冲击式气流喷雾雾化机理及干燥过程数值模拟的研究

摘要

冲击式气流喷雾干燥是生产粉状干燥产品的一种重要干燥方式，在食品、制药、化工等行业具有广泛应用。冲击式气流喷雾干燥过程复杂，塔内情况难以观察。研究物料的雾化机理、液滴与干燥介质之间的传热传质、颗粒的运动轨迹和干燥气体的流动模式可为制定科学的生产方案，优化设计参数提供理论依据。本文基于流体力学和数值传热学理论，对冲击式气流喷雾的雾化机理及干燥过程进行了较为深入的研究。 考虑液膜厚度变化对液膜表面不稳定扰动的影响，推导了液膜表面非轴对称不稳定扰动的色散方程。分析了液体粘性、液体表面张力、气液密度比和液膜速度对液膜表面不稳定性的影响，并将模拟结果跟未考虑液膜厚度变化时的模拟结果进行对比。结果表明，考虑液膜厚度变化时所求出的表面波的最大增长率均小于未考虑液膜厚度变化时的最大增长率，这说明液膜厚度的变薄对射流的雾化具有稳定性作用。 综合考虑气体曳力及液膜表面不稳定扰动在冲击式气流雾化过程中的作用，将液膜的破碎分成液环的形成、液环的扩张和液环的破碎三个阶段，提出了一种新的冲击式气流喷雾的初始雾化模式。首先根据气体曳力对液膜的切向作用，分析液环脱落之前的受力情况，建立了液环受力平衡方程，得出液膜断裂形成液环的半径和厚度；然后根据气体曳力对液环的径向扩张作用，建立了液环厚度随时间变化的关系式；随后基于对厚度不断变薄的液环表面不稳定性分析，求得液环破碎形成液滴的直径；最终建立了冲击式气流喷嘴的初始雾化模型。 分别采用新建的初始雾化模型和通用的初始雾化模型(LISA模型)分析气液相对速度、气液质量比、液体粘性等对液滴直径的影响，并将模拟结果和实验结果进行对比。结果表明，当气体速度较低或液体粘性较小时，新建雾化模型和通用雾化模型的模拟精确度相近；当气体速度较高或液体粘度较大时，新模型的预测结果较准确。 详细分析液滴内部溶剂浓度与液滴比热、液滴表面饱和蒸汽压、溶剂扩散系数之间的耦合关系，建立了同时考虑液滴内部温度梯度变化及浓度梯度变化的单液滴蒸发模型。针对液滴蒸发过程中的动边界问题，基于网格重构技术设计了液滴蒸发过程的数值计算流程，并通过Matlab软件实现了数值模拟结果的可视化。采用新建模型分析气体速度、气体温度、初始滴径及溶液浓度对液滴干燥速度的影响，数值模拟结果和试验结果比较吻合。该模型能够较准确地反映液滴蒸发过程中内部温度及浓度梯度变化随时间的变化关系，体现液滴蒸发过程中的结壳现象。将液滴碰撞后的结果分为反弹、聚合、反射分离和摩擦分离四种情况，讨论了液滴产生四种碰撞结果的条件判别式。针对液滴发生摩擦分离碰撞和反射分离碰撞过程中液滴发生破碎的现象，基于液滴碰撞过程中的质量、动量、能量守恒，建立了液滴发生摩擦分离破碎和反射分离破碎后产生子液滴数目的表达式，并用该表达式对不同碰撞参数下大小相等液滴发生摩擦分离破碎和反射分离破碎的结果进行分析。结果表明，液滴发生摩擦分离碰撞的情况下，碰撞参数在0.5至0.7之间时产生的子液滴数目最多；液滴发生反射分离碰撞的情况下，碰撞参数为零时产生的子液滴数目最多。 基于气液两相耦合，建立了一个包含反弹、聚合、反射分离和摩擦分离四种碰撞结果的冲击式气流喷雾干燥过程的CFD模型。采用贴体坐标系来划分积分区域，克服了正交曲线坐标系难以处理不规则边界的问题。采用有限容积法对包含液滴作用源项的气相控制方程进行离散，推导了含有液滴作用源项的气相压力修正方程。对冲击式气流喷雾干燥过程进行模拟，得到了喷雾干燥塔内气体的温度场、湿度场以及不同高度上的液滴的速度分布及粒度分布，分析影响液滴和空气之间热量和水分传输的主要因素。考虑了液滴发生碰撞的多种结果后，CFD模型的预测结果更接近实验值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究进展与现状

1.2.1液体雾化机理研究

1.2.2液滴碰撞现象研究

1.2.3液滴的湍流扩散研究

1.2.4液滴蒸发过程研究

1.2.5喷雾干燥数值模拟研究

1.2.6冲击式气流喷雾干燥存在的主要问题

1.3主要研究内容

第2章冲击式气流喷嘴雾化模型

2.1引言

2.2冲击式气流初始雾化过程

2.3液体表面不稳定性研究

2.3.1色散方程

2.3.2液体表面不稳定性分析

2.4初始雾化模型

2.4.1液环的形成

2.4.2液环的扩张

2.4.3液环的破碎

2.5二次雾化模型

2.5.1液滴的破碎模式

2.5.2二次雾化的KH模型

2.5.3液滴变形与阻力系数的修正

2.6数值模拟结果

2.6.1数值模拟结果的验证

2.6.2液体雾化过程分析

2.7本章小结

第3章液滴蒸发过程数值模拟

3.1引言

3.2液滴蒸发模型

3.2.1液滴内部温度传导方程

3.2.2液滴与干燥介质之间的质量传输方程

3.2.3液滴沸腾的蒸发率方程

3.2.4液滴内部质量传输方程

3.2.5模型求解参数

3.3数学模型的求解

3.3.1计算网格的处理方法

3.3.2模型的数值解法

3.4数值模拟结果

3.4.1模拟结果跟实验结果的比较

3.4.2液滴蒸发过程的分析

3.5本章小结

第4章液滴的碰撞模型

4.1引言

4.2液滴碰撞结果分析

4.3液滴碰撞的随机模型

4.4液滴碰撞结果的判定

4.4.1反弹-聚合

4.4.2聚合-反射分离

4.4.3聚合-摩擦分离

4.5液滴碰撞后的状态

4.5.1液滴的聚合

4.5.2液滴的反弹

4.5.3液滴的摩擦分离破碎

4.5.4液滴的反射分离破碎

4.6数值模拟结果

4.7本章小结

第5章冲击式气流喷雾干燥过程三维数值模拟

5.1引言

5.2气相控制方程

5.3液滴控制方程

5.3.1液滴的运动方程

5.3.2液滴的湍流扩散

5.4边界条件

5.4.1气相边界条件

5.4.2液滴边界条件

5.5控制方程的数值求解

5.5.1求解区域的离散

5.5.2气相控制方程的离散

5.5.3气相控制方程组的数值解法

5.5.4气液耦合源项的数值计算

5.6数值模拟结果

5.6.1计算条件

5.6.2操作工况

5.6.3数值模拟结果的验证与分析

5.7本章小结

第6章结束语

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

发表论文一

发表论文二