帶折流板式氣流干燥器畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 研究背景與意義3</p><p>

2、;　　1.2 課題研究進(jìn)展3</p><p>　　1.2.1工業(yè)干燥技術(shù)3</p><p>　　1.2.2 流化干燥的數(shù)學(xué)模型10</p><p>　　1.2.3 CFD模擬理論與方法12</p><p>　　1.3 課題的研究重點(diǎn)17</p><p>　　第2章 設(shè)備內(nèi)部流場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化18</

3、p><p>　　2.1 新型氣流干燥器18</p><p>　　2.2 CFD流場計(jì)算與模擬18</p><p>　　2.2.1 CFD流場方程18</p><p>　　2.2.2 模型求算方法19</p><p>　　2.2.3 模擬計(jì)算參數(shù)20</p><p>　　2.2.4 計(jì)算網(wǎng)格

4、及邊界條件21</p><p>　　2.3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析22</p><p>　　2.3.1 基于均勻設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果22</p><p>　　2.3.2 優(yōu)化后的流場考察25</p><p>　　第3章 結(jié)論27</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p

5、><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　帶折流板式氣流干燥器乃工業(yè)上有著良好應(yīng)用前景的一類干燥機(jī)型，為降低該類設(shè)備操作時的氣流阻力損失，減小風(fēng)動力損耗，基于計(jì)算流體力學(xué)理論及其相應(yīng)的商用軟件平臺，結(jié)合均勻設(shè)計(jì)的科學(xué)試驗(yàn)安排法，對設(shè)備內(nèi)部的氣相流場進(jìn)行了初步模擬

6、與計(jì)算，并獲得了優(yōu)化的設(shè)備尺寸信息。結(jié)果表明，在計(jì)算擬定的設(shè)備主體尺寸及操作工況下，當(dāng)干燥室的上錐體高度為35 cm、下錐體高度為50 cm、折流板距離圓筒底截面的高度為40 cm、及折流板的深度為60 cm，亦即它們各自與設(shè)備圓筒主體直徑之間的大小比例分別為0.35、0.50、0.40和0.60時，操作的風(fēng)動力壓降將降至最小，且室內(nèi)的流場分布亦尚佳。</p><p>　　關(guān)鍵詞：氣流干燥機(jī)，壓降，CFD，模擬計(jì)

7、算，尺寸優(yōu)化</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Airflow drier with a baffle plate has a good prospect in industry production. Such equipment to reduce the loss of air resistance and wind po

8、wer during operation,there is a preliminary subject dimension for the gas phase flow fields inside the device, and obtained the optimization of the equipment, based on CFD simulation and its commercial software platform,

9、 combined with uniform design of scientific experiments arrangement method.The results show that, in calculating the size of the developmen</p><p>　　Keywords: Airflow drier; Pressure drop; CFD; Simulation an

10、d calculation; Size optimization</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　第1.1節(jié) 研究背景與意義</p><p>　　近幾十年來，隨著世界人口的大幅增加、能源的日益緊張以及對環(huán)保型生產(chǎn)技術(shù)的強(qiáng)烈追求，人們對于干燥技術(shù)也早已提出了更高的期望或要求，即不再單純滿足于干燥產(chǎn)品的低含水

11、量指標(biāo)，同時對干燥操作的熱效率、生產(chǎn)強(qiáng)度、生產(chǎn)周期及環(huán)境污染等均已制定了相應(yīng)的指標(biāo)要求，故而有效促進(jìn)了大量新型干燥工藝、設(shè)備得以快速地研發(fā)與推廣。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)前干燥操作的技術(shù)革新主要集中于以下幾個方面，即：a)設(shè)計(jì)制造新的干燥設(shè)備或與干燥過程相配套的設(shè)備；b)提高干燥產(chǎn)品的質(zhì)量, 在干燥產(chǎn)品質(zhì)量控制方面比現(xiàn)有設(shè)備要好；c)避免或減少對環(huán)境的污染；d)操作更安全、可靠；e)總體上降低能耗, 降低設(shè)備制造成本。此外，工業(yè)生產(chǎn)對干燥技術(shù)的需

12、求劇增，也促使了干燥設(shè)備朝機(jī)電一體化和制造加工標(biāo)準(zhǔn)化的方向得以邁進(jìn)。總之，經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，我國的干燥技術(shù)及設(shè)備雖然已經(jīng)結(jié)束了完全依賴進(jìn)口的被動局面，但總體而言，與國外的同行業(yè)相比，國內(nèi)的干燥設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)目前仍不夠成熟，多數(shù)仍是在借鑒國外同類技術(shù)的基礎(chǔ)上小幅改進(jìn)而成。在設(shè)計(jì)過程中，通常均采用模擬設(shè)計(jì)和相似設(shè)計(jì)的辦法，繪制樣機(jī)，然后按照約定比例進(jìn)行放大或縮小，其間再對部分不完善的地方進(jìn)行改進(jìn)和</p><p>

13、;　　第1.2節(jié) 課題研究進(jìn)展</p><p>　　1.2.1 工業(yè)干燥技術(shù)</p><p>　　1.2.1.1 技術(shù)簡介</p><p>　　干燥技術(shù)自古以來就有之，從遠(yuǎn)古木乃伊的制作價值到現(xiàn)如今我們的衣食住行中充斥了太多的干燥產(chǎn)品，如我們吃的奶粉，泡的茶，用的紙張?？梢钥闯觯稍锛夹g(shù)在現(xiàn)今技術(shù)領(lǐng)域占居著十分重要的地位。我們離不開干燥技術(shù)，它也在人類的生產(chǎn)生活中起

14、到了越來越大的作用，亦在國民經(jīng)濟(jì)的各部門發(fā)揮著重要功用，從傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品如肥料、染料、無機(jī)鹽到新興的醫(yī)藥、工業(yè)、糧食、食品、飼料等行業(yè)均離不開干燥過程。通過干燥操作，產(chǎn)品更加便于加工、運(yùn)輸、貯存和使用，且更具有優(yōu)異的擴(kuò)散性、均一性。正確地完成干燥過程有利于保證和改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量，對提高生產(chǎn)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有十分重要的作用。</p><p>　　干燥是利用熱能使?jié)裎锪现械臐穹?水分或其他溶劑)汽化，水汽或蒸汽經(jīng)氣流

15、帶走或由真空泵將其抽出除去，而獲得固體產(chǎn)品的操作過程。經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，我國的干燥技術(shù)及設(shè)備雖然已經(jīng)結(jié)束了完全依賴進(jìn)口的被動局面，但總體而言，與國外的同行業(yè)相比，國內(nèi)的干燥設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)目前仍不夠成熟，多數(shù)仍是在借鑒國外同類技術(shù)的基礎(chǔ)上小幅改進(jìn)而成。在設(shè)計(jì)過程中，通常均采用模擬設(shè)計(jì)和相似設(shè)計(jì)的辦法，繪制樣機(jī)，然后按照約定比例進(jìn)行放大或縮小，其間再對部分不完善的地方進(jìn)行改進(jìn)和革新，以此適應(yīng)自身的生產(chǎn)條件或擴(kuò)展生產(chǎn)能力。顯然，諸如此類的

16、設(shè)計(jì)流程和方法勢必將存在較大的先天不足或缺陷，不僅具有較高的盲目性和風(fēng)險性，如只有待樣機(jī)制造出來后方可驗(yàn)證設(shè)備是否符合要求，另一方面也極大延長著設(shè)計(jì)周期，導(dǎo)致生產(chǎn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代滯后，成本攀高。此外，自動化程度低、適應(yīng)范圍窄、能耗高亦是我國干燥設(shè)備普遍存在的特點(diǎn)，故而也嚴(yán)重制約著國內(nèi)干燥技術(shù)的快速發(fā)展，亟待進(jìn)一步解決。</p><p>　　干燥單元的重要性不僅在于它對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的效率和總能耗有較大的影響，還在于它

17、往往是生產(chǎn)過程的最后工序，操作的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，從而影響市場競爭能力和經(jīng)濟(jì)效益。我國有許多產(chǎn)品，就純度而言已經(jīng)達(dá)到甚至超過國外產(chǎn)品；然而就是由于干燥技術(shù)不如國外技術(shù)，堆積密度、粒度、色澤等物性指標(biāo)上不去。在國際市場競爭中處于劣勢，有的甚至售價僅為國外同種產(chǎn)品的1/3。目前我國某些大型石化干燥裝備還依賴進(jìn)口。根據(jù)粗略估計(jì)，我國生產(chǎn)的干燥設(shè)備種類僅為國外30-40％。因此進(jìn)行干燥技術(shù)研究的任務(wù)迫切。</p><p&

18、gt;　　第一屆全國干燥會議干1975年6月23日在南京召開，至今已經(jīng)30多年了。30多年來，我國干燥技術(shù)研究隊(duì)伍不斷壯大。目前我國從事干燥技術(shù)研究的大專院校、科研院所、研究單位大約有50多家，領(lǐng)域涉及化工、醫(yī)藥、染料、輕工、林業(yè)、食品、糧食、造紙、硅酸鹽、水產(chǎn)業(yè)、漁業(yè)等行業(yè)，全國共有設(shè)備制造廠600多家，已形成了一支強(qiáng)有力的干燥科研開發(fā)隊(duì)伍，廣泛開展干燥技術(shù)的基礎(chǔ)研究、工藝研究及工業(yè)化研究，使我國干燥技術(shù)研究正向世界水平邁進(jìn)，某些技術(shù)

19、領(lǐng)域達(dá)到了國際先進(jìn)水平。30年來，中國對許多干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。其中噴霧干燥機(jī)，旋轉(zhuǎn)快速干燥機(jī)，振動流化床干燥機(jī)，蒸汽管(管壁導(dǎo)熱的)回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)，糧食干燥機(jī)等，均接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，這對我們中國來說，是一個偉大的轉(zhuǎn)折。中國有許多干燥設(shè)備制造廠，他們制造的常用干燥設(shè)備，基本上滿足了國內(nèi)市場的需要，并有個別機(jī)種出口到國外。</p><p>　　干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、建材、食品、藥物及生化等

20、行業(yè)。干燥設(shè)備的分類方式有很多種，其中按其構(gòu)造可以分為噴霧干燥機(jī)、流化床干燥機(jī)、氣流干燥機(jī)、槳式干燥機(jī)、箱式干燥機(jī)及旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)等。其中，氣流流化干燥是指利用高速熱氣流，使泥狀、粉粒狀或塊狀物料懸浮于氣流中，一邊在流化床中隨氣流翻滾，一邊進(jìn)行干燥的操作技術(shù)。作為工程優(yōu)勢最為顯著的高效干燥技術(shù)之一，氣流流化干燥在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用正日趨廣泛，已漸成為諸多產(chǎn)品生產(chǎn)的主要干燥方法，對應(yīng)的干燥生產(chǎn)設(shè)備稱為氣流流化干燥機(jī)。</p>

21、<p>　　1.2.1.2 氣流流化干燥</p><p>　　氣流流化干燥是指利用高速熱氣流，使泥狀、粉粒狀或塊狀物料懸浮于氣流中，一邊在流化床中隨氣流翻滾，一邊進(jìn)行干燥的操作技術(shù)。作為工程優(yōu)勢最為顯著的高效干燥技術(shù)之一，氣流流化床干燥在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用正日趨廣泛，已漸成為諸多產(chǎn)品生產(chǎn)的主要干燥方法，對應(yīng)的干燥生產(chǎn)設(shè)備稱為氣流流化干燥機(jī)。簡言之，氣流流化干燥機(jī)是將濕態(tài)時為泥狀，粉粒狀或塊狀的物料首先于熱

22、氣流中分散，然后在流化床中隨氣流翻滾，同時進(jìn)行干燥的操作設(shè)備。氣流流化床干燥過程屬于對流傳熱操作類型，因物料處于懸浮狀態(tài)，故氣固兩相可充分接觸，從而可強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程，即操作的熱效率高、效果好、干燥強(qiáng)度大，較適于一些難處理物料的批量處理，如膏狀物料等。目前，圓筒型氣流流化床干燥機(jī)已廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　?。?）工藝與影響因素</p><p>　　氣流干

23、燥機(jī)主要是通過熱空氣與物料表面的直接接觸，從而在短時間內(nèi)達(dá)到干燥效果的一種裝置。它具有干燥強(qiáng)度大，干燥時間短，熱效率高，處理量大，應(yīng)用廣泛，設(shè)備簡單以及操作容易的優(yōu)點(diǎn)，尤其在氣流干燥過程中，物料升溫不高，一般不存在過熱等問題；并且營養(yǎng)物質(zhì)損失量低，因而非常適合一些熱敏性產(chǎn)品的干燥加工。然而該類型干燥機(jī)即便有這么多優(yōu)點(diǎn)，氣流干燥機(jī)還是有它的局限性所在的，比如說它對潔凈的要求比較高，除塵能力要強(qiáng)，因?yàn)槠渲械牧黧w阻力大；又如它的干燥管的長度較

24、長，所以它對干燥廠房的要求也比較高等。同時氣流干燥中牽扯到一個湍流流動的問題，我們需要非常注意。我們知道，湍流是一種非常復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動，在湍流過程中，流體的各種物理因素，如速度，溫度，壓力等都隨時間和空間隨機(jī)變化，因此給研究和生產(chǎn)帶來了一點(diǎn)困擾。</p><p>　　影響氣流干燥機(jī)性能的主要操作參數(shù)有熱風(fēng)強(qiáng)度，熱風(fēng)量，還有物料的喂入量等，提高熱風(fēng)的溫度能夠提高提高降水幅度和干燥強(qiáng)度；物料的喂入量增大，降水幅度下

25、降；不同風(fēng)量區(qū)對干燥機(jī)性能影響不同。不同干燥機(jī)類型對這些操作參數(shù)的要求也不一樣。氣流干燥是一種極其快速的干燥方式，傳統(tǒng)氣流干燥機(jī)的干燥時間一般不超過10 s，除此以外還具有與物料輸送和結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。氣流干燥在如此短的時間之內(nèi)完成，主要取決于兩個因素：a)物料粒徑小，且高度分散，接觸面積大；b)脫除的水分一般是表面水。反過來說，大顆粒物料，以及含有難脫除的微孔水或結(jié)合水的物料通常不宜采用氣流干燥。氣流干燥過程中氣體與顆粒間的相對速度基本上等

26、于有stocks定律決定的沉降速度。從傳遞的觀點(diǎn)來看，并不是很有限的，物料停留時間也限制了它的應(yīng)用。因此，氣流干燥的改進(jìn)就主要集中在兩個方面: a)提高傳遞速度；b)增加停留時間。</p><p>　　總的來說，對于氣流流化干燥機(jī)工藝，射流沖擊噴嘴的結(jié)構(gòu)、外形尺寸、噴嘴高度、噴嘴間距以及噴嘴排列形式、氣流沖擊的輻射距離等是氣體射流沖擊物料時影響傳熱傳質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)因素，而氣流的沖擊速度及氣體的狀態(tài)參數(shù)則是影響其傳熱

27、傳質(zhì)的工藝因素。概括來講，影響氣流干燥器干燥效果的因素主要有以下幾點(diǎn):</p><p>　　a)熱風(fēng)溫度 對整個熱風(fēng)干燥過程來說，熱風(fēng)溫度不僅決定著整個干燥過程的干燥速度，而且對產(chǎn)品的最終干燥質(zhì)量也有著很大的影響。沖擊氣流溫度高時，單位熱耗低，汽化強(qiáng)度高，但溫度過高易發(fā)生“灼傷”物料的現(xiàn)象；溫度過低，又會使干燥時間過長而耗費(fèi)能源。</p><p>　　b)氣流流速 氣流流化床干燥技術(shù)的

28、特點(diǎn)之一是從噴嘴噴出的氣流具有較高的速度（與常規(guī)熱風(fēng)干燥技術(shù)相比）。當(dāng)高速氣流近距離沖擊物料時，就會在物料表面產(chǎn)生非常薄的氣體邊界層，因而具有較高的傳熱系數(shù)。噴嘴出口氣流速度對汽化強(qiáng)度的影響總體不大，但汽化強(qiáng)度隨噴嘴出口氣流速度增加而呈微弱增加的趨勢。</p><p>　　c)干燥時間 干燥時間與熱風(fēng)溫度密切相關(guān)。干燥初期，物料的含水量較高，如果將干燥時間控制在極短的時間內(nèi)，那么熱風(fēng)溫度即使很高也不會損傷物料；

29、反之，如果干燥時間很長，那么即使熱風(fēng)溫度較低，物料也可能受損傷，造成品質(zhì)發(fā)生較大的變化。干燥時間的長短直接影響著干燥產(chǎn)品的最終品質(zhì)以及整個干燥過程的能源消耗。</p><p>　　d)噴嘴結(jié)構(gòu) 噴嘴從開孔的幾何形狀上可分為圓形和條形兩大類。氣流入口和出口的幾何形狀有平滑過渡和非平滑過渡兩種；噴嘴有入口與出口直徑一致的長管式噴嘴和直接沖孔或鉆孔的噴嘴兩種。圓形噴嘴與條形噴嘴的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用目的各不相同，但從傳熱系

30、數(shù)來看，在開孔率相同時（1%～4%），矩陣排列的圓形噴嘴的傳熱系數(shù)要比矩陣排列的條形噴嘴高50%～100%。</p><p>　　e)噴嘴直徑 顆粒物料受到加熱氣流的沖擊作用后，在一定力的作用下會使物料產(chǎn)生類似流化狀態(tài)的運(yùn)動，而物料的運(yùn)動就是干燥與加熱的過程。物料的運(yùn)動不僅使其保持了氣體射流沖擊技術(shù)高傳熱系數(shù)的特點(diǎn)，而且還消除了傳熱不均的弊病。以圓形噴嘴為例，噴嘴直徑D 越大，物料在氣流沖擊作用下產(chǎn)生流態(tài)化狀態(tài)

31、所需的噴嘴出口風(fēng)速就越低，但物料流化時的風(fēng)量比也隨噴嘴直徑的增加而增加.</p><p>　　f)噴嘴間距 噴嘴間距是多個噴嘴排列時的一個重要計(jì)算指標(biāo)。因?yàn)楫?dāng)氣流從噴嘴噴出時，噴出氣流將不斷與周圍介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量和動量的交換，帶動周圍介質(zhì)流動，使噴射出的流體質(zhì)量增加動量降低，并隨著氣流噴射距離的增加，流體的橫斷面不斷增加。這種現(xiàn)象在噴射沖擊中稱為挾帶。由氣流噴射的特征知，挾帶的主要影響因素是噴嘴出口的直徑、兩噴嘴間

32、距和噴嘴高度。</p><p>　　g)噴嘴高度 噴嘴高度是指氣流噴射時的氣流出口沿噴嘴方向到滾筒最底端的距離。噴嘴高度不僅直接影響風(fēng)量比的變化，而且還對隨流化程度變化的風(fēng)量比有著一定的間接影響。此外，噴嘴高度還會對滾筒的填充率有一定的影響。</p><p>　　h)噴嘴傾角 由于滾筒的轉(zhuǎn)動，使得整體物料表面與水平面之間存在著一定的物料傾角β。滾筒轉(zhuǎn)速不同，β值也不同。對噴嘴傾角θ 的

33、定義為：3排噴管中中間一排噴管與鉛垂方向所夾的角度。對不同的物料傾角取不同的噴嘴傾角時，干燥效果也會有所不同。</p><p>　　以上是影響氣流干燥機(jī)的主要因素，干燥設(shè)備與技術(shù)先進(jìn)與否將直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及產(chǎn)品的競爭力。近年來國內(nèi)的干燥技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展速度是異常迅猛的，但在開發(fā)、設(shè)計(jì)和使用等方面還存在著一定的問題，它們危害是不容忽視的。在開發(fā)和設(shè)計(jì)中，我國目前眾多的干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制大多是對國外先進(jìn)技術(shù)與

34、設(shè)備的消化吸收的基礎(chǔ)上完成的，這之中就存在這消化吸收不徹底的情況。于是，在設(shè)備的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)中就存在著不少的問題：許多設(shè)備的設(shè)計(jì)大都采用模擬設(shè)計(jì)或相似設(shè)計(jì)的方法，通常是繪制樣機(jī)，然后對各部分進(jìn)行比例放大或縮小，部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行消弱或加強(qiáng)或略有改進(jìn)，以適應(yīng)自己的生產(chǎn)條件或能力。這樣的設(shè)計(jì)具有一定的盲目性和風(fēng)險性，其效果只有在樣機(jī)生產(chǎn)出來以后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能知道，很難預(yù)知產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理，總體參數(shù)、各零部件參數(shù)一級作業(yè)參數(shù)選擇是否合理、是否達(dá)到最佳。

35、在生產(chǎn)單位中，干燥設(shè)備一般都屬于大型設(shè)備，這樣以來，對資金是極大的浪費(fèi)。在干燥設(shè)備的使用方面，存在著很大的盲目性和被動性。干燥設(shè)備所需配套不見特別多，這些部件的結(jié)構(gòu)形式，作業(yè)參數(shù)等均對干燥質(zhì)量造成一定的影響。安裝用戶若缺乏理論上的了解，就不能對操作系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而對于使用單位</p><p><b>　?。?）常見技術(shù)類型</b></p><p>　　氣流干燥機(jī)有很多

36、種，現(xiàn)在簡要介紹幾種：</p><p>　　a）環(huán)形噴射氣流干燥機(jī) 該裝置由干燥段，輸送段，循環(huán)段，分級室組成，濕粉狀或?yàn)V餅狀物料由螺旋輸送器輸入,泥漿或液態(tài)類由高精度泥漿泵輸入，未干燥完全的物料可以再次通過循環(huán)段進(jìn)入干燥室干燥。物料的含水量越高，干燥時間越短。比如蒸發(fā)98%的水只需要0.1s，剩余水的蒸發(fā)時間較長。該裝置高溫高壓的氣流噴嘴可以實(shí)現(xiàn)瞬時氣流干燥，干燥效率高，可用于泥狀物的干燥。而且產(chǎn)品溫度幾乎不

37、升高，所以可干燥熱敏性物料和低熔點(diǎn)物料。</p><p>　　b）帶式穿流干燥機(jī) 該裝置由若干單組成，每一單元熱風(fēng)獨(dú)立循環(huán)，部分尾氣由專門的排濕口排出，熱氣的傳輸過程中可以帶走物料表面的水分。該裝置的速度可以根據(jù)物料的濕度自行調(diào)節(jié)，操作非常方便。</p><p>　　c）脈沖氣流干燥機(jī) 使用高速熱氣流使得物料懸浮在其中，通過熱交換達(dá)到使物料水分散失的目的，這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，效

38、率高，缺點(diǎn)是流動阻力大，動力耗能也大。</p><p>　　流化干燥可以節(jié)約能耗，并且可以干燥大量不同類型的物料。由于流化干燥是一種典型的流態(tài)化操作過程，屬于流態(tài)化技術(shù)范疇。所謂流態(tài)化技術(shù)即是指利用流動流體的作用，促使大量固體顆粒懸浮于流體介質(zhì)中，從而使得固體顆粒呈現(xiàn)出類似于流體的某些表觀特性的過程操作。因此，圍繞著設(shè)備內(nèi)部物料的更好流化，目前該類干燥機(jī)設(shè)計(jì)有多種機(jī)型，總體有如下幾種：</p>&l

39、t;p>　　a)帶攪拌流化床干燥器 該裝置由干燥器、排風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器、攪拌器、粗細(xì)顆粒分級用空氣、空氣加熱器、過濾機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)組成，該裝置可以防止因流化不良導(dǎo)致死床。</p><p>　　b）內(nèi)熱式流化床干燥器 跟一般的干燥器相比，也就是在裝置里面加入了換熱器或旋轉(zhuǎn)式換熱器，它通過換熱提供大部分的熱量，而不是通過輸入熱風(fēng)的方式。這樣起到節(jié)能的作用，在崇尚環(huán)保的當(dāng)今社會里比較適用。</p>

40、<p>　　c）旋轉(zhuǎn)高速干燥機(jī) 它相當(dāng)于帶攪拌的錐形流化床，它主要是由加熱器、流化床、內(nèi)熱管、旋轉(zhuǎn)分離器、加料器、風(fēng)機(jī)組成，它其中壁層分布著空氣冷卻夾套，防止?jié)窳线^熱，它的主要部位呈錐形，上部速度小，下部速度大，可以使?jié)窳狭髁烤鶆?，而且它可以控制粗?xì)粒度均勻分布。它的攪拌裝置可以使周圍溫度適中，不至于過冷或過熱。該裝置體積小，生產(chǎn)能力大，值得推廣，有利于將來的生產(chǎn)。</p><p>　　d）流化床噴霧

41、造粒干燥 它是霧化，液化，干燥三者的結(jié)合，它是由加熱器、排風(fēng)機(jī)、袋濾器、泵等組成，這種設(shè)備體積小，生產(chǎn)能力大，造粒直徑寬，在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸大量使用。如今流化床噴霧造粒干燥又衍生出好幾種類型的干燥機(jī)，如在螺旋出料器中設(shè)置流化分級裝置，或在中心出料管中通入分級空氣等。</p><p>　　e）對撞流干燥 通過一些資料表明，該裝置是一種新型裝置，目前還處于研究狀態(tài)。該裝置干燥強(qiáng)度大，所以干燥所使用的時間很短。高度湍

42、流、顆粒的懸浮流動、顆粒振蕩與穿透在機(jī)內(nèi)綜合作用導(dǎo)致干燥強(qiáng)度很大。這種裝置主要是由預(yù)干燥器，干燥器、加速管等組成，汽固液三種介質(zhì)在里面混合，劇烈傳熱傳質(zhì)，使物料迅速干燥。</p><p>　　此外工業(yè)上還有一種基于熱氣流傳熱和傳質(zhì)的干燥操作技術(shù)即噴霧干燥，常被選作氣流流化干燥操作效果判定的對照干燥操作。噴霧干燥可直接將溶液或懸浮體制得成分均勻的粉狀產(chǎn)品。噴霧干燥可以有旋轉(zhuǎn)式，氣流式，壓力式這幾種方式。</p

43、><p>　　a）旋轉(zhuǎn)式 有高速離心霧化器，型號以水分最大蒸發(fā)量命名，熱源可以為蒸汽，電，或其他設(shè)備。霧化器轉(zhuǎn)速越高，噴霧盤直徑越小，水分蒸發(fā)量則越大。該裝置的中心載體是霧化器，主要是將物料盛在該裝置中，然后通過霧化器的高速旋轉(zhuǎn)和不斷的通入熱風(fēng)，促進(jìn)水分的大量流失，從而達(dá)到干燥的效果。</p><p>　　b）壓力式 對熱敏性產(chǎn)品采取并流操作，如奶粉，藥品等，對無機(jī)產(chǎn)品采取逆流操作。壓力式

44、噴霧干燥機(jī)呈瓶狀，該裝置主要有熱風(fēng)進(jìn)入口，和熱風(fēng)排出口，在將原液導(dǎo)入裝置瓶的過程中，排入熱風(fēng)，通過不多地排出熱風(fēng)，施加壓力，促使原液干燥，然后從一個小口里排出產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是干燥速度快，效率高,缺點(diǎn)是當(dāng)加熱溫度低于150℃時，其容積傳熱系數(shù)低，需要較大的容積；熱效率較低；氣固物料分離要求高，一般需要兩級除塵。</p><p>　　c）氣流式 用于難霧化的膏糊狀物的干燥，氣流式噴霧干燥機(jī)的結(jié)果比較復(fù)雜，主要由鼓風(fēng)機(jī)、

45、料槽、干燥器、旋轉(zhuǎn)干燥器、旋風(fēng)分離器、布袋過濾器、排風(fēng)機(jī)等構(gòu)成，濕料從料槽進(jìn)入，由鼓風(fēng)機(jī)吹出的熱風(fēng)經(jīng)干燥器、旋轉(zhuǎn)干燥器、旋風(fēng)分離器、布袋過濾器，然后由出料口排出干料。由于該方式操作比較復(fù)雜，動力耗能大，所以一般生產(chǎn)中不會采用該方式。</p><p>　　1.2.1.3 惰性粒子流化干燥</p><p>　　近些年來，國內(nèi)外興起了一種高效低耗的新型流化床干燥器，即惰性粒子流化床干燥器，它與傳

46、統(tǒng)流化床干燥器的不同主要在于其內(nèi)部填充有某種惰性粒子。操作時，物料被輸送至床內(nèi)并覆蓋在惰性粒子的表面，跟隨粒子一起翻滾，并通過與熱氣流的相際接觸，達(dá)到物料除濕的目的。當(dāng)物料在床內(nèi)干燥后，彈塑性料膜將轉(zhuǎn)化為彈脆性，且在粒子彼此間碰撞力的作用下，自粒子的表面呈片狀或粉狀脫落，隨后由尾氣帶出干燥器。由于惰性粒子彼此間的連續(xù)碰撞，不斷破壞了物料變干后的料膜，使得干燥過程多數(shù)維持在恒速干燥階段操作。此外，因惰性粒子的存在，也顯著增大了干燥傳熱與傳

47、質(zhì)的表面積，故與傳統(tǒng)的流化床干燥器相比，該類干燥器的操作性能較為優(yōu)異。</p><p>　　與其他類型流化床干燥器不同，惰性粒子流化床干燥器較為適合膏狀、液狀和漿狀等物料的干燥。此外，惰性粒子流化床干燥器還具有裝置體積小、熱效率高、流體力學(xué)狀況穩(wěn)定、操作可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在用氣量大、床層壓降高、尺寸要求嚴(yán)格、工業(yè)放大設(shè)計(jì)困難等一些缺陷和不足。在惰性粒子流化床干燥器出現(xiàn)以前，有關(guān)膏狀物料的干燥，多采用廂式干

48、燥、噴霧干燥和旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥等，而對于液狀和漿狀物料的干燥，則多采用噴霧干燥和滾筒干燥等。廂式干燥的缺點(diǎn)主要是干燥周期長，熱利用率低，物料在干燥過程中易氧化而使得產(chǎn)品的外觀顏色偏深。噴霧干燥技術(shù)雖然操作工藝相對成熟，干燥時間短，可得粉狀或粒狀產(chǎn)品，但其體積傳熱系數(shù)偏小、設(shè)備體積龐大，投資費(fèi)用較高，且當(dāng)處理膏狀物料時，霧化前一般還需另行加水和打漿處理。旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥雖可直接處理膏狀物料，無需加水打漿，且脫水速率也較快，但操作中極易出現(xiàn)物料掛壁

49、和結(jié)疤等問題。此外，噴霧干燥與旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥對于膏狀物料的粘稠度也均有一定的限制。滾筒干燥雖可用于液狀或漿狀物料的干燥，熱利用率也較高，但因干燥深度有限，同時由于物料在滾筒表面常因過熱脫水而焦化，故產(chǎn)品的質(zhì)量一般很難得以保證。就目前的工業(yè)</p><p>　　惰性粒子流化床干燥器與其他的流化床干燥器相比，其研發(fā)與推廣工作起步較晚。前蘇聯(lián)學(xué)者于20世紀(jì)60年代進(jìn)行了惰性載體流化干燥懸浮液、溶液及膏狀物料的研究，并于2

50、0世紀(jì)70年代取得了初步進(jìn)展，在工業(yè)上有了一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。美國于1975年公布的有關(guān)流態(tài)化干燥器的專利中，也初步介紹了當(dāng)時美國在這方面的研究情況。我國于20世紀(jì)70年代也曾出現(xiàn)過類似的惰性粒子流化床干燥器，主要用于二氧化鈦和代森鋅的干燥生產(chǎn)。但由于當(dāng)時的工藝?yán)碚撍?，普遍采取將膏狀物料稀釋并霧化后再進(jìn)行流化處理，故操作工序相對繁瑣，同時又由于熱源等方面也未能得到很好地匹配，結(jié)果導(dǎo)致干燥器的熱效率低下，而操作成本卻相反升高，故該類設(shè)備未

51、能得到及時地應(yīng)用與推廣。目前，有關(guān)惰性粒子流化床干燥器的新一輪理論與應(yīng)用研究，在國內(nèi)外又正在蓬勃興起。就國內(nèi)而言，相關(guān)的研究單位主要有天津科技大學(xué)、天津大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)和上?；ぱ芯吭旱龋@些科研院所不僅已成功地將該類干燥器應(yīng)用于腐植酸膠體溶液、山梨醇、中藥及微生物等制品的干燥處理，且還初步開發(fā)出了振動式、噴動式和攪拌式等一些新型的惰性粒子流化床干燥器，取得了十分可喜的研究業(yè)績。但總體而</p><p&g

52、t;　　1.2.2 流化干燥的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　流化床的工業(yè)生產(chǎn)是一個機(jī)理復(fù)雜的操作過程，長期以來，圍繞著流化床的整體優(yōu)化，學(xué)者們開展了大量的實(shí)驗(yàn)與理論探索，涉及的課題主要有：顆粒與氣體的流動特性、床層的膨脹與壓降、床內(nèi)的傳熱與傳質(zhì)、床層結(jié)構(gòu)對流態(tài)化的影響、顆粒的夾帶、分離及輸送等。初期，學(xué)者們主要通過改變流化床的物理尺寸或操作參數(shù)等實(shí)驗(yàn)條件，獲取并積累一些運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與系統(tǒng)操作。后

53、來隨著研究的不斷深入，人們才逐漸認(rèn)識到流化床的穩(wěn)定性和高效性乃主要受制于床內(nèi)的氣流分布及顆粒的動力學(xué)行為，于是一些先進(jìn)的檢測儀器或測試手段，如激光多普勒測速儀、顆粒動態(tài)分析儀、高速攝影、示蹤離子和圖像處理技術(shù)等被大量地引入到流化床的研究中，從而為流化床系統(tǒng)的流動參數(shù)的瞬態(tài)或多維測量提供了便利。然而，由于任何測試技術(shù)在其適用對象上均具有自身的局限性及所測數(shù)據(jù)的不完全性，故到目前為止，學(xué)者們?nèi)圆荒芎芎玫貙α骰a(chǎn)數(shù)據(jù)給予一個全面和透徹的解釋

54、。相應(yīng)地，人們對于流化床的機(jī)理認(rèn)識及其?；芯康裙ぷ饕策€遠(yuǎn)不盡完善，多還僅限于某一流化類型或某些流化現(xiàn)象的探討。</p><p>　　流化干燥作為流化床工業(yè)生產(chǎn)的一個重要分支，其?；夹g(shù)也是隨著整個流化床工業(yè)理論的進(jìn)步而發(fā)展。當(dāng)前，流化床的理論更新較快，模型形式也眾多，可簡要概括為無量綱模型、經(jīng)典數(shù)學(xué)模型和多相流體力學(xué)模型，現(xiàn)分別予以討論。</p><p>　　無量綱模型一般是通過量綱分析

55、法建立的，它首先將影響流化過程的眾多變量整合為若干個無量綱的數(shù)群，然后再結(jié)合流化實(shí)驗(yàn)，擬合得到各數(shù)群的指前參數(shù)與冪指數(shù)值。由于量綱分析法無需對被研究的對象或現(xiàn)象做出本質(zhì)的認(rèn)識，且數(shù)群的數(shù)目總是小于變量的數(shù)目，故該法極大簡化和減少了研究的難度及實(shí)驗(yàn)工作量。雖然量綱分析法仍只是停留在經(jīng)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，通常并不能外推使用，但因所建模型的針對性較強(qiáng)、求解相對簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，故受到了學(xué)者們的普遍推崇與喜愛，尤其是在研究機(jī)理復(fù)雜的流化干燥操作中，量

56、綱分析法通常有著廣泛而重要的用途。Jones、Blyakher、Knowlton及Blake等分別利用量綱分析法，針對流化流場中的不同現(xiàn)象，分別建立并報(bào)道了各自的無量綱模型。其中，Blake明確提出了描述流化床特性的四個無量綱數(shù)群，即弗魯?shù)聰?shù)、斯托克斯數(shù)、雷諾數(shù)和氣固密度比，并據(jù)此確定了床內(nèi)流化流動的狀態(tài)，同時還推導(dǎo)了可描述床內(nèi)射流高度的數(shù)學(xué)模型，故可堪稱為量綱分析法在流化床模化研究中的一個經(jīng)典范例。</p><p&

57、gt;　　經(jīng)典數(shù)學(xué)模型一般是在對現(xiàn)象的本質(zhì)有了一定認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)理假設(shè)和公式推導(dǎo)而建立起來的理論描述模型。該類模型多只是從某一固定的角度對現(xiàn)象的本質(zhì)做出描述，而從其他的角度考察，這種描述可能并不合理，故該類模型在應(yīng)用上也存有一定的局限性。由于經(jīng)典數(shù)學(xué)模型的方程形式一般較為簡潔，多為代數(shù)方程或常微分方程，且模型本身也在很大程度上簡化了問題的復(fù)雜性，故經(jīng)典數(shù)學(xué)模型對于流化床的理論研究也顯得十分珍貴。早期的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型多為單相模型，即假

58、設(shè)床內(nèi)只存在單一相，且將床內(nèi)的流動也近似視為平推流、完全混合流或帶軸向擴(kuò)散的平推流。顯然，此種假設(shè)與真實(shí)情況偏差較大，故通常并不能很好地解釋為什么床內(nèi)轉(zhuǎn)化率低于全混釜的原因。為此，針對單相模型，Davidson、Jackson和Aervedo等學(xué)者相繼開展了大量的改進(jìn)研究，并先后提出了氣泡模型、兩相模型、三相模型和隨機(jī)模型等。他們在一定程度上豐富和發(fā)展了經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，但同時仍存在著模型假設(shè)或簡化條件過多的弊端，以致使得計(jì)算結(jié)果通常與真實(shí)

59、情況之間還存在較大的偏差。</p><p>　　相比無量綱模型和經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，多相流體力學(xué)模型的理論推導(dǎo)較為嚴(yán)密，它通常是基于質(zhì)量、動量和能量三大守恒定律推導(dǎo)而得。多相流體力學(xué)模型的形式眾多，大致可概括為四大類型，即分散顆粒軌道模型、小滑移連續(xù)介質(zhì)模型、滑移連續(xù)介質(zhì)模型和滑移擴(kuò)散連續(xù)介質(zhì)模型。其中，除分散顆粒軌道模型是在拉格朗日坐標(biāo)系下考察分散相外，其他三大類模型均是基于歐拉坐標(biāo)系研究多相流體的運(yùn)動問題。上述四類

60、模型中，以歐拉/拉格朗日坐標(biāo)系下的粒子分散模型和歐拉/歐拉坐標(biāo)系下的雙流體模型最具代表性，應(yīng)用也最為廣泛。研究表明，對于固體顆粒有著復(fù)雜變化的流化床流場體系，宜采用粒子分散模型進(jìn)行描述。該模型不僅可詳細(xì)地分析粒子與粒子、粒子與流體之間復(fù)雜的作用關(guān)系，而且可有效避免固相黏性系數(shù)、壓力等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)化處理，同時還較好預(yù)防了顆粒相數(shù)值解的偽擴(kuò)散等問題。正如Gera等指出，粒子分散模型能很好地模擬氣固兩相流流場中眾多的復(fù)雜現(xiàn)象。Cundal等提出

61、的分散單元模型即屬一個典型的粒子分散模型，它首先對粒子之間的彼此碰撞力進(jìn)行了分解，進(jìn)而確定出粒子在各個方向上的運(yùn)動狀態(tài)，其中粒子之間的碰撞作用力被?；蓮椥宰饔谩⒆枘嶙饔煤突瑒幼饔萌齻€部分。有</p><p>　　流化床數(shù)學(xué)模型對于流化干燥的?；芯烤哂惺种匾慕梃b意義，尤其是氣固流化床模型，可直接用于指導(dǎo)同屬該范疇的惰性粒子流化干燥的?；芯俊Ｅc流態(tài)化過程一樣，流化干燥的過程規(guī)律也極其復(fù)雜，迄今也尚未能建立完

62、整的系統(tǒng)理論對其進(jìn)行全面的機(jī)理認(rèn)識，有關(guān)流化干燥現(xiàn)象的一些基本過程還多只能依靠大量實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述。</p><p>　　如前所述，由于流化干燥過程的熱質(zhì)傳遞性能很大程度上要受制于床內(nèi)分散相和連續(xù)相的流化行為，因此床內(nèi)流體力學(xué)特性的模擬是流化干燥模化研究的一個重要內(nèi)容。對于氣固流化床，其流體力學(xué)理論主要包括初始化條件和床層壓降兩方面內(nèi)容，同時它們也是氣固流化床理論研究和工程應(yīng)用中需要考慮的兩個基

63、本問題。在流化床操作中，當(dāng)氣流速率超過某一限度后，床內(nèi)的固相便開始流態(tài)化，床層即由固定床轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰?，此氣流速率的限度值稱為臨界流化速率或最小流化速率。臨界流化速率是流化床設(shè)計(jì)和操作的重要依據(jù)之一，但由于流態(tài)化過程本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致了對臨界流化速率的模型預(yù)測還存在著諸多的困難或不確定性。研究表明，臨界流化速率主要是受制于固體顆粒的物性、力的平衡和床層壓降等因素，相關(guān)的模型研究也都側(cè)重于對這些因素的考察。Kmiec、Sombreiro、W

64、en、Agarwal、Olowson、Hilal及Bernard等均進(jìn)行了臨界流化速率的建模研究，分別從不同角度計(jì)算了臨界流化速率的變化，或分析了臨界流化速率對床內(nèi)流化狀態(tài)的影響。床層壓降作為流化床設(shè)計(jì)和操作的另一重要參數(shù)，其?；芯恳噍^為復(fù)雜。Kmiec、張瑞英、Biswal、Ag</p><p>　　由上可知，流化床的模化技術(shù)研究進(jìn)展較快，尤其是隨著多相流體力學(xué)模型的創(chuàng)立與日臻完善，為今后流化床工業(yè)的高速發(fā)展

65、提供了極大可能，勢必將成為流化床工業(yè)設(shè)計(jì)與過程優(yōu)化的重要理論依據(jù)。</p><p>　　1.2.3 CFD模擬理論與方法</p><p>　　1.2.3.1 CFD技術(shù)簡介</p><p>　　CFD是一門對工程中流體流動、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流等進(jìn)行數(shù)值預(yù)測和工程模擬的研究技術(shù)。在相關(guān)的CFD軟件中，只要我們輸入描述過程現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算數(shù)學(xué)

66、理論進(jìn)行求解，求解值即為對于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的預(yù)測結(jié)果。因此，利用CFD軟件，研究者可通過調(diào)整模型中的變量，在較短時間內(nèi)搜索得到最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果，從而確定出模型變量的最佳取值。</p><p>　　CFD是在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程組，并且對上述現(xiàn)象進(jìn)行過程模擬。CFD可用來進(jìn)行流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究，復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，了解在燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和

67、較短的時間獲得大量有價值的研究結(jié)果，對投資大、周期長、難度高的實(shí)驗(yàn)研究來說，CFD的有點(diǎn)就更為突出。因此，將CFD與工程研究相結(jié)合，不僅有助于工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)，而且能減少實(shí)驗(yàn)的工作量?？梢哉f，CFD是一種有效和經(jīng)濟(jì)的研究手段。換言之，CFD是一種可以通過計(jì)算機(jī)生成數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的技術(shù)。它是把一些在空間和時間上連續(xù)的物理量的場用一些離散點(diǎn)的變量集合來代替，通過一定的方式來建立關(guān)于這些離散點(diǎn)的代數(shù)方程式，然后求解方程式得出這些變量集合，從

68、而得出場的近似值的過程。CFD數(shù)值模擬可以看作是在質(zhì)量守恒方程，能量守恒方程等諸如這種平衡方程的控制下對流動的模擬，在氣流干燥方面，就是對氣流和物料流動的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬已經(jīng)成了工程中許多領(lǐng)域的一種較為先進(jìn)的研究方法。簡言之，CFD方法是近代流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物, 是利用高速計(jì)算機(jī)求解控制流體流動的偏微分方程組，</p><p>　　N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律，可精確描述了自然

69、界流體流動現(xiàn)象。但由于絕大多數(shù)工程上流體都屬于高度非線性的，無法通過求解此微分方程得到解析解。隨著計(jì)算科學(xué)工程(Computational Science and Engineering，簡稱CSE)的日益發(fā)展，人們試圖通過數(shù)值方法直接求解各種控制方程，工業(yè)也要求用數(shù)值模擬手段解決各種設(shè)備及過程的設(shè)計(jì)與模擬，從而形成和發(fā)展了計(jì)算流體力學(xué)這一學(xué)科分支。</p><p>　　將CFD用于化工過程的建模、化學(xué)反應(yīng)器和結(jié)

70、晶器的設(shè)計(jì)與放大是現(xiàn)代高科技與傳統(tǒng)科學(xué)相結(jié)合的典范。CFD 摒棄傳統(tǒng)化工過程的建模方式，用詳盡、真實(shí)和生動再現(xiàn)的方式來描述化工過程，因而被稱之為“虛擬真實(shí)”(virtual reality)之法。此應(yīng)用因其可靠、經(jīng)濟(jì)和快速，已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛重視并成為世界化工新興前沿領(lǐng)域。</p><p>　　計(jì)算流體力學(xué)和相關(guān)的計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義的標(biāo)量的

71、微分方程組。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)日益成熟，一個主要的標(biāo)志就是各種CFD通用商務(wù)軟件陸續(xù)出現(xiàn)，專門用來進(jìn)行流場分析、流場計(jì)算、流場預(yù)測。除了應(yīng)用于航空、航天、船舶、水利方面外，應(yīng)用的范圍逐步擴(kuò)大到化工、冶金、建筑、環(huán)境、食品等相關(guān)領(lǐng)域。通過CFD軟件，可以分析、顯示流場中的現(xiàn)象，在較短時間內(nèi)預(yù)測其性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機(jī)理，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人

72、力、物力和時間，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用，是十分有利的。</p><p>　　計(jì)算數(shù)學(xué)中，將具體的流場控制方程分為3類：橢圓型、拋物型和雙曲型方程。橢圓型方程與時間變量無關(guān)，僅與空間變量的二次導(dǎo)數(shù)項(xiàng)有關(guān)，一般用作描述定常情況的控制方程。拋物型與雙曲型方程不僅與空間變量導(dǎo)數(shù)項(xiàng)有關(guān)，而且與時間變量的一階和二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)有關(guān)，被用作描述非定常情況下的控制方程。求解偏微分方程的數(shù)值方法主要分為有限差分

73、法、有限元法及有限體積法3種。他們中的任意一種都可以用來求解偏微分方程，但求解的精度不一樣。對這3種不同類型方程數(shù)學(xué)上已經(jīng)發(fā)展出不同的穩(wěn)定、收斂的算法。一般，對于橢圓型方程使用有限元法、對于拋物型和雙曲型方程則使用有限體積法。</p><p>　　就研究歷史來看，CFD是20世紀(jì)60年代伴隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值算法的進(jìn)步而迅速崛起的新興技術(shù)。由于受到當(dāng)時計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算費(fèi)用的制約，早期CFD只在核工業(yè)和航空領(lǐng)域中應(yīng)用，

74、主要用于解決計(jì)算流體力學(xué)中一些基本的理論問題，如模型方程（湍流、流變、傳熱、輻射、氣體-顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等）、數(shù)值方法（差分格式、代數(shù)方程求解等）、網(wǎng)格劃分、程序編寫與實(shí)現(xiàn)等，同時也初步涉及網(wǎng)格變換等問題。其中，Patankar等學(xué)者發(fā)表的用于描述外部繞流問題的拋物線偏微分方程P-S法，以及解決內(nèi)流問題的SIMPLE算法等，都是當(dāng)時具有代表性的研究成果。到了70年代中后期，隨著數(shù)值預(yù)測、原理和方法的不斷完善，學(xué)者們已開始探討CF

75、D在解決實(shí)際工程問題中的可行性、可靠性和工業(yè)推廣等課題，研究也逐漸向氣固、液固多相流、化學(xué)反應(yīng)流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等諸多復(fù)雜流動問題中拓展。到了80年代初期，CFD已成功運(yùn)用于汽車制造業(yè)和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域，但此時工業(yè)界對于CFD技術(shù)的應(yīng)用前景并未明朗，仍普遍處于觀望階段，缺乏必要和足夠的研發(fā)熱情。為此，CHAM公司和Patankar等學(xué)者在發(fā)達(dá)國家的工業(yè)界開展了大量艱苦的推介工</p><p>　　1

76、.2.3.2 CFD計(jì)算特點(diǎn)</p><p>　　CFD這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：能合理配置資源，有很大的靈活性、不受物理模型的限制，能模擬任何數(shù)值，甚至能模擬特殊狀態(tài)下的真實(shí)條件，而實(shí)驗(yàn)有時并不能制造如此特殊的環(huán)境；它能提高一定的實(shí)驗(yàn)效率；并且經(jīng)過一定處理后就可以使得結(jié)果可視化，我們可以很直觀地通過數(shù)字和圖像觀察到是否適宜采用所實(shí)驗(yàn)的技術(shù)或器材，不需要像實(shí)際生產(chǎn)那樣。通過實(shí)際生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)，有時可能會導(dǎo)致原材料及資源的浪費(fèi)

77、，造成不必要的損失，然后可能還看不到預(yù)測的結(jié)果。CFD彌補(bǔ)了這一缺陷。</p><p>　　而且采用CFD技術(shù)，克服了模型試驗(yàn)中的耗人力物力以及實(shí)驗(yàn)中模型尺寸、流場干擾等自身?xiàng)l件的限制，能夠形象地再現(xiàn)流動情景，將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)上，并且能夠節(jié)約很大的成本，做到了節(jié)能減排，是一種越來越流行的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。</p><p>　　如果CFD的計(jì)算解中基本上含有了流動中的所有重要的物理性質(zhì)，那么CFD

78、技術(shù)(計(jì)算機(jī)程序本身)就象一個儀器，可以用來進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，幫助理解流動的基本性質(zhì)。這些數(shù)字化實(shí)驗(yàn)都是對于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的直接模擬。然而如此先進(jìn)的技術(shù)，還是具有一定的自身局限性。</p><p>　　如果該物理過程在所研究問題公式化的過程中，并沒有被正確地涵蓋進(jìn)去，那么CFD技術(shù)是不能重現(xiàn)這種現(xiàn)象的。其中最重要的例子就是湍流現(xiàn)象。目前大多數(shù)湍流問題的CFD的解所包含的湍流模型或是真實(shí)物理現(xiàn)象的近似，或者是依賴于湍流模型

79、中各種常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，雖然對于一些情況的某些計(jì)算是合理的，但是所有湍流流動的CFD解仍被準(zhǔn)確性的問題所困擾。另一個例子就是化學(xué)反應(yīng)流動的計(jì)算。由于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速率的機(jī)理以及反應(yīng)常數(shù)經(jīng)常是非常不準(zhǔn)確的，所以所有這種情況下的CFD解都會被這種不確定性所影響。</p><p>　　因此從這幾方面來看，CFD還存在著一定的瑕疵，但人無完人，更何況是這種技術(shù)，我們需要在更多的學(xué)習(xí)中努力鉆研開發(fā)，使這種技術(shù)臻于完善。

80、</p><p>　　1.2.3.3 經(jīng)典商業(yè)化軟件</p><p>　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷提高，以及數(shù)值算法的日臻完善，出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的CFD商業(yè)化軟件，這使得學(xué)者們可以從算法、編程等一些繁瑣的研究工作或問題中解脫出來，以便更加專注地研究流體流動的本質(zhì)、初邊界條件以及計(jì)算結(jié)果的合理性等關(guān)鍵性問題。此外，運(yùn)用CFD模擬還可有效地避免實(shí)際試驗(yàn)的高成本等問題，且方便合理地配置操

81、作環(huán)境，進(jìn)而使目的流場充分均勻，同時結(jié)果也具可視化的特性。</p><p>　　在使用CFD軟件時，選擇合適的邊界條件對準(zhǔn)確反映流動性質(zhì)至關(guān)重要, 準(zhǔn)確合理的邊界條件是使CFD計(jì)算解正確的必要條件。目前 比 較 好的CFD軟件有：Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD，除FLUENT是美國公司的軟件外，其它二個都是英國公司的產(chǎn)品。</p><p>　　FLUENT是目前國際

82、上比較流行的商用CFD軟件包，在眾多的CFD商業(yè)化軟件中，總部設(shè)在美國的FLUENT公司推出的FLUENT軟件應(yīng)屬佼佼者。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在全球眾多的CFD研究與開發(fā)商中，F(xiàn)LUENT公司乃最大的廠商之一，其推出的FLUENT軟件約占該類市場總額的40%，在美國的市場占有率更達(dá)60%。凡是和流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方

83、面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括:燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。FLUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題。迄今為止，許多用戶使用FLUENT對流動和傳熱進(jìn)行了模擬計(jì)算。</p><p>　　CFX是由英國AEA公司開發(fā)，是一種實(shí)用流體過程分析工

84、具，其優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復(fù)雜的問題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學(xué)反應(yīng)，燃燒，NOX生成，輻射，多孔介質(zhì)及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、1000 Line, Stone和Block Stone解法。能有效、精確地表達(dá)復(fù)雜幾何形狀，任意連接模塊即可構(gòu)造所需的幾何圖形。CF

85、X的多相流模型可用于分析工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動。包括單體顆粒運(yùn)動模型，連續(xù)相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型。</p><p>　　PHOENICS是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件，世界上第一個投放市場的CFD軟件。網(wǎng)格系統(tǒng)包括:直角、圓柱、曲面(包括非正交和運(yùn)動網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以)、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格?？梢詫θS穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，

86、包括非牛頓流體、多孔介質(zhì)中的流動，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。</p><p>　　另一個CFD軟件STAR-CD的創(chuàng)始人與Phoenics的創(chuàng)始人Spalding都是英國倫敦大學(xué)同一教研室的教授，他們的軟件的核心算法大同小異。這一軟件在世界汽車工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛1161，用來分析汽油機(jī)、柴油機(jī)中的流動與傳熱問題。</p><p>　　可見，CFD模擬計(jì)算已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中快

87、捷高效的科學(xué)研究手段，可為諸如氣流流化床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供強(qiáng)大的計(jì)算功能。</p><p>　　第1.3節(jié) 課題的研究重點(diǎn)</p><p>　　圍繞著一種新型流化干燥機(jī)的床內(nèi)流場模擬及設(shè)備尺寸優(yōu)化，擬開展以下幾方面的研究工作：</p><p>　?。?）構(gòu)建新型干燥機(jī)的CFD計(jì)算網(wǎng)格模型；</p><p>　　（2）確定流場模擬的優(yōu)化指標(biāo)及計(jì)算邊

88、界條件；</p><p>　?。?）結(jié)合均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)安排法，開展設(shè)備結(jié)構(gòu)與尺寸的優(yōu)化考察。</p><p>　　第2章 設(shè)備內(nèi)部流場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　第2.1節(jié) 新型氣流干燥器</p><p>　　圖2-1示意了一類帶有折流板的氣流干燥器結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，因該干燥器的干燥室主體部分呈圓筒狀。由于該類干燥器的結(jié)構(gòu)簡單，且干燥

89、效果尚可，故在黏性不高、含水量較大的物料干燥中，經(jīng)常被采用。當(dāng)氣相流體在流化室內(nèi)流動時，勢必會導(dǎo)致相應(yīng)的阻力損失，即風(fēng)動力損耗。在一定的操作風(fēng)速或風(fēng)量下，為使得風(fēng)動力損耗降至最低，則應(yīng)存在流化室各結(jié)構(gòu)尺寸之間的最佳比例關(guān)系。</p><p>　　圖2-1中，已知某干燥室圓筒主體的直徑D=100 cm，高度H=150 cm，進(jìn)、出氣口的直徑分別為30 cm和40 cm。現(xiàn)擬結(jié)合CFD模擬而設(shè)計(jì)：欲使操作的壓降降至最

90、低，則最佳的上錐體高度h1、下錐體高度h2、折流板距離圓筒底截面的高度h3、及折流板的深度l，亦或，求得最佳的r1=h1/D，r2=h2/D，r3=h3/D和r4=l/D值。</p><p>　　第2.2節(jié) CFD流場計(jì)算與模擬</p><p>　　2.2.1 CFD流場方程</p><p>　　流體的流動規(guī)律可采用N-S控制方程組進(jìn)行描述，其表達(dá)式可寫為：<

91、/p><p>　　質(zhì)量守恒（連續(xù)）方程：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　動量守恒（N-S）方程：</p><p><b>　?。?-2a）</b></p><p><b>　?。?-2b）</b></p>

92、<p><b>　?。?-2c）</b></p><p><b>　　能量守恒方程：</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　式2-1至式2-3中ρ為密度，t為時間，V為速度矢量，u、v和w分別為V在x、y和z方向上的分量，μ為動力黏度，p為流體壓強(qiáng)，T為

93、溫度，K為流體傳熱系數(shù)，cp為比熱容，Su、Sv、Sw和ST均為廣義源項(xiàng)；和grad均為矢量符號，以任意矢量R為例有</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　若流體在流動過程中包含有不同組元之間的混合或相互作用，則流動系統(tǒng)還需遵守組分守恒定律，其對

94、應(yīng)的守恒方程可表達(dá)為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式2-6中cs為組分s的體積濃度，Ds為組分的擴(kuò)散系數(shù)，Ss為廣義源項(xiàng)。</p><p>　　由于N-S控制方程組自身并不封閉，需通過引入新的模型方程，使得原方程中的湍流脈動值與時均值等聯(lián)系起來。根據(jù)假定或處理方式的不同，引入模型可分為Reynolds應(yīng)力

95、模型和渦粘模型兩大類。其中，渦粘模型又可分為零方程模型、一方程模型和二方程模型。相比之下，零方程模型和一方程模型的計(jì)算速度較快，但精度偏低；Reynolds應(yīng)力模型的計(jì)算精度雖高，但計(jì)算量較大。二方程模型則介于兩者之間，其計(jì)算精度可滿足一般工程設(shè)計(jì)的需要，且計(jì)算速度也能為當(dāng)前的計(jì)算機(jī)所承受，故二方程模型的應(yīng)用最為普遍。二方程模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，它們均是在零方程模型的基礎(chǔ)上，通過

96、引入湍動能k和耗散率ε兩個湍流量而構(gòu)建得到的偏微分方程，其計(jì)算精度和計(jì)算速度分別依次遞增和遞減。</p><p>　　2.2.2 模型求算方法</p><p>　　控制方程的求解過程，實(shí)為求算變量于空間一系列離散點(diǎn)上的參數(shù)值，從而得到變量在空間上的分布，為此需首先將控制方程由微分形式離散轉(zhuǎn)換為代數(shù)形式，常見的轉(zhuǎn)換方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法等。其中，有限差分法發(fā)展較早、相對成熟

97、，可謂是數(shù)值解法中最經(jīng)典的方法之一，但對于邊界條件較為復(fù)雜的數(shù)值問題，該法應(yīng)用起來并不如后兩種方法簡便。有限元法的計(jì)算基礎(chǔ)是極值問題和劃分插值，其計(jì)算速率較慢，一般適于處理幾何或物理?xiàng)l件相對復(fù)雜的數(shù)值問題，故多被用于固體力學(xué)問題的分析與計(jì)算，而對于CFD問題，該法應(yīng)用并不普遍，但也有部分的CFD商用軟件目前采用了有限元法，如FIDAP等。相比于有限差分法和有限元法，有限體積法是近些年發(fā)展相當(dāng)迅速的一種離散化方法，其最顯著的特點(diǎn)是計(jì)算效率

98、高、內(nèi)存耗量少、數(shù)值穩(wěn)定性高及通用性好等，故已成為目前CFD商用軟件的絕對主導(dǎo)算法，F(xiàn)LUENT軟件即是基于有限體積法而編程發(fā)展起來的。</p><p>　　有限體積法又稱為控制體積法，其求算思路是首先將計(jì)算區(qū)域劃分為空間網(wǎng)格，使得各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的周圍均有一個互不重復(fù)的控制體積，再將待求解的控制方程對逐個控制體積進(jìn)行積分，進(jìn)而得到一組經(jīng)離散處理的代數(shù)方程，方程中的未知數(shù)即為各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量ø。就積分區(qū)域

99、的選取方法而言，有限體積法屬于加權(quán)余量法中的子域法。就離散方法而言，有限體積法可視為介于有限元法和有限差分法之間的一種算法，其目標(biāo)僅為尋求ø的節(jié)點(diǎn)值，這與有限差分法十分相似；但在尋求控制體積的積分時，有限體積法又需假定ø值在網(wǎng)格之間的分布規(guī)律即插值函數(shù)，故與有限元法又極為類似。不同的是，有限體積法的插值函數(shù)不僅可在算得控制體積的積分后直接舍去，且可根據(jù)計(jì)算需要，對控制方程中的不同項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)形式。</p

100、><p>　　2.2.3 模擬計(jì)算參數(shù)</p><p>　　設(shè)進(jìn)風(fēng)速率和進(jìn)風(fēng)溫度分別為12 m·s-1和393 K，如表2-1所列。</p><p>　　表2-1 模擬計(jì)算用的試驗(yàn)參數(shù)</p><p>　　由于本模擬共需考察4個因素（變量）對于指標(biāo)參量（風(fēng)動力損耗值）的影響，即前文所列的r1、r2、r3和r4。設(shè)每個因素?cái)M定6個試驗(yàn)水平

101、，即如表2-2所示，則當(dāng)采取全析因試驗(yàn)考察方案時，模擬所需的計(jì)算次數(shù)將高達(dá)64=1296次，故工作量過大。因此，本節(jié)將借鑒均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)考察法，對該模擬研究工作進(jìn)行合理的計(jì)劃安排。需說明的是，表2-2中各模擬因素的試驗(yàn)水平主要乃依據(jù)常見經(jīng)驗(yàn)值或便于加工制造而設(shè)定。</p><p>　　表2-2 模擬變量及相應(yīng)的試驗(yàn)水平</p><p>　　2.2.4 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件</p>

102、<p>　　因模擬計(jì)算需要，研究采用Gambit軟件對干燥室及相應(yīng)流場進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。圖2-2示意了干燥室的網(wǎng)格模型，采用了四面體網(wǎng)格類型。</p><p>　　計(jì)算采用了非耦合隱式算法，屬于定常黏性湍流過程。底部氣流進(jìn)口的氣速已知，頂部出口采用自由出流邊界。</p><p>　　圖2-2 干燥室的網(wǎng)格模型</p><p>　　第2.3節(jié) 模擬計(jì)算結(jié)果