脉冲气流流场温度场数值模拟

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书课题名称脉冲气流流场温度场数值模拟学号1000628姓名郑专业机械设计及理论学院机械工程学院导师张副导师选题时间2011年9月1日东北大学研究生院2011年10月22日填表说明1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。1一、立论依据1课题来源数值模拟方法以其节省时间，节省人力物力、适应可多变因素等诸多有利因素越来越被人们所重视，随着计算机运行速度的不断提高，数值模拟将成为开发研究的有效手段。一方面，我们将模拟的流动特性与试验结果进行比较，相互验证，得到验证的流动模型和数值方法后，改变各种设计参数进一步数值模拟可以远比实际试验快速、经济地给出相关的流动特性，走出优化设计的一条新路;另一方面，数值模拟获得的结果还可以为实际的运行调控提供参数，为安全、高效生产提供信息。具体到脉冲气流干燥实际生产中，设计人员和实际操作人员对其内部流场温度场缺乏了解，为正确理解其详情，实测费用高，数值模拟可以有效缩短新产品的开发研究周期，减少实物模型的实验次数，大幅降低产品的研发成本，在精确的分析结果下制造出高质量的产品，能够快速的对设计变更做出反应，精确的预测出产品的性能。2选题依据和背景情况两相流的系统研究是从上世纪40年代才开始的。60年代以后，越来越多的学者开始对描述气—固两相流运动规律的基本方程进行探讨，出现了很多关于讨论基本方程的文献及专著。在1967年的国际流态化研讨会上，经过对不同模型的讨论，发现虽然各模型都试图得到气相速度、固相速度、空隙率及压降等物理量，但是其动量方程却有很大差异。后来的研究进一步发现，如果在颗粒相方程中存在压力梯度项会导致方程的初值问题病态。目前国内、外的学者们从原来的大多数工作集中在两相流动模型的理论研究开始转向工程应用研究，国内学者清华大学周力行具有代表性。针对有煤粉燃烧、化学反应的气—固两相流动的数值模拟，从公开文献看，有煤粉燃烧、化学反应的气—固两相流动的数值模拟，其计算域大多针对典型的流动问题例如四角喷燃炉、后台阶突扩、突扩燃烧室、燃烧器等流动针对大尺度喷燃炉内的热态三维两相流动和煤粉燃烧也有文献报道，定性预报了两相速度、气相温度、组分浓度和壁面热流温度分布，这些研究成果对本文研究仍有借鉴意义。从理论上讲，有关气—固两相、燃烧和反应的数学模型的研究远没有达到完善的程度，而有关大尺度模型的工程应用因受到计算条件的限制难于进行细致的数值模拟，目前多采用较粗的网格，定性预报流动特性。同时，由于湍流、燃烧、反映等模型多基于理论、或是经验、半经验的结果，它们或多或少地丢失了某些关联因素，这也是难以获得真实结果的又一困难。因此目前数值模拟所获得的结果仍需要有实验结果的验证才能被人们所接受。3课题研究目的本课题研究的目的是：通过数值模拟，在对脉冲式气流两相流流场的模拟研究基础上，进行脉冲式气流装置的结构优化研究。4课题理论意义和实际应用价值通过研究脉冲气流的两相流流动，可以了解流动中气流温度的变化，为仪器设备的设计提供理论依据。2干燥是许多工业生产的重要过程之一，不论是农业、食品、化工、陶瓷，还是医院、矿业、造纸、木材加工等都离不开干燥技术，它直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等。干燥能耗从4％(化学工业)到35％(造纸工业)，其技术的覆盖面较广，既涉及复杂的热、质传递机理，又与物系的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及工艺上。气流干燥是使加热介质(空气、惰性气体、燃气或其他热气体)和待干燥固体颗粒直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，由于两相接触面积大，从而强化了传热传质过程，在短时间内达到干燥目的。因其具有干燥时间短，处理量大，适用性广，结构简单，制造方便等优点，被广泛应用于各个领域。5具体课题意义和研究结果的实际应用价值脉冲式气流干燥器是近年来研制成功的一种新型高效的气流干燥设备之一，它为了充分利用物料在加速段所具有的高传热、传质效果，采用管径交替的缩小和扩大，从而加大了固气间的相对速度和传热传质面积，强化了传热传质作用，增加了物料干燥时间。由于气固相流体的复杂性，目前对于脉冲式气流干燥器的理论和实验研究都非常少，相比其在工业上得到的广泛应用，理论研究明显滞后。本课题应用有限元软件对脉冲式气流进行温度场和流场模拟，用到传热学和流体力学领域的知识。由于有限元法计算精度高、适应性强、计算格式规范统一。有限元计算结果已经成为各类工业产品设计和性能评估的可靠依据，成为工程设计中不可缺少的一种重要方法。在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、电磁场分析、流体分析等方面扮演着越来越重要的角色。而本课题正是基于有限元软件的以上优点，应用于直脉冲式气流的温度场和流场数值模拟，通过脉冲气流流场的温度场的数值模拟，可以很好的了解脉冲气流两相流流场的温度特性，对脉冲式气流干燥器的发展和改进具有重要的指导意义。3二、文献综述1国内外研究现状、发展动态经过近30年的发展，一些新的干燥技术正展露头脚。其中有些已付诸工业应用；有些还处于不同的研究和开发阶段，但已显示出重要的应用潜力。代表技术有：适合淤泥状废料脱水干燥的Carver一Greefield法、过热蒸汽、声波和脉冲燃烧、纸张高强度干燥、撞击流干燥机、根据产品质量要求涂加非水溶剂或聚合物的冷冻喷雾干燥、雾粒群在热表面上的冲击干燥、微波场中干燥雾粒群、分散固体节能和减少热敏性物料损坏的间歇干燥等。预计今后相当长的时间内，该过程仍为化学工程专业的研究热点之一，更新的干燥技术革新和干燥概念还会不断涌现，并不断付诸应用。干燥技术未来发展趋势一般干燥技术的发展趋势仍将沿着以下方式实现：有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境影响、安全操作、易于控制、一机多用等方向发展。具体讲，干燥技术的未来发展将着重于：(1)在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质。(2)大量使用间接加热(传导)方式。(3)采用组合式传热方式(对流、传导与介电或热辐射的组合)。(4)在特殊情况下，使用容积式加热(微波或高频场)。(5)组合使用不同类型的干燥器或常规干燥技术。(6)采用间断传热方式。(7)运用新型或更为有效的供热方法(如脉冲燃烧，感应加热等)。(8)运用新型气固接触技术(如二维喷动床、旋转喷动床等)。(9)设计灵活、多用途的干燥器。(10)使用模糊逻辑、神经网络、专家系统等实现过程的控制。(11)在线测量含湿量及产品质量等。在众多产品方向中，亟待解决问题和未来的发展趋势主要有：(1)采用新的供热方法及组合干燥方式近年来高频干燥、微波干燥、红外线干燥以及组合干燥发展较快。根据物料的干燥特性和其他物理性质将不同的供热方式有效组合可以达到比任何单一供热方式更好的效果［20］。(2)不同类型干燥机的组合当物料的干燥特性允许或必要时，可采用两种或两种以上的干燥机组合来适合生产多种多样的产品需要。(3)降低干燥过程中能量的消耗干燥操作是耗能很大的单元操作之一。如何在满足工艺要求的前提下，降低能源利用是亟待解决的问题。4(4)干燥设备的大型化、系列化和自动化干燥机的设计和放大在很大程度上还只能靠经验，控制水平也有待提高。因此开发出能适用多种不同物料的通用模型和能反映产品质量关系的模型将成为今后一段时间的研究重点。(5)干燥装备的机电一体化技术。如将CAD／CAE／CAM技术、模糊逻辑、脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究、神经网络、专家系统等运用到干燥设备中。气流干燥的特点气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。该法是使加热介质(空气、惰性气体、燃气或其他热气体和待干燥固体颗粒直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作。气流干燥的特点有［11］：(1)气固两相间传热传质的表面积大。固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状态，由于采用较高气速(20~40m／s)，使得气固两相间的相对速度也较高，不仅使气固两相具有较大的传热面积，而且体积传热系数也相当高。(2)热效率高、干燥时间短、处理量大。气流干燥采用两相并流操作，这样可以使用高温的热介质进行干燥，且物料的湿含量愈大，干燥介质的温度可以愈高。气流干燥的管长一般为10～20m，管内气速为20~40m／s，因此湿物料的干燥时间仅0.5~2s，所以物料的干燥时间很短。(3)气流干燥器结构简单、紧凑、体积小，生产能力大。由于气固两相并流，有些物料的气流干燥进口处气固两相的温差可达400～5000℃，同时气流干燥的体积传热系数值也很大，于是在所需求的热量值为某一定值时，气流干燥管体积必定很小。气流干燥器结构简单，在整个气流干燥系统中，除通风机和加料器以外，别无其他转动部件，设备投资费用较少。(4)操作方便。在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程联合操作，流程简化并易于自动控制。(5)气流干燥的缺点。气流干燥系统的流动阻力降较大，一般为3000~4000Pa，必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使用的气速高，流量大，经常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器。气流干燥对于干燥载荷很敏感，固体物料输送量过大时，气流输送就不能正常操作。气流干燥的适用范围(1)物料状态气流干燥要求以粉末或颗粒状物料为主，其颗粒粒径一般在0.5~0.7mm以下，至多不超过lmm。对于块状、膏糊状及泥状物料，应选用粉碎机和分散器与气流干燥串联的流程，使湿物料同时进行干燥和粉碎，表面不断更新，以利于干燥过程的连续进行，或者采用将一部分干5燥合格的产品返回喂料口与漫物料相混合，使湿膏状物料、泥状物料分散成粉状物料后进行气流干燥。气流干燥中的高速气流易使物料破碎，故高速气流干燥不适用于需要保持完整的结晶形状和结晶光泽的物料。极易粘附在干燥管的物料如钛白粉、粗制葡萄糖等物料不宜采用气流干燥。如果物料粒度过小，或钧料本身有毒，很难进行气固分离，也不宜采用气流干燥。(2)湿分和物料的结合状态气流干燥采用高温高速的气体作为干燥介质，且气固两相间的接触时间很短。因此气流干燥仅适用子物料湿分进行表面蒸发的恒速干燥过程i待干燥物料中所含湿分应以润湿水、孔隙水或较粗管径的毛细管水为主。此时，可获得湿分低达0.3%~0.5%的干物料。对于吸附性或细胞质物料，若采用气流干燥，一般只能干燥到含湿分2%~3%。气流干燥器的分类(1)根据湿物料的加入方式［19］，可分为：①直接加入型。将湿物料直接从料槽中加入到热风管内。热风以30~40m／s的速度在管中流动，热气流与物料相冲击，使物料分散。它适用于湿物料分散性良好和只除去表面水分的场合，如干燥合成树脂、某些药品、有机化学产品、煤、淀粉和面粉等。②带分散器型。有些物料在高速热气流中不易分散，需在干燥管下面装一台鼠笼式分散器打散物料。它适合于含水量较低、松散性尚好的块状物料，如离心机、过滤机的滤饼，以及磷石膏、碳酸钙、氟硅酸钠、粘土、咖啡渣、污泥渣、玉米渣等。③带粉碎机型。指在气流干燥管下装有一台冲击式锤磨机用以粉碎湿物料，减小粒径，增加物料表面积，强化干燥。因此，大量的水分在粉碎过程中得到蒸发，在一般情况下，可完成汽化水分的80%。这样，便于采用较高的进气温度，以获得大的生产能力和高的传热效率，它适合于热敏性的物料。(2)根据干燥管的形式分为：①简单点管式［1，12］。这是最早也是目前气流干燥中使用最广泛的一种，其结构简单、制造容易。为了使物料在管内有较长时闻的停留，管道可高达20m以上；或将其制成若干之字形，以降低高度来延长管道的长度：也可将管道制成螺旋形(管长超过15m)。称之为螺旋——蜗流气流干燥器，并可将管道收缩到地面。经研究发现，热质传递最有效的长度是在进料口向上2~3m处，故又发展了管高仅4~6m的短管干燥器。后者在化工、建材某些物料表面水的蒸发上应用广泛。②脉冲管式［1，11］气流干燥管的管径交替缩小和扩大，颗