证干燥速率并不是衡量干燥过程优劣的唯一因素，降低干燥的能量消耗，保证产品的纯度也是不可忽视的。评价一个干燥过程的优劣要从好几方面来衡量，除了干燥设备还有干燥的策略，以及整个系统的整体优化，产品的出产质量等，其中每个细节都是不可忽视的。 1.2.1.3 技术分类及典型设备 干燥技术及其设备发展到现在，已经经过了较长的阶段。当前，干燥设备有好多种，按操作压力可以分为常压式和真空式两类;按操作方式可分为间歇操作和连续操作两类;按传热原理可分为传导加热式、对流加热式、喷雾加热式、辐射传热式和高频加热式等几类;按加热方式可分为直接加热式和间接加热式两类;按构造可以分为喷雾干燥器、流化床干燥器、气流干燥器、桨式干燥器、箱式干燥器及旋转闪蒸干燥器等。我们现在暂且将它笼统地分为传统干燥器和新型干燥器两方面。传统干燥器的特点是稳定的热能输入，恒定的气流，热单一输入模式单一的干燥器，空气燃气作为干燥介质，常压操作;而新型干燥器的特点是能量间歇输入，变化的气流，热组合输入模式，多级干燥器(每级可以用不同类型的干燥器)，过热蒸汽作为介质，低压和高压操作。从这两个对比可以看出，新型干燥机已经可以适合各种形态的物料生产，操作起来更灵活。当前，又发展了一些新类型的干燥器，如喷动床干燥器，冲击流干燥器，转筒干燥器，过热蒸汽干燥器等等。喷动床干燥器，具有内部循环运动和在顶层自由运动的喷动，适宜大颗粒物料的干燥，同时也可以干燥浆糊状的物料，对一些内部传热的颗粒，可以采用间歇喷动或对喷动的空气进行间歇加热，这样可以节约能量，提高产品的质量。冲击流干燥器可以用于纸张、胶片、纺织品等的表面干燥，因此，对于这种物料，选择正确的喷嘴尺寸是非常重要的，要使得喷出的热空气起到传热效应。转筒干燥器这是在日本发展起来的一种干燥器，它是将干燥空气通过许多干燥管喷射到需要干燥物料表层的，它具有 5 体积小，成本低，传热效率高的特点。过热蒸汽干燥器，它早有发明，但具体使用，也是近二十几年才兴起的，它具有操作安全、效率高、快速干燥、产品质量好的特点。 从既定的分类来看，干燥形式主要可概括分为:喷雾干燥、闪蒸干燥、气流干燥、流化床干燥、间接加热干燥、真空干燥和真空冷冻干燥等。其中低粘度液体，可采用喷雾干燥;粘性体滤饼、粒状或粉状物料可采用闪蒸干燥;非粘性体滤饼、粒状或粉状物可用气流干燥。当然有时候，不同物料所适宜采用的干燥方式并不是规定的，这一般可根据经验而定，同时还要视情况适当变动。以下简要介绍几种常见的干燥形式及设备。 (1)喷雾干燥机 喷雾干燥是干燥设备中进展最快的设备之一，常用的雾化方法为3种:旋转式、压力式及气流式。旋转雾化器的喷雾干燥的特点是单机生产能力大(喷雾量可达200 t/h)，进料量容易调节，操作弹性大，塔直径大但高度小。目前，我国已掌握其设计方法，能够提供10 t/h喷雾量的产品，且喷雾量45 t/h的也已试制出来了，其工业应用比较广泛。压力式雾化器的喷雾干燥特点可简要概括如下:a)可以制造粗粒子。大生产能力时，可采用多个喷嘴，其雾化性能不变;b)喷嘴结构简单，维修方便;c)由于喷嘴孔径很小，易堵塞，故料液必须严格过滤。喷嘴孔易磨损，须用耐磨材料制造。此型喷嘴也是工业应用比较广泛的型式之一，目前我国已掌握其设计与制造技术，可以设计任意尺寸的装置。此外，压力式喷嘴还有一种新型结构，称为压力-气流式喷嘴，其结构是中央为压力喷嘴，周围的环隙为气流式喷嘴。该喷嘴的雾化过程可分为两个阶段，即压力喷嘴首先形成液膜，然而此液膜再被第二次雾化，使雾滴更细。此型喷嘴的优点是:a)调节压缩空气压力，便可调节液滴直径，操作简单;b)大产量，高粘度的料液，也能够雾化为细雾滴;c)如果停用压缩空气，原来的压力式喷嘴也能够单独使用。.压力式喷嘴的喷雾干燥塔尺寸与旋转式喷嘴的干燥塔相反，即直径小而高度大。 气流式雾化器的喷雾干燥在工业上也较为常见。生产中某些料液，当采用前两种雾化器都不能雾化时，采用气流式喷嘴有可能将其雾化。这里介绍一种新结构的气流式喷嘴——刀刃喷嘴，该喷嘴的中间是一个长条形的刀刃，在刀刃的左侧，有一个液体通道和一个压缩空气通道，在右侧，也有一个液体通道和一个压缩空气通道，液体在喷嘴出口处被雾化。由于有4个通道，也称4流体喷嘴。此雾化器的特征是雾滴很细，分布又很窄(5-10 um)，是目前可提供蒸发量200 kg/h以下的喷雾干燥装置。由于气流式喷嘴雾化用的动力消耗较大，约为前二者的5-8倍，故多用于实验室及中间工厂。 (2)带式干燥机 带式干燥机是成批生产用的连续式干燥设备，用于透气性较好的片状、条状、颗粒状物料的干燥，对于脱水蔬菜、中药饮片等类含水率高、而物料呈热敏性的尤为合适。干燥机具有干燥速度快、蒸发强度高、产品质量好的优点。对脱水滤饼类的膏状物料，需经造粒或制成棒状后亦可干燥。此外，针对化工生产中有些物料含有机溶剂，干燥后需回收的特点，又开发出以传导传热为主的带式干燥机，可以连续生产并回收湿份。带式干燥机主要有穿流气流带式干燥机和多层带式干燥机，相应的生产厂家较多，有6-7个型号，广泛用于化工、食品、医药等行业。设备的大型化开发是 6 该类干燥机今后的主要任务，国外已见240 m的大型带式干燥机，我国在这方面也已有一定的进展，目前已能制造出干燥面积大于100 m的大型带式干燥机。 (3)厢式干燥机 厢式干燥器特别适用于多品种、小批量生产的场合。往往其他干燥器不能处理的物料，厢式干燥器都能处理。虽然厢式干燥是比较原始的设备，但对物料状态广泛的适应性决定它仍有很强的生命力，在可以预见的时期内，仍不会退出应用。目前厢式干燥器也有一定改进，厢内各点的温度控制在?2 0C之内，而且厢式干燥器在行业内部已形成了系列化。厢式干燥器的种类较多，特点各不相同。穿流式厢式干燥器不同于平行流式，其差别在于料盘底部为金属网。热风通过金属网穿过物料层，可大大提高传热传质效率，但物料必需有一定的形状以防漏料。真空厢式干燥器传热方式大多用间接加热、辐射加热、红外加热或感应加热等。厢体密闭在减压状态下工作，以热源和物料表面之间温差计算的面积传热系数。真空厢式干燥的运转时强制热气流均匀地穿过堆积的料层。一般物料以片状、颗粒状，短纤维状为主。如细粉状物料则应先挤制成形后方可使用。减压后使湿分沸点降低，适用于热敏性物料的干燥。厢式干燥器的生产厂家也较多，国内即有热风循环、药用GMP烘箱和隧道式热风烘厢，三类烘厢型号有20多种。 (4)回转干燥机 带水蒸气加热管的回转圆筒干燥器这类干燥器是在普通回转圆筒干燥器的基础上发展起来的。在回转壳体的内部，以同心圆方式排列2—4圈的加热管，管内通入水蒸气或其他热载体，以热传导的方式加热被干燥物料。在石油化工中，干燥聚乙烯及对苯二甲酸时已成功使用。当除掉的湿份为有机蒸汽时，采用氮气闭路循环系统。热量主要是由加热管供给，故属于节能型的设备。过去，石油化工厂全部是进口。目前，我国已能制造此型设备，运转性能良好。穿流回转干燥器穿流回转干燥器也称旋转通风式干燥器，按其结构特点和工作原理，称之为卧式回转流化床，亦可称为回转干燥机。它是回转干燥机和流化床干燥机相结合的产物。水平安装的长圆筒体壁上开有许多的孔，筒体内壁沿圆周等距离装有许多抄板，抄板端部从入口侧向出口侧倾斜。抄板上也开有许多小孔。筒体上装有滚轮，分别由支承托轮支承。电动机通过减速后由小齿轮驱动大齿轮带动简体回转，回转筒体与物料进口端及出口端均设置密封结构。在回转筒体外设有外壳，在外壳内沿着轴向设有隔板，它将干燥器隔成几个独立的加热室。每个室有热空气进、出口，并在筒体与外壳间设有动密封，防止热空气未进筒体料层而短路。在外壳下安装有细粉接收斗及螺旋输送器。由于热空气仅从滞留有物料层的部分抄板的下部吹入，故从入口直至出口的热空气全部由物料的侧下端处吹入筒体，装有动密封结构，热空气不会短路。因干燥器内物料借转动向前移动，接近活塞流，故停留时间分布很窄。当干燥时间需要延长时，在干燥器内的停留时间可由出口调节挡板调节，这时由连续出料变为间歇出料。尾风夹带的细粉颗粒由旋风分离器捕集后，由引风机排空。回转筒体外壳沿长度方向被分成几个独立的箱形壳体，每个壳体内设置鼓风机、空气加热器、进气口及排气口。物体在第1室进行表面脱水以及部分内部水分的脱除，干燥后 7 尾气的相对湿度较高，降温也较多，因此将尾气排弃。而第2室主要是脱除部分内部水分，进行第2阶段的干燥，水的蒸发量小。因此，尾风的温度较高，相对湿度也很低，将这部分尾气循环使用，以作为第1室的进气。这样，尾气排弃的热损失比一般对流式干燥器要少得多，热效率可达75,左右。 (5)桨叶式干燥机 桨叶式干燥机早在20世纪70年代国内就有单位进行了开发，限于当时技术条件和所设计的热轴结构过分复杂，因此中途停止。随着我国的改革开放，国外设备不断引进，国内这方面资料的不断增多，于是国内又有单位对其进行了开发，目前已形成系列化机型。桨叶式干燥机是一种以热传导为主的卧式搅拌型干燥机。因搅拌叶片形似船桨，故人称桨叶式干燥机，国外也称槽形干燥机或搅拌干燥机。桨叶式干燥机国外已经开发多年，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、10多个规格的系列产品。桨叶式干燥机是一种双轴(或四轴)卧式搅拌干燥设备。最早由由前联邦德国开发成功，之后日本引进了该项技术，并进行了改进，开发了双轴和四轴两种结构、十多种规格的系列产品。该设备干燥所需热量依靠热传导间接加热，因此干燥过程不需或只需少量气体以带走湿分。这就极大地减少了被气体带走的这部分热量损失，提高了热量利用率，是一种节能型干燥设备。它适合颗粒状及粉末物料的干燥，对膏状物料也能进行干燥。我国近年有许多厂掌握了制造技术并已形成系列机型。 (6)盘式干燥机 20世纪80年代初期，由上海市化工装备所开始开发此项技术，近几年国内多家干燥企业开始开发此类产品，到目前已基本成熟，用于化工、医药、食品等干燥。规格有近20种。 (7)管束干燥机 该类干燥机的热效率高，总传热效率可达80,-90,，特别适用于干燥温度在150 ?以下的物料。国外较有代表性的如日本大川原化机株式会社，国内生产厂家比较多，主要用于槽渣和矿物的干燥，型号约5,6种。 (8)直接换热回转圆筒干燥机 直接换热回转圆筒干燥机是最古老的干燥设备之一，可分为普通回转圆筒干燥机、自清理回转圆筒干燥机、打散回转圆筒干燥机、穿流回转圆筒干燥机等，经过对转圆内抄板形式进行改进，使其具有了更广阔的应用空间，广泛用于化工、建材、饲料和冶金等领域，型号接近20种。 (9)蒸汽干燥机 蒸汽干燥机属间接传热式干燥机，与普通回转干燥机的差别在于在筒内安装有贯穿于整个干燥机的蒸汽加热管，适用于大批量、连续干燥的物料，广泛应用于化工、石化、冶金、饲料、环保等行业。该干燥机用于PTA干燥，即是我国重大干燥装备国产化的一个项目。 工业上常见的干燥机还有冷冻干燥机、真空干燥机、微波干燥机及组合干燥机等，各有优缺点。其中，组合干燥更容易节约能源和保证产品质量，操作更灵活，因此被广泛应用。常用的组合干燥有气流-流化床干燥系统、转筒-振动流化床干燥系统、双级气流干燥系统、桨叶-闪蒸干燥系统、喷雾-带式干燥系统等十几种组合干燥方式。除了以 8 上类型的干燥机外，人们标新立异，又发明了很多新奇的干燥方式，比如说表面燃烧干燥，声干燥等。 总之，各种干燥形式所对应的干燥设备所需的物料形式并不相同，如果混合使用可能会让出产率降低，严重的可能损坏设备。而且多种干燥设备的混合使用，会造成资源、资金的浪费。为此，我们可以努力提高设备的通用性，使得一种规格的干燥机可以适用于不同类型的原材料和不同的干燥方式，同时降低生产设备所需的基本成本，提高设备的利用率。提高设备的通用性也是我国在科研及生产中所需解决的一个问题。机电一体化、制造加工 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、提高调控水平等成了干燥设备研究发展的方向。与物料类型不同，干燥形式不一样，干燥过程中所发生的变化也不一样，这在生产加工中应引起注意，宜选择合适的干燥形式及干燥设备。当然，干燥技术的发展不仅与干燥形式和干燥设备的结构有关，同样与干燥的理论水平，材料选用以及加工制造的方法都有很大的关系。 1.2.2 气流流化干燥 气流流化干燥是指利用高速热气流，使泥状、粉粒状或块状物料悬浮于气流中，一边在流化床中随气流翻滚，一边进行干燥的操作技术。作为工程优势最为显著的高效干燥技术之一，气流流化床干燥在工业生产中的应用正日趋广泛，已渐成为诸多产品生产的主要干燥方法，对应的干燥生产设备称为气流流化干燥机。简言之，气流流化干燥机是将湿态时为泥状，粉粒状或块状的物料首先于热气流中分散，然后在流化床中随气流翻滚，同时进行干燥的操作设备。气流流化床干燥过程属于对流传热操作类型，因物料处于悬浮状态，故气固两相可充分接触，从而可强化热质传递过程，即操作的热效率高、效果好、干燥强度大，较适于一些难处理物料的批量处理，如膏状物料等。目前，圆筒型气流流化床干燥机已广泛应用于化工、食品、医药等工业生产中。 1.2.2.1 过程工艺与影响因素 气流干燥机主要是通过热空气与物料表面的直接接触，从而在短时间内达到干燥效果的一种装置。它具有干燥强度大，干燥时间短，热效率高，处理量大，应用广泛，设备简单以及操作容易的优点，尤其在气流干燥过程中，物料升温不高，一般不存在过热等问题;并且营养物质损失量低，因而非常适合一些热敏性产品的干燥加工。然而该类型干燥机即便有这么多优点，气流干燥机还是有它的局限性所在的，比如说它对洁净的要求比较高，除尘能力要强，因为其中的流体阻力大;又如它的干燥管的长度较长，所以它对干燥厂房的要求也比较高等。同时气流干燥中牵扯到一个湍流流动的问题，我们需要非常注意。我们知道，湍流是一种非常复杂的非稳态流动，在湍流过程中，流体的各种物理因素，如速度，温度，压力等都随时间和空间随机变化，因此给研究和生产带来了一点困扰。 影响气流干燥机性能的主要操作参数有热风强度，热风量，还有物料的喂入量等，提高热风的温度能够提高提高降水幅度和干燥强度;物料的喂入量增大，降水幅度下降;不同风量区对干燥机性能影响不同。不同干燥机类型对这些操作参数的要求也不一样。 9 气流干燥是一种极其快速的干燥方式，传统气流干燥机的干燥时间一般不超过10 s，除此以外还具有与物料输送和结合的优点。气流干燥在如此短的时间之内完成，主要取决于两个因素:a)物料粒径小，且高度分散，接触面积大;b)脱除的水分一般是表面水。反过来说，大颗粒物料，以及含有难脱除的微孔水或结合水的物料通常不宜采用气流干燥。气流干燥过程中气体与颗粒间的相对速度基本上等于有stocks定律决定的沉降速度。从传递的观点来看，并不是很有限的，物料停留时间也限制了它的应用。因此，气流干燥的改进就主要集中在两个方面: a)提高传递速度;b)增加停留时间。 总的来说，对于气流流化干燥机工艺，射流冲击喷嘴的结构、外形尺寸、喷嘴高度、喷嘴间距以及喷嘴排列形式、气流冲击的辐射距离等是气体射流冲击物料时影响传热传质的主要结构因素，而气流的冲击速度及气体的状态参数则是影响其传热传质的工艺因素。概括来讲，影响气流干燥器干燥效果的因素主要有以下几点: (1)热风温度 对整个热风干燥过程来说，热风温度不仅决定着整个干燥过程的干燥速度，而且对产品的最终干燥质量也有着很大的影响。冲击气流温度高时，单位热耗低，汽化强度高，但温度过高易发生“灼伤”物料的现象;温度过低，又会使干燥时间过长而耗费能源。 (2)气流流速 气流流化床干燥技术的特点之一是从喷嘴喷出的气流具有较高的速度(与常规热风干燥技术相比)。当高速气流近距离冲击物料时，就会在物料表面产生非常薄的气体边界层，因而具有较高的传热系数。喷嘴出口气流速度对汽化强度的影响总体不大，但汽化强度随喷嘴出口气流速度增加而呈微弱增加的趋势。 (3)干燥时间 干燥时间与热风温度密切相关。干燥初期，物料的含水量较高，如果将干燥时间控制在极短的时间内，那么热风温度即使很高也不会损伤物料;反之，如果干燥时间很长，那么即使热风温度较低，物料也可能受损伤，造成品质发生较大的变化。干燥时间的长短直接影响着干燥产品的最终品质以及整个干燥过程的能源消耗。 (4)喷嘴结构 喷嘴从开孔的几何形状上可分为圆形和条形两大类。气流入口和出口的几何形状有平滑过渡和非平滑过渡两种;喷嘴有入口与出口直径一致的长管式喷嘴和直接冲孔或钻孔的喷嘴两种。圆形喷嘴与条形喷嘴的应用领域和应用目的各不相同，但从传热系数来看，在开孔率相同时(1%,4%)，矩阵排列的圆形喷嘴的传热系数要比矩阵排列的条形喷嘴高50%,100%。 (5)喷嘴直径 颗粒物料受到加热气流的冲击作用后，在一定力的作用下会使物料产生类似流化状态的运动，而物料的运动就是干燥与加热的过程。物料的运动不仅使其保持了气体射流冲击技术高传热系数的特点，而且还消除了传热不均的弊病。以圆形喷嘴为例，喷嘴直径D 越大，物料在气流冲击作用下产生流态化状态所需的喷嘴出口风速就越低，但物料流化时的风量比也随喷嘴直径的增加而增加. (6)喷嘴间距 喷嘴间距是多个喷嘴排列时的一个重要计算指标。因为当气流从喷嘴喷出时，喷出气流将不断与周围介质发生质量和动量的交换，带动周围介质流动，使 10 喷射出的流体质量增加动量降低，并随着气流喷射距离的增加，流体的横断面不断增加。这种现象在喷射冲击中称为挟带。由气流喷射的特征知，挟带的主要影响因素是喷嘴出口的直径、两喷嘴间距和喷嘴高度。 (7)喷嘴高度 喷嘴高度是指气流喷射时的气流出口沿喷嘴方向到滚筒最底端的距离。喷嘴高度不仅直接影响风量比的变化，而且还对随流化程度变化的风量比有着一定的间接影响。此外，喷嘴高度还会对滚筒的填充率有一定的影响。 (8)喷嘴倾角 由于滚筒的转动，使得整体物料表面与水平面之间存在着一定的物料倾角β。滚筒转速不同，β值也不同。对喷嘴倾角θ 的定义为:3排喷管中中间一排喷管与铅垂方向所夹的角度。对不同的物料倾角取不同的喷嘴倾角时，干燥效果也会有所不同。 以上是影响气流干燥机的主要因素，干燥设备与技术先进与否将直接影响企业的经济效益及产品的竞争力。近年来国内的干燥技术与设备的发展速度是异常迅猛的，但在开发、设计和使用等方面还存在着一定的问题，它们危害是不容忽视的。在开发和设计中，我国目前众多的干燥设备的设计和研制大多是对国外先进技术与设备的消化吸收的基础上完成的，这之中就存在这消化吸收不彻底的情况。于是，在设备的生产、设计中就存在着不少的问题:许多设备的设计大都采用模拟设计或相似设计的方法，通常是绘制样机，然后对各部分进行比例放大或缩小，部分结构进行消弱或加强或略有改进，以适应自己的生产条件或能力。这样的设计具有一定的盲目性和风险性，其效果只有在样机生产出来以后进行实验才能知道，很难预知产品结构是否合理，总体参数、各零部件参数一级作业参数选择是否合理、是否达到最佳。在生产单位中，干燥设备一般都属于大型设备，这样以来，对资金是极大的浪费。在干燥设备的使用方面，存在着很大的盲目性和被动性。干燥设备所需配套不见特别多，这些部件的结构形式，作业参数等均对干燥质量造成一定的影响。安装用户若缺乏理论上的了解，就不能对操作系数进行调整，而对于使用单位而言，这又是最不利的因素，因为安装调试均以实际对象的真实条件为准，而不是实验室的实验结果。 1.2.2.2 气流流化干燥类型 气流干燥机有很多种，现在简要介绍几种:a)环形喷射气流干燥机。该装置由干燥段，输送段，循环段，分级室组成，湿粉状或滤饼状物料由螺旋输送器输入,泥浆或液态类由高精度泥浆泵输入，未干燥完全的物料可以再次通过循环段进入干燥室干燥。物料的含水量越高，干燥时间越短。比如蒸发98%的水只需要0.1s，剩余水的蒸发时间较长。该装置高温高压的气流喷嘴可以实现瞬时气流干燥，干燥效率高，可用于泥状物的干燥。而且产品温度几乎不升高，所以可干燥热敏性物料和低熔点物料。b)带式穿流干燥机。该装置由若干单组成，每一单元热风独立循环，部分尾气由专门的排湿口排出，热气的传输过程中可以带走物料表面的水分。该装置的速度可以根据物料的湿度自行调节，操作非常方便。c)脉冲气流干燥机。使用高速热气流使得物料悬浮在其中， 11 通过热交换达到使物料水分散失的目的，这种装置的优点是运转速度快，效率高，缺点是流动阻力大，动力耗能也大。 流化干燥可以节约能耗，并且可以干燥大量不同类型的物料。由于流化干燥是一种典型的流态化操作过程，属于流态化技术范畴。所谓流态化技术即是指利用流动流体的作用，促使大量固体颗粒悬浮于流体介质中，从而使得固体颗粒呈现出类似于流体的某些表观特性的过程操作。因此，围绕着设备内部物料的更好流化，目前该类干燥机设计有多种机型，总体有如下几种:a)带搅拌流化床干燥器。该装置由干燥器、排风机、旋风分离器、搅拌器、粗细颗粒分级用空气、空气加热器、过滤机、鼓风机组成，该装置可以防止因流化不良导致死床。b)内热式流化床干燥器。跟一般的干燥器相比，也就是在装置里面加入了换热器或旋转式换热器，它通过换热提供大部分的热量，而不是通过输入热风的方式。这样起到节能的作用，在崇尚环保的当今社会里比较适用。c)旋转高速干燥机。它相当于带搅拌的锥形流化床，它主要是由加热器、流化床、内热管、旋转分离器、加料器、风机组成，它其中壁层分布着空气冷却夹套，防止湿料过热，它的主要部位呈锥形，上部速度小，下部速度大，可以使湿料流量均匀，而且它可以控制粗细粒度均匀分布。它的搅拌装置可以使周围温度适中，不至于过冷或过热。该装置体积小，生产能力大，值得推广，有利于将来的生产。d)流化床喷雾造粒干燥。它是雾化，液化，干燥三者的结合，它是由加热器、排风机、袋滤器、泵等组成，这种设备体积小，生产能力大，造粒直径宽，在工业生产中逐渐大量使用。如今流化床喷雾造粒干燥又衍生出好几种类型的干燥机，如在螺旋出料器中设置流化分级装置，或在中心出料管中通入分级空气等。e)对撞流干燥。通过一些资料表明，该装置是一种新型装置，目前还处于研究状态。该装置干燥强度大，所以干燥所使用的时间很短。高度湍流、颗粒的悬浮流动、颗粒振荡与穿透在机内综合作用导致干燥强度很大。这种装置主要是由预干燥器，干燥器、加速管等组成，汽固液三种介质在里面混合，剧烈传热传质，使物料迅速干燥。 1.2.3 CFD理论及其应用软件 1.2.3.1 CFD技术方法 近年来，随着计算机性能与技术的飞速发展，人们开始采用高速计算机，结合先进的流体力学模拟技术在工业设计中的成功应用，很大程度上要得益于计算流体力学CFD方法的建立与发展，后者既是流体力学理论中一个重要的研究分支，同时也是我们研究和了解复杂流体现象的一种有效手段。具体地说，CFD是一门对工程中流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等进行数值预测和工程模拟的研究技术。在相关的CFD软件中，只要我们输入描述过程现象的数学模型，然后依据现有的计算数学理论进行求解，求解值即为对于实际实验的预测结果。因此，利用CFD软件，研究者可通过调整模型中的变量，在较短时间内搜索得到最优的实验预测结果，从而确定出模型变量的最佳取值。 12 CFD是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。CFD可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD的有点就更为突出。因此，将CFD与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说，CFD是一种有效和经济的研究手段。换言之，CFD是一种可以通过计算机生成数值计算和图像显示的技术。它是把一些在空间和时间上连续的物理量的场用一些离散点的变量集合来代替，通过一定的方式来建立关于这些离散点的代数方程式，然后求解方程式得出这些变量集合，从而得出场的近似值的过程。CFD数值模拟可以看作是在质量守恒方程，能量守恒方程等诸如这种平衡方程的控制下对流动的模拟，在气流干燥方面，就是对气流和物料流动的数值模拟。数值模拟已经成了工程中许多领域的一种较为先进的研究方法。简言之，CFD方法是近代流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物, 是利用高速计算机求解控制流体流动的偏微分方程组，定量求取流体流动状态的方法，也就是对流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律有:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由此可以分别导出连续性方程、动量方程(又称纳维尔-斯托克斯方程)和能量方程，进而可联立得到纳维尔-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组，简称N-S方程组。 N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律，可精确描述了自然界流体流动现象。但由于绝大多数工程上流体都属于高度非线性的，无法通过求解此微分方程得到解析解。随着计算科学工程(Computational Science and Engineering，简称CSE)的日益发展，人们试图通过数值方法直接求解各种控制方程，工业也要求用数值模拟手段解决各种设备及过程的设计与模拟，从而形成和发展了计算流体力学这一学科分支。 将CFD用于化工过程的建模、化学反应器和结晶器的设计与放大是现代高科技与传统科学相结合的典范。CFD 摒弃传统化工过程的建模方式，用详尽、真实和生动再现的方式来描述化工过程，因而被称之为“虚拟真实”(virtual reality)之法。此应用因其可靠、经济和快速，已引起学术界和工业界广泛重视并成为世界化工新兴前沿领域。 计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组。经过近几十年的发展，计算流体力学日益成熟，一个主要的标志就是各种CFD通用商务软件陆续出现，专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测。除了应用于航空、航天、船舶、水利方面外，应用的范围逐步扩大到化工、冶金、建筑、环境、食品等相关领域。通过CFD软件，可以分析、显示流场中的现象，在较短时间内预测其性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到 13 很好的指导作用，是十分有利的。 计算数学中，将具体的流场控制方程分为3类:椭圆型、抛物型和双曲型方程。椭圆型方程与时间变量无关，仅与空间变量的二次导数项有关，一般用作描述定常情况的控制方程。抛物型与双曲型方程不仅与空间变量导数项有关，而且与时间变量的一阶和二阶导数项有关，被用作描述非定常情况下的控制方程。求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法、有限元法及有限体积法3种。他们中的任意一种都可以用来求解偏微分方程，但求解的精度不一样。对这3种不同类型方程数学上已经发展出不同的稳定、收敛的算法。一般，对于椭圆型方程使用有限元法、对于抛物型和双曲型方程则使用有限体积法。 就研究历史来看，CFD是20世纪60年代伴随着计算机和数值算法的进步而迅速崛起的新兴技术。由于受到当时计算机硬件和计算费用的制约，早期CFD只在核工业和航空领域中应用，主要用于解决计算流体力学中一些基本的理论问题，如模型方程(湍流、流变、传热、辐射、气体-颗粒作用、化学反应、燃烧等)、数值方法(差分格式、代数方程求解等)、网格划分、程序编写与实现等，同时也初步涉及网格变换等问题。其中，Patankar等学者发表的用于描述外部绕流问题的抛物线偏微分方程P-S法，以及解决内流问题的SIMPLE算法等，都是当时具有代表性的研究成果。到了70年代中后期，随着数值预测、原理和方法的不断完善，学者们已开始探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性和工业推广等课题，研究也逐渐向气固、液固多相流、化学反应流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等诸多复杂流动问题中拓展。到了80年代初期，CFD已成功运用于汽车制造业和化学工业等领域，但此时工业界对于CFD技术的应用前景并未明朗，仍普遍处于观望阶段，缺乏必要和足够的研发热情。为此，CHAM公司和Patankar等学者在发达国家的工业界开展了大量艰苦的推介工作，学者Spalding也于1985年在第四届国际计算流体力学会议上，作了关于展望CFD在工程设计领域中应用前景的专题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。报告将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程粗略划分为十大类问题，并指出CFD都有望对此加以解决，报告取得了良好的推介效果。此后，随着工业生产的逐步深入，众多新设备和新工艺不断被研发和推出，大量繁琐和复杂的流动计算问题日益凸现。与此同时，由于计算图形学和微机技术的快速进步，CFD的前、后处理软件也相继得到了较好地解决与发展。因此，学者们此时才真正开始对CFD技术给予前所未有的高度关注，并投入大量热情和经费进行CFD的深度研发，此后CFD技术正式步入了一个持续有序的发展阶段。目前，CFD的计算效率、准确性和可靠性等指标都已有了大幅度的提高，其在工业上的应用也更为普遍，早己超越了如核能、航空、航天、船舶、铁路运输、动力、化工和水利等传统的流体工程范畴，正逐步向建筑、冶金、制冷、环境等新的生产领域中渗透。总之，流体力学模拟技术在工业设计中的成功应用，很大程度上要得益于计算流体力学CFD方法的建立与发展，后者既是流体力学理论中一个重要的研究分支，同时也是我们研究和了解复杂流体现象的一种有效手 14 段。实际上，CFD技术是一种求解流体流动控制方程组的数值方法。简言之，CFD方法是近代流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物, 是利用高速计算机求解控制流体流动的偏微分方程组, 定量求取流体流动状态的方法，也就是对流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。 1.2.3.2 CFD计算特点 CFD这种方式的优点是:能合理配置资源，有很大的灵活性、不受物理模型的限制，能模拟任何数值，甚至能模拟特殊状态下的真实条件，而实验有时并不能制造如此特殊的环境;它能提高一定的实验效率;并且经过一定处理后就可以使得结果可视化，我们可以很直观地通过数字和图像观察到是否适宜采用所实验的技术或器材，不需要像实际生产那样。通过实际生产或实验，有时可能会导致原材料及资源的浪费，造成不必要的损失，然后可能还看不到预测的结果。CFD弥补了这一缺陷。 而且采用CFD技术，克服了模型试验中的耗人力物力以及实验中模型尺寸、流场干扰等自身条件的限制，能够形象地再现流动情景，将结果显示在计算机上，并且能够节约很大的成本，做到了节能减排，是一种越来越流行的实验技术。 如果CFD的计算解中基本上含有了流动中的所有重要的物理性质，那么CFD技术(计算机程序本身)就象一个仪器，可以用来进行数字化实验，帮助理解流动的基本性质。这些数字化实验都是对于真实实验的直接模拟。然而如此先进的技术，还是具有一定的自身局限性。 如果该物理过程在所研究问题公式化的过程中，并没有被正确地涵盖进去，那么CFD技术是不能重现这种现象的。其中最重要的例子就是湍流现象。目前大多数湍流问题的CFD的解所包含的湍流模型或是真实物理现象的近似，或者是依赖于湍流模型中各种常数的经验数据。因此，虽然对于一些情况的某些计算是合理的，但是所有湍流流动的CFD解仍被准确性的问题所困扰。另一个例子就是化学反应流动的计算。由于化学反应动力学速率的机理以及反应常数经常是非常不准确的，所以所有这种情况下的CFD解都会被这种不确定性所影响。 因此从这几方面来看，CFD还存在着一定的瑕疵，但人无完人，更何况是这种技术，我们需要在更多的学习中努力钻研开发，使这种技术臻于完善。 1.2.3.3 经典商业化软件 近年来，随着计算机软硬件技术的不断提高，以及数值算法的日臻完善，出现了不少优秀的CFD商业化软件，这使得学者们可以从算法、编程等一些繁琐的研究工作或问题中解脱出来，以便更加专注地研究流体流动的本质、初边界条件以及计算结果的合理性等关键性问题。此外，运用CFD模拟还可有效地避免实际试验的高成本等问题，且方便合理地配置操作环境，进而使目的流场充分均匀，同时结果也具可视化的特性。 在使用CFD软件时，选择合适的边界条件对准确反映流动性质至关重要, 准确合理的边界条件是使CFD计算解正确的必要条件。目前 比 较 好的CFD软件有:Fluent、 15 CFX、Phoenics、Star-CD，除FLUENT是美国公司的软件外，其它二个都是英国公司的产品。 FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在众多的CFD商业化软件中，总部设在美国的FLUENT公司推出的FLUENT软件应属佼佼者。据文献报道，在全球众多的CFD研究与开发商中，FLUENT公司乃最大的厂商之一，其推出的FLUENT软件约占该类市场总额的40%，在美国的市场占有率更达60%。凡是和流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括:燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。FLUENT软件采用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。迄今为止，许多用户使用FLUENT对流动和传热进行了模拟计算。 CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体过程分析工具，其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角/柱面/旋转坐标系，稳态/非稳态流动，瞬态/滑移网格，不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOX生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。CFX采用有限元法，自动时间步长控制，SIMPLE算法，代数多网格、1000 Line, Stone和Block Stone解法。能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。CFX的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动。包括单体颗粒运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 PHOENICS是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，世界上第一个投放市场的CFD软件。网格系统包括:直角、圆柱、曲面(包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以)、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流体、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。 另一个CFD软件STAR-CD的创始人与Phoenics的创始人Spalding都是英国伦敦大学同一教研室的教授，他们的软件的核心算法大同小异。这一软件在世界汽车工业中应用非常广泛1161，用来分析汽油机、柴油机中的流动与传热问题。 1.2.3.4 FLUENT软件平台 如前所述，比较专业化的CFD分析软件主要有FLUENT，PHOENICS，STAR-CD，CFX，ANSYS等。这些软件各具优点，但总的说来FLUENT是最为专业化的，也是功能最为强大的CFD分析软件。在全球众多的CFD软件研究开发商中，FLUENT软件独占40%以上的市场份额，具有绝对的市场优势。Fluent是CFD软件的一种。它是第一个交互式的、用户界面友好的商用CFD软件，第一个引入雷诺应力湍流模型作为标准 16 的特征，第一个基于完全非结构化网格的商用CFD软件，第一个提供标准并行处理能力的软件，第一个提供处理任意边界变形的变形网格能力的软件。 FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，人们可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形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。它允许人们根据解的具体情况对网格进行修改(细化/粗化)。 对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于:网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。 FLUENT是利用C语言编写的，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，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server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。 在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。 完整的FLUENT程序包括:(1) FLUENT解算器。用于进行流动模拟计算;(2)Pre PDF。用于模拟PDF燃烧过程的程序;(3) GAMBIT。用于建立几何结构及网格生成的预处理程序;(4)TGrid。可从己有边界网格中生成体网格的附加前处理程序;(5)Filters (Translators)。用于转换其它程序生成的网格，导入FLUENT进行计算。在利用FLUENT软件进行流体流动模拟计算时，先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于FLUENT求解器计算的格式，然后应用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。 Fluent软件的主要特征表现在六大方面。如下: (1)强大的网格支持能力 支持界面不连续的网格、混合网格、变形网格以及滑动网格等。它拥有多种基于解的网格自适应技术以及网格动态自适应技术，对于捕捉非常复杂的物理现象是非常有利的。 (2)独一无二的动网格技术 主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。这种技术可广泛应用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题。 (3)先进的数值解法 包含三种算法:非耦合隐式算法、耦合显式算法和耦合隐式算法。从而使FLUENT软件适用于低速不可压流动、跨声速流动乃至压缩性强的超声速和高超声速流动。 17 (4)博采众长的物理模型功能 使用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、传热和传质、多孔介质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流、相变流等复杂的流动现象。 (5)高效率的并行计算功能 提供多种自动分区算法;内置的MPI并行机制可以大幅度提高分布式并行效率。另外，FLUENT还具有动态负载平衡功能，当并行计算的CPU 负载不平衡时可自动调整分区以确保全局高效率并行计算。 (6)强有力的图形后处理功能 可以以动画、图形、曲线以及具体数字报告的方式对计算结果进行方便地处理，而且还有专门针对旋转机械的后处理功能。FLUENT还可以将计算结果导出至ANSYS、NASTRAN、PATRAN、Fieldview、Tecplot等软件。 利用FLUENT软件可以对无法进行实验测量或虽能进行实验测量，但无法准确测量其全部数据的化工操作单元的流场进行数值模拟,从而进一步明确设备的流场分布及其影响因素,为设计提供参考。此外,利用FLUENT软件进行新品研发或工业放大则可以部分取代实验测量,缩短研发周期,提高经济效益。但必须注意的是,由于流体动力学的基本理论尚不完善,模拟计算时有些边界条件和初值不十分准确,因此,计算流体动力学并不能完全取代实验测量,模拟所得的最终计算结果必须经过实验数据的直接或间接验证方可利用。 Fluent软件的应用领域主要包括:航天航空、汽车设计、船舶、生物制药、化学处理、石油天然气、发电系统、电子半导体、涡轮机械、HVAC、玻璃加工、家用电器、食品、材料、冶金、核能、聚合化加工、体育、消费品、环境等。 可见，CFD模拟计算已成为现代工业设计中快捷高效的科学研究手段，可为诸如气流流化床的结构优化提供强大的计算功能。 第1.3节 课题的研究重点 围绕着圆锥型气流流化床干燥机的结构优化，利用CFD的相关商用软件，主要开展了以下几方面的研究工作，即 (1)构建气流干燥机的CFD计算网格模型; (2)确定流场模拟的优化指标及计算初边界条件; (3)结合均匀设计的实验安排法，开展设备结构与尺寸的优化考察。 18 第2章 流场模拟与流化床的结构优化 第2.1节 气流流化床干燥机结构 图2-1示意了一类圆锥型气流流化床干燥机，其流化室上、下均为锥型结构，中部为圆筒状。由于圆锥型气流流化床的主体呈 锥状，有助于床内物料的湍动和流化，故较 好地适于高黏性物料的干燥处理。如图2-1 所示，标注尺寸D和d分别是指流化室的中 口的直径，h为中部圆部圆筒直径和上、下接a 筒的高度，a和β分别代表流化室上、下锥形 h体的锥角大小。 在流化操作中，气相的流动势必会导致 β相应的阻力损失，常称为风动力损耗。从节 省能耗的角度考虑，通常希望流化任务一定 的工况下，操作的风动力损耗越小越好。当 风速或风量一定时，为使得风动力损耗降至 最低，则应对流化室的结构进行科学地设计，d即流化室的各结构之间应存在最佳的尺寸比D例。现令r=h/D，r=d/D，r=a，r=β，则r~r 123414 即为本模拟所需计算设计的四个参量。 图2-1 气流流化室结构示意 第2.2节 内部流场的CFD模拟 2.2.1 CFD理论模型 控制一切流体流动的基本规律是质量、动量和能量三大守恒定律，可分别表示为连续性方程、动量方程(又称为纳维尔-斯托克斯方程)和能量方程。由该三个方程可联立得到一个方程组，称为Navier-Stokes方程组，或简称N-S方程组。N-S方程组是流体流动过程必然遵循的普遍规律,其表达式可写为 ,,，,(V),0 (2-1) ,,t ,,(u),p (2-2a) ，,(,uV),,(,gradu),，Su,t,x 19 ,,(v),p，,(vV),,(gradv),，S,, (2-2b) v,t,y ,,(w),p，,(,wV),,(,gradw),，S (2-2c) w,t,z ,,(T)K，,(,VT),,(gradT)，S (2-3) T,tcp 若流体在流动过程中包含有不同组元之间的混合或相互作用，则流动系统还需遵守组分守恒定律，其对应的守恒方程可表达为 ,,(c)s (2-4) ，,(,Vc),,(Dgrad(,c))，Sssss,t 式2-1至式2-4中ρ为密度，t为时间，V为速度矢量，u、v和w分别为V在x、y和z方向上的分量，μ为动力黏度，p为流体压强，T为温度，K为流体传热系数，c为比p热容，S、S、S和S均为广义源项;和grad均为矢量符号，c为组分s的体积浓度,uvwTs -32-1(kmol?m)，D为组分的扩散系数(m?s)，S为广义源项。 ss 若流动处于湍流状态，则控制方程中还应引入相关湍流变量的脉动影响，所得方程又称为瞬时湍流方程。该方程自身并不封闭，通常会引入一个称为k-ε的二方程模型。就绝大多数的湍流流动而言，标准的k-ε模型可较好适用，但对于强旋流、弯曲壁面或弯曲流线的湍流流动，标准k-ε模型可能会出现失真，此时则宜选用RNG k-ε模型或Realizable k-ε模型。该三种k-ε模型的方程表达式分别为 标准k-ε模型: ,,,,,uu,u,uiiii, (2-5) k,,,()(),,x,x2kk ,,,(ku),,(k),,kit (2-6) ，,[(,，)]，G，G,,,,Y，SkbMk,t,x,x,x,ijkj 2,(u)C,,,,,(),,,,,,,it1(2-7) ，,[(，)]，(G，CG),C，S,,k,b,,32,t,x,x,xkk,ijj, RNG k-ε模型: ,,,(ku),(k),,ki，,(a,)，G，,, (2-8) keffk,t,x,x,xijj 2,uC,(),(),,,,,,,,,,i1aGC (2-9) ，,()，，,,,effk2,txxxkk,,,,ijj 20 Realizable k-ε模型: ,,,,(ku),(k),,kit，,[(,，)]，G,,, (2-10) k,t,x,x,x,ijkj 2,,,,,,,,u,,,()()it,,,, (2-11) ，,，，CE,C[()]12,,t,x,x,xk，v,ij,j 2-22-3式2-5至式2-11中k为湍流动能(m?s)，ε为湍流动能耗散率(m?s)。 2.2.2 模拟计算流程 对于2.2.1节中的流场控制方程，由于其内包含复杂的偏微分项，故难以求算其解 析根，只能依靠现代计算数值分析的方法加以离散求解。常用的离散求解方法主要有有 限差分法、有限元法和有限体积法，不同的CFD软件基于的离散思路是不同的。本研究 所采用的计算软件是基于有限体积法进行离散求解的。 有关CFD的求解流程是较为复杂的，大致如图2-2所示。在CFD的模拟计算过程 建立控制方程 确立初始条件及边界条件 划分计算网格，生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解收敛否 显示和输出计算结果 图2-2 CFD模拟计算流程 21 中，较为关键的是网格模型的划分及其初边界条件的设定。若划分的网格过密或过细，则计算的工作量将过大，计算时间较长;若网格节点数设定过少，则又难以较完整地描述设备内部的真实流场状态，导致计算结果的偏差较大。同样，若初边界条件选取不当，则可能计算不出欲寻找的目标参量，甚至计算程序将根本运行不通。就流化床中的流场模拟计算，其具体的算法说明及计算时的注意事项可参阅相关文献，此处不再赘述。 2.2.3 初始计算参数 就圆锥型气流流化床干燥器而言，由于其内的物料流化较圆筒型气流流化干燥器剧 -1烈，其动力要求将更高。根据文献的推荐，其进风速率多应在6.0 m?s以上，热空气的温度也根据干燥要求多大于373 K，故本模拟研究拟定的进风速率和进风温度分别为8.0 -1m?s和403 K，如表2-1所列。 此外，因计算需要，本模拟研究暂定圆锥型气流流化干燥器的中部圆筒处直径D为300 mm。 表2-1 初始计算参数 -1参数名称 进风速率u(m?s) 进风温度T(K) 中部圆筒直径D(mm) 参数值 8.0 403 300 如图2-1所示，除表2-1中已列的中部圆筒直径D外，流化室的主要结构尺寸还包括中部圆筒高度h、上、下接口的直径d、以及上、下锥形体的锥角大小a和β。如前所述，它们可分别借用r、r、r和r给予表示。易知，本模拟需考察r、r、r和r12341234这4个因素变量对于风动力损耗指标的影响。 如表2-2所示，本研究将采用均匀设计法，对模拟计算的试验进行科学计划安排，其中依据常见的经验值或便于加工制造，每个因素变量本文拟定了6个试验水平。 表2-2 模拟参量及相应水平 r(h/D) r(d/D) r(a) r(β) 因素 1234水平 1水平 0.250 0.16 35? 35? 2水平 0.275 0.18 40? 40? 3水平 0.300 0.20 45? 45? 4水平 0.325 0.22 50? 50? 5水平 0.350 0.24 55? 55? 6水平 0.375 0.26 60? 60? 22 2.2.4 网格模型及计算边界 图2-3示意了流化室及相应流场空间的网格模型。本模型是采用Gambit软件进行绘制和处理的，其中锥形主体和上下接头处均采用了三角形单元网格，而流化室中部圆筒部分采用了四边形单元网格。 本模拟对象属定常黏性湍流过程，其底部气流进口气速为已知，顶部出口采用自由出流边界。计算采用非耦合隐式算法。 图2-3 气流流化室的网格计算模型 第2.3节 结果与讨论 2.3.1 模拟计算结果 就本设计优化命题而言，虽然采用均匀设计法安排模拟计算的最少运行次数为6 *10次，但为了提高计算精度和便于对模拟结果的直观分析，本研究选择了均匀U(12)12设计表进行模拟计算安排，即设计了12次模拟试验。表2-3和表2-4分别给出了相应的均匀设计表和对照的使用表。 *10表2-3 均匀设计表 U(12)12 列号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 序号 1 1 2 3 4 5 6 8 9 10 12 23 2 2 4 6 8 10 12 3 5 7 11 3 3 6 9 12 2 5 11 1 4 10 4 4 8 12 3 7 11 6 10 1 9 5 5 10 2 7 12 4 1 6 11 8 6 6 12 5 11 4 10 9 2 8 7 7 7 1 8 2 9 3 4 11 5 6 8 8 3 11 6 1 9 12 7 2 5 9 9 5 1 10 6 2 7 3 12 4 10 10 7 4 1 11 8 2 12 9 3 11 11 9 7 5 3 1 10 8 6 2 12 12 11 10 9 8 7 5 4 3 1 *10表2-4 使用表 U(12)12 S 列 号 偏差 2 1 5 0.1163 3 1 6 9 0.1838 4 1 6 7 9 0.2233 5 1 3 4 8 10 0.2272 6 1 2 6 7 8 9 0.2670 7 1 2 6 7 8 9 10 0.2768 依据均匀设计的方法，结合表2-4可知，对于4个因素变量的模拟研究，应按照表 2-3中第1，6，7和9列进行试验安排。与此同时，水平合并后的因素与水平安排及其 24 对应的CFD计算结果也分别列于表2-5和表2-6。 表2-5 因素与水平安排表 列号 因素A 因素B 因素C 因素D 序号 1 1(1) 6(3) 8(4) 10(5) 2 2(1) 12(6) 3(2) 7(4) 3 3(2) 5(3) 11(6) 4(2) 4 4(2) 11(6) 6(3) 1(1) 5 5(3) 4(2) 1(1) 11(6) 6 6(3) 10(5) 9(5) 8(4) 7 7(4) 3(2) 4(2) 5(3) 8 8(4) 9(5) 12(6) 2(1) 9 9(5) 2(1) 7(4) 12(6) 10 10(5) 8(4) 2(1) 9(5) 11 11(6) 1(1) 10(5) 6(3) 12 12(6) 7(4) 5(3) 3(2) 注:( ) 内为进行水平合并后的水平代号。 表2-6 模拟计算结果 因素A 因素B 因素C 因素D 风动力损耗试验号 (kPa) r(h/D) r(d/D) r(a) r(β) 1234 1 0.250 0.20 50? 55? 1.26 2 0.250 0.26 40? 50? 1.58 3 0.275 0.20 60? 40? 1.68 4 0.275 0.26 45? 35? 1.79 5 0.300 0.18 35? 60? 1.54 25 6 0.300 0.24 55? 50? 1.63 7 0.325 0.18 40? 45? 1.72 8 0.325 0.24 60? 35? 1.48 9 0.350 0.16 50? 60? 1.65 10 0.350 0.22 35? 55? 1.57 11 0.375 0.16 55? 45? 1.51 12 0.375 0.22 45? 40? 1.76 依据直观分析法，由表2-6可知，第1号试验的风动力损耗模拟值最低，故可认为该号试验所对应的尺寸比例为试验条件下最佳的流化室结构尺寸。 综上所述，本研究推荐的圆筒型气流流化干燥机的优化尺寸比例应如表2-7所列，其比例基准乃流化室圆筒主体的直径D值。 表2-7 优化的流化室尺寸比例 r(h/D) r(d/D) r(a) r(β) 1234参数名称 参数值 0.250 0.20 50? 55? 2.3.2 尺寸优化后的流化流场 前已述及，流化室中部圆筒的直径D已知为300 mm，故由表2-7中所列的尺寸比例，可分别求得优化后的中部圆筒高度h、上下接口直径d、上锥形体锥角a及下锥形体锥角β值，结果见表2-8所列。 表2-8 优化后的流化室尺寸 上锥形体锥角 下锥形体锥角 中部圆筒直径中部圆筒高度上下接口直径 参数名称 (mm) d (mm) hD (mm) a β 1 参数值 300 75 60 50? 55? 图2-4和图2-5给出了优化后圆锥型气流流化床内的各种流场特性，它们均由CFD商用软件计算而得，分别对应着出口截面上压力的变化和床内的流速分布信息。可以看出，压降值较低，且流化流场的分布效果尚佳，可满足一般生产的要求。 26 图2-4 出口截面压力的变化曲线 图2-5 流化室内的速度矢量 27 第3章 结论 运用计算流体力学理论及相应的经典商用软件，借助均匀设计的试验计划安排法，开展了工业应用广泛的圆锥型气流流化床干燥机的结构尺寸优化研究，旨在确保设备流场充分流化的前提下，进一步减小该类设备操作的风动力损耗。 结果表明，对于釜体中部圆筒直径为300 mm的圆锥型气流流化床，当釜的中部圆筒高度设计为75 mm、釜的上下接口直径设计为60 mm、且上、下两锥形体的锥角分别设计为50?和55?时，设备正常操作时的风阻压降将可降至最低。 28 参考文献 [1] Jing Y, Soodphakdee D P, Behnia M. 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