液滴降落过程的数值研究

摘要

颗粒一流体两相流广泛存在于工业过程中，如喷淋造粒、烟气除尘、喷雾与流化干燥等。因该类过程影响因素众多、机理复杂，在相关的化工设计中，多采用宏观的经验公式对传递参数进行估算，而忽略了微尺度条件的传递特性。且经验公式多针对特定的物系和特定的操作范围，普适性较差。以此获得的工艺参数与实际相比往往存在较大偏差，由此增加物能消耗，加重环境负担。其中，喷淋造粒工艺的设计尤其需要颗粒形状变化规律以及运动规律的指导。在国家清洁生产和节能降耗的要求下，如何以更准确的方式描述气液两相流的传递特性，对于改进化工过程设计参数具有重要的理论和现实意义。 本研究针对造粒塔喷淋造粒工艺的要求，采用计算流体力学方法对单液滴在气流中运动过程的动力学和传递特性进行了数值模拟，以期为该工艺的设计提供基础数据。 对液滴形态的模拟结果显示，液滴在逆流气流中运动发展经历了一个先拉伸后收缩再拉伸的振动过程，最终成为一个稳定的近似圆球的形状；获得了液滴在发展过程中拉伸和收缩状态时的压力场及流场信息；得到了液滴达到准稳态时的形状及发生形变的条件，获得了准稳态液滴的形变参数及发生形变时的压力场和流场的信息。模拟结果显示，进口气速的大小对液滴的形变影响不大。 通过对液滴所受曳力的数值模拟获得了300)时，液滴所受的曳力明显小于液滴处于稳定运动(dU/dt=0)时所受到的曳力，两者之间的最大和最小相对偏差分别为33.1％ 和16.8％。采用Colbum类比律，由相间动量传递信息类比得出了Re数在30至500范围内，Nu数和Sh数在液滴加速过程中的变化规律。从而获得了相际对流传热系数h和对流传质系数k<,c>的变化规律。结果显示，相际对流传热系数h和对流传质系数k<,c>随Re数的增大而不断增大。 对高温水滴在常温逆流空气中的降落过程进行了数值模拟。获得了高温液滴内部及其周围空气的温度场信息。模拟结果显示，随着进口气速的增大，热边界层不断变薄，传热热阻减小，液滴的冷却速度加快。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

1前言

2文献综述及研究内容

2.1造粒塔喷淋造粒

2.2颗粒-流体两相流动的实验及数值研究现状

2.2.1液滴变形的实验和数值研究现状

2.2.2颗粒和液滴曳力与曳力系数的实验及数值研究

2.2.3颗粒-流体两相流动传热研究

2.3 VOF方法研究进展

2.4本课题主要研究内容

3液滴下落过程的有限体积法分析

3.1液滴降落过程的数学模型

3.1.1流体动力学控制方程

3.1.2边界条件

3.2通用控制方程的离散化

3.3流场的数值计算

4模拟过程中关键问题的处理

4.1模拟方案的确定

4.1.1网格的生成

4.1.2边界条件的确定

4.2计算模型的确定

4.2.1 VOF方法

4.2.2体积分数方程

4.2.3界面重构方法

4.3流场的初始化

5数值模拟结果及分析

5.1降落过程中的液滴形态分析

5.1.1液滴的发展

5.1.2准稳态液滴的变形

5.1.3进口气速对液滴变形的影响

5.2液滴在降落过程中的受力

5.2.1液滴的受力分析

5.2.2曳力系数随Reynolds数的变化规律

5.2.3液滴传热与传质过程的类比研究

5.3高温液滴在降落过程中的温度场分析

5.3.1高温液滴温度场的模拟结果

5.3.2进口气速对高温液滴温度场的影响

6结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的相关论文及研究成果

致谢