[發明專利]噴霧干燥塔中物料蒸發的數值模擬方法

在審

• 申請號: 201810301623.0
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN108897902A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（設計）人: 戚嚴文;許京荊;朱遠;李盛鵬;許德坤
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

1.一種噴霧干燥塔中物料蒸發的數值模擬方法，其特征在于，步驟如下：

(1)使用三維繪圖軟件繪制噴霧干燥塔的三維幾何模型圖：

利用ANSYS Workbench中的建模模塊Design Model對噴霧干燥塔三維模型進行建模；

(2)建立噴霧干燥塔的有限元模型并進行求解，具體如下：

A.設定數值模擬的假設條件；

a)不考慮液滴之間的碰撞；

b)液滴-顆粒當作球體計算；

c)忽略顆粒內部與外部的溫度差；

B.使用歐拉-拉格朗日方法對熱空氣-顆粒相進行建模，干燥介質-熱空氣為連續相，液滴-顆粒為離散相，那么熱空氣所需滿足的方程如下：

質量守恒方程為：

運動方程為：

能量方程為：

式中：ρ_F為流體密度(kg/m³),t為時間(s),u_x、u_y、u_z為流體速度分量(m/s),p為流體壓力(Pa),u流體速度矢量(m/s)，τ_xx、τ_xy、τ_xz作用在流體微元上的粘性應力分量(Pa)，f_x、f_y、f_z作用在流體微元上的力(N)，E為流體微元的總能(J)，包含有內能、動能和勢能之和，T為流體溫度(K)，h_j為組分j的焓值(J/kg)，k_eff為有效熱傳導系數[W/(m·K)]，τ_eff為有效粘性力(Pa)，J_j為組分j的擴散通量；

C.采用拉格朗日方法對離散相進行建模，液滴運動、傳熱及傳質過程滿足的方程如下：

顆粒運動方程：

傳熱方程：

當顆粒溫度低于沸點溫度時傳質方程：

Ni＝ki(C_i,s-C_i,∞)

當液滴溫度高于沸點：

式中，h為流體的焓值(J/kg)，Nu為努賽爾數，即Nusselt，F_D(u-u_p)為顆粒的單位質量曳力(N)，u_p為顆粒運動速度(m/s)，u為干燥介質的運動速度(m/s)，g_x為x向重力加速度(m/s²)，t為時間(s),ρ_p為顆粒密度(kg/m³)，ρ_F為流體密度(kg/m³),F_xi包含有虛擬質量力以及壓力梯度力，也就是在此次仿真中只考慮了拖曳力、重力、虛擬質量力以及壓力梯度力，忽略了其他作用在顆粒上的力，m_p為顆粒質量(kg)，c_p為顆粒比熱[J/(kg·k)]，T_p為顆粒溫度(K)，T_∞為干燥介質溫度(K)，A_p為液滴表面積(m²)，h_fg為汽化潛熱，J/kg，Ni為蒸汽摩爾流率[mol/(m²·s)]，ki為傳質系數(m/s)；C_i,s為液滴表面的蒸汽濃度[mol/m³]，C_i,∞為氣相的蒸汽濃度(mol/m³)，D_i,m為蒸汽擴散系數(m²/s)，Re_d為雷諾數，Sc為傳質施密特數，k_∞為干燥介質導熱率[W/(m·K)]，d_p為顆粒直徑(m)，c_p,∞為干燥介質比熱[J/(kg·K)]；

D.使用k-ε湍流模型，湍動能k及湍動能耗散率ε公式如下：

式中ρ_F為流體密度(kg/m³),u流體速度矢量(m/s)，t為時間(s),μ為分子粘度(Pa·s)，μ_t為湍流粘度(Pa·s)，P_k是湍流剪切產出項[kg/(m·s³)]，C_ε1、C_ε2、σ_k、σ_ε為常數，分別為1.44、1.92、1、1.3；

E.選用噴嘴模型：根據FLUENT軟件中提供的霧化模型，對于噴霧干燥塔的噴嘴模型進行選擇，根據噴霧干燥塔中物料蒸發實際情況主要輸入噴嘴模型參數和流量；

F.在ANSYS Workbench的FLUENT軟件中導入噴霧干燥塔的三維幾何模型，在步驟A、B、C、D、E的假設及信息基礎上的建立計算域及物理模型，設置各項參數，主要模擬計算出噴霧塔內液滴到顆粒的蒸發過程、顆粒停留時間、蒸發量、連續相溫度場和速度場；

G.設計噴霧干燥實驗模型，并將步驟F的數值模擬結果與實驗結果進行對比分析，驗證了數值模擬方法的適用性。