常州大学硕士学位论文开题报告邹鑫.doc
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1、一 简表研究生简况姓名邹 鑫性别 男出生年月学号10116116入学时间身份证号学科、专业动力工程及工程热物理、化工过程机械本科毕业时间本科毕业学校郑州轻工业学院指导小组姓名职称工作单位签字导师袁惠新教授常州大学小组成员付双成讲师常州大学刘麟讲师常州大学研究课题名称中文旋转闪蒸干燥机流场及其分散器形变的研究英文Research on the Flow Field and Disperser,s Deformation of a Spin Flash Dryer类别国家项目( ): 部(省)项目( ); 企业项目( );自拟项目( ); 是否涉密(是,密级:秘密 )性质基础研究( ); 应用基础
2、研究( ); 应用技术研究( )与导师课题研究课题的关系是导师研究课题的一部分( )与导师研究课题无关( )摘 要旋转闪蒸干燥机也称旋流干燥机或旋转快速干燥机,是一种流态化干燥和气流干燥相结合的干燥设备,具有高效、节能、快速等特点,符合粉粒状、膏状和滤饼状物料的干燥特点,被广泛地应用于多种行业中。但是,干燥流场复杂,气固两相未充分接触,导致横截面利用不足,存在干燥死区;物料在干燥分离过程中流动阻力大,设备能耗大;分散器的变形量过大,导致干燥过程无法连续进行等,这些都与干燥机内部流场有很大关系。然而,对于旋转闪蒸干燥机内部的的流场研究还处于探索阶段,因此需要我们进一步研究旋转闪蒸干燥机内部的流场
3、。本课题拟采用实验研究和数值模拟相结合的方法,利用常州市优力干燥设备实验室现有的旋转闪蒸干燥机系统,根据实际操作要求,在不同进气温度,不同流量,不同搅拌转速的条件下,对旋转闪蒸干燥装置的干燥性能进行试验研究。建立旋转闪蒸干燥机的三维几何模型,采用FLUENT软件对旋转闪蒸干燥机流场进行数值模拟,分析旋转闪蒸干燥机流体的流动规律。根据FLUENT数值模拟得到的分散器周围流场,结合ANSYS软件计算不同结构分散器的变形量,建立分散器变形量的数学模型。据此,对旋转闪蒸干燥机结构进行优化研究。关键词35“;”分隔。中文旋转闪蒸干燥机;分散器;数值模拟;变形量英文Spin flash dryer;Dis
4、perser;Numerical simulation;Deformation 二 选题依据(研究意义,国内外研究现状及分析,附主要参考文献)1 课题的研究意义干燥1是指含有水分或其他溶剂的湿物料,受热之后使其中的水分或其他溶剂气化,除去湿分的过程,它是一个传热传质的过程,可较为彻底地去除物料表面甚至内部的湿分,但其能耗较大,费用较高。旋转闪蒸干燥机也称旋流干燥机或旋转快速干燥机,是一种流态化干燥和气流干燥相结合的干燥设备。在旋转闪蒸干燥机内,气流从下部切向进入,带着固体颗粒一边旋转,一边上升。在此过程中,固体颗粒受到因旋转产生的离心力作用而向器壁作径向运动。这个离心运动产生两个作用,一是增大
5、气固两相的相对速度,从而增大气固界面更新率,促进传热传质,强化干燥过程,二是由于颗粒的径向运动速度与颗粒粒度的平方成正比,即大颗粒运动得快,到达器壁后下落,小颗粒运动得慢,来不及到达器壁而被气流从排气口带出。这样,旋转闪蒸干燥机就具有分级作用。这也正是干燥过程所需要的。小颗粒完成干燥后排出,大颗粒留下来进一步干燥。由于这些作用,物料在干燥机内得以快速干燥。由于干燥机底部分散器的打击、输送作用,旋转闪蒸干燥机可将高粘度的膏状物、沉积物或滤饼状物料一次干燥成粉,不需二次破碎。由于干燥时间短,物料温升低,更适用一些有热敏性物料及生物菌体等的干燥,而且具有结构简单、操作方便、设备占地面积小、能耗低、微
6、负压操作、无粉尘飞扬等特点,极大地改善操作环境。在染料、农药以及其他有机化工、无机化工、矿物加工等行业都有大量应用2-6。 现阶段,旋转闪蒸干燥机虽然得到了较广泛的应用,但人们对旋转闪蒸干燥机的深入研究还不够。旋转闪蒸干燥技术由于应用时间不长,有关其干燥过程原理及加工工艺参数对产品质量的影响研究还有待继续深入。运用计算机技术对干燥过程进行数值模拟,深入探究物料在干燥过程中的流体运动情况将成为改进旋转闪蒸干燥技术和设备的重要研究方向。因此本文对旋转闪蒸干燥过程的研究及其数值模拟具有一定的学术意义和工程实用价值。2 国内外研究现状 旋转闪蒸干燥机研究现状旋转闪蒸干燥技术是在气流干燥技术的基础上发展
7、起来的,旋转流场对干燥过程的影响很大,研究旋转流体的流体力学特性也就成为旋流干燥的重要任务之一。国外对旋转闪蒸干燥机进行过一定的研究7-9。 Jens Getler等人10发明了一种新型的旋转闪蒸干燥机系统,在干燥室的上部安装两个不同直径的分级器,然后再用两个不同型号的旋风分离器分离被分级的颗粒,符合要求的颗粒进入下一干燥分级回收环节,不符合要求的颗粒返回干燥室继续进行干燥分级,同时在出风口安装一个换热器,利用余热,送入干燥室继续进行干燥,减小能耗。国内,天津大学的顾芳珍等人11,12通过理论分析与试验研究表明,干燥筒中气流的切向速度分布既非势流流动的规律,亦非平面圆旋流规律,从中心到器壁切向
8、速度一直在升高,器壁附近风速最大,中心处最小。另外,旋转气流螺旋上升,越向上旋转速度越小,直至不再旋转。武汉化工学院的舒安庆等人13以天津大学研制的旋转闪蒸干燥机(如图1)为实验装置,假定旋转流为不可压流体的定常流动,采用雷诺方程经简化推出干燥室旋流切向速度沿径向分布规律为: (2-1)轴向速度沿径向分布规律为: (2-2)其中:n 为旋转特性指数,C1、C2为积分常数。为了使表达式更具通用性,将实验数据进行拟合,得到了切向速度分布的经验式: (2-3)轴向速度分布的经验式: (2-4)1-分级器;2-干燥室;3-进料口;4-分散器;5-气体分布器图1 旋转闪蒸干燥机结构简图图214给出了干燥
9、室内下断面的压力分布情况(分散器静止)。由图可见,在干燥中心压力最低,在干燥室外圆处,压力相对较大。气体旋流压力在圆形室半径为R时最大,最大为P,而后随旋转半径R的减小,压力逐渐减小。各点压力值为: (2-5)其中为圆形室最外圆处的压力,为气体在各点的切向分速度。图2 干燥室内下断面的压力分布为了研究旋转闪蒸干燥机内部的气流速度分布,WANG Xiao-jing等人15讨论了旋转闪蒸干燥机内部的气流速度分布,表明了干燥室内部的旋流场分成两部分,势流区和平面涡流区,实验说明了切向速度对干燥过程的影响最大,随着干燥室径向和轴向位置的变化,径向速度分布和水分含量呈现有规律的分布,另外,进料口的操作参
10、数得到了优化,为了严格符合进料口物料的水分要求,一个狭长的绞龙安装在干燥机适当的壁面上,在绞龙上面还安装了一个过滤器,以除去一部分水分,然后使物料进入干燥机内部进行干燥。酒糟是用沾米或者糯米通过酒饼发酵后酿制的食品,是一种非常营养的食品,在日常生活中得到了广泛的使用。近年来,许多研究者对其干燥性能进行了探索。LIU Kun16对木薯酒糟在旋转闪蒸干燥器中的基本干燥特性进行了实验研究,结果表明该物料干燥后的含水质量分数与干燥介质温度呈直线关系,与干燥时间呈指数曲线关系。李文曲17以啤酒糟为物料,不仅系统地研究了啤酒糟的干燥曲线、营养成分,而且作出了各参数对产品终湿含量的影响曲线。同时,通过对各方
11、面因素的综合分析,提出了利用旋流闪急干燥器干燥啤酒糟时的最佳工艺参数,建立了对流传热准数的经验公式。FENG Dian-yi等人18通过对啤酒糟旋转闪蒸干燥过程实验研究,建立了干燥过程的数学模型,并基于该模型对过程进行优化,得到了不同生产条件下最经济的操作温度,解决了干燥过程的最佳操作参数的匹配问题,优化模型达到足够的精度,具有一定的实用价值。王书伟19对旋风分离器内气相流场和旋转闪蒸干燥机的各项速度沿径向分布进行数值模拟和实验研究,建立了旋转闪蒸干燥机的流体力学模型,使用计算流体力学模拟软件FLUENT模拟出了旋转闪蒸干燥机气相速度场三维轴向、径向和切向的分速度场分布,并且用实验数据对模拟结
12、果进行了验证,取得了很好的一致性。旋转闪蒸干燥过程是一个传热传质过程,涉及到热力学、流体力学、多相流等学科,吴海艳20根据干燥机工作的物理环境(热、流场),建立了干燥机流场及温度场数值模拟的数学模型和控制方程。应用ANSYS分析软件中的FLOTRAN模块对干燥机进行数值模拟分析,得到系统内流场的温度、速度、压力和物料分布。利用ANSYS软件强大的后处理功能从各个方面对数值计算结果进行分析,为该机型的设计提供一定的理论依据。通过改变各边界条件,如高温气体初始温度、初始速度,比较各不同参数变量所对应的模拟结果,分析各参数变量是如何影响干燥结果和整个流场运动情况的,通过对比,得出各参数影响的趋势。但
13、是,对于旋转闪蒸干燥机内部的的流场研究还处于探索阶段,国内外相关的研究文献还比较少,特别是对气固两相湍流流场不甚了解,然而,旋转闪蒸干燥机内部流体的流动规律与旋风分离器内部流体的流动规律很相似,随着计算机的发展以及数值模拟方法的不断成熟,近几年,国内外对旋风分离器内部流场进行了大量的数值模拟研究,我们可以参考对旋风分离器流场的模拟方法,对旋转闪蒸干燥机内部流场进行更深一步的研究,从而为实际设计制造提供参考意见。 气相流场数值模拟研究进展气相流场模拟研究具有花费少、速度快、模拟能力强等优点,大大减小了研究的工作量,扩大了计算流体力学的应用范围。但计算流体力学技术还不是很成熟,在用这项技术来对流动
14、现象进行预测的时候,需要对复杂的流动现象进行处理,然后用数学模型来描述它,如果数学模型的描述不够精确,计算结果可能会有所偏差,甚至没有任何意义。中国石油大学的宋健斐等人21对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,重点考察流场的非轴对称特性,为此选择能较好反映湍流各向异性的RSM模型,模拟结果表明旋风分离器环形空间的流场呈现明显的非轴对称分布,筒体和锥体空间的流场也存在一定的非轴对称性。旋风分离器在高温高压条件下,分离效率变化很大,为此,陈雪莉等人22对适用于高温高压下的一种新型旋风分离器的气相流场用粒子动态分析仪进行了测试,利用CFD软件,并选用RNG k-和RSM 湍流模型对新型旋风分离
15、器的流场进行了模拟,应用PHOENICS计算程序对具有不同几何参数的旋风分离器气相流场进行求解,通过对两种湍流模型进行模拟比较,找出了适合模拟该种旋风分离器流场的湍流模型,即雷诺应用模型。李文东等人23利用交错网格SIMPLE方法对切向入口旋风分离器内的流场进行了数值模拟,分别选用了标准k-模型、Smith 修正模型和Chen-Kim修正的模型,通过对同一工况模拟结果与实验数据比较,发现标准k-模型不适合用来对切向入口旋风分离器内的流场进行预测,修正后的湍流模型得到的结果与实验结果基本吻合。总之,旋风分离器内部气相流场的模拟已取得很大进展,结果也得到了广泛的认可,但是,实际内部流场都是两相或者
16、多相的,气相流场对实际流场的研究参考意义不大,甚至可以说没有任何意义,因此需要我们继续研究内部多相流场,为旋风分离器的设计等提供参考意见。2.3 气固两相流场数值模拟研究进展在气固两相流动研究过程中24-28,早期主要靠实验手段,例如文献24对谷物和其他物料在管内的气力输送进行了试验,后来文献25专门对管道流动中固体颗粒的粘附和沉积产生的堵塞现象进行了研究。随着计算机技术的不断发展,对多相流动的研究进入了一个新领域29,数值模拟开始替代部分实验,各种计算模型不断涌现,Julian F M和Dulker A E24提出了湍流粘性模型,Pai S L提出拟流体模型,后来,Spolding等人提出了
17、被广泛使用的双方程模型。另外,对于管壁附近的流动,Launder等人提出了低Re数的k-双方程模型,而且他们分别对不同的流动状况进行了数值模拟,取得了令人满意的结果。旋风分离器内粒子运动过程复杂,难以测量,为此,Kazuyoshi Matsuzaki等人30建立了预测旋风分离器内粒子分离过程的一种高精度方法,应用Smagorinsky模型模拟了旋风分离器内部的流场,应用拉格朗日方法计算了粒子的运动轨迹,预测粒子的分离过程,并且展示了溢流管插入深度对旋风分离器内粒子分离过程的影响。Xiaohu Xue等人31采用FLUNET软件模拟旋风分离器内的颗粒浓度分布,应用雷诺应力模型模拟气相湍流,考虑粒
18、子与气相之间的相互作用。结果表明,旋风分离器分离空间的浓度场沿径向可划分为中心的颗粒逃逸区、边壁的颗粒捕集区和中间的颗粒分离区。颗粒捕集区的颗粒在器壁表面形成高浓度的灰带螺旋下行,灰带以一定的频率上下波动;颗粒分离区浓度分布均匀,颗粒处于被分离状态;颗粒逃逸区的颗粒浓度很低,颗粒螺旋上升逃逸。汪林32采用CFD方法对旋风分离器流场进行了数值模拟。利用欧拉坐标系下的RNG k-湍流模型以及拉格朗日坐标系下的随机轨道模型,同时考虑双向耦合。结果表明:小颗粒受湍流脉动的影响较显著,随机性很强,而大颗粒受湍流脉动的影响较小。朱会33借助MATLAB软件,采用标准k-模型,基于同位网格的SIMPLEC方
19、法,对切向入口旋风分离器内的流场进行了数值模拟。结果表明:旋风分离器内的切向速度分布呈双涡结构,以最大切向速度为界,外部是准自由涡,中心是准强制涡;轴向速度分布以零包络面为界,外部是下行流,中心是上行流;颗粒的运动轨迹比较复杂,且带有很大的随机性,入射位置和颗粒粒径对其运动轨迹都有很大的影响。旋风分离器进口结构千变万化,对分离效率的影响作用较大,为此,Yaxin Su等人34模拟了三种不同进口结构的旋风分离器的气固两相流,采用三维雷诺应力模型模拟内部的气相流场,拉格朗日方程模拟粒子的运动。应用已有的实验数据验证了模拟的速度、分离效率和压降值。分析了进口结构对旋风分离器内部湍流流动的影响,分析了
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