单液滴撞击冷表面的模拟研究

摘要

喷雾冷冻干燥(SFD)过程中存在雾化液滴在设备壁面的冷冻沉积问题，不仅造成产品收集率的下降，且会对产品造成二次污染，影响设备的传热传质速率，而对单液滴撞击冷板面的研究有助于解决这一问题。
　　本文在前期单液滴撞击冷板面的实验基础上，以单个蒸馏水及普鲁兰多糖液滴为研究对象，使用数值模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单液滴与冷板面（小于0℃）撞击铺展和固化过程，分析了撞击高度(H=100 mm、250 mm、500 mm)和板面温度(T=253 K和268 K)以及板面倾角（α=0°、30°、45°和60°）对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。对液滴在冷板面上的铺展和冻结过程进行了理论分析，建立了描述液滴铺展过程及在冷板面上固化的数学模型，建立了液滴铺展的二维与三维物理模型，将水平集方法和固化模型相结合，使用基于温度的热传导方程代替原有的焓值方程，并且在热容源项中加入熔化潜热，利用COMSOL Multiphysics4.2(@)软件，耦合“两相流水平集”与“流体传热”两个物理场，求解了存在相变的传热问题。
　　结果表明，撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用，撞击倾斜板面时，板面的倾角也会影响液滴在冷板面上冷冻沉积的发生，随着撞击速度和倾斜角度的增加，板面温度对液滴撞击动力学行为的影响逐渐变小，减小了液滴沉积的可能。物料的性质，如黏度等也会对液滴的冷冻沉积发生重大影响，对于较高黏度物料，温度并不起决定作用，黏度会影响液滴的铺展速率及铺展直径，且影响趋势较为明显。本文采用的模拟模型和实验的结果吻合较好，反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化与固化情况，有利于对液滴发生冻结的状况进行直观解释。

目录

声明

摘要

符号表

1 前言

1．1 引言

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 喷雾冷冻干燥简介

1．2．2 喷雾冷冻干燥过程及其影响因素

1．2．3 液滴撞击板面相关研究

1．3 选题目的及意义

1．4 课题研究主要内容

2 液滴撞击冷板面模拟的理论分析

2．1 控制方程的建立

2．1．1 液滴变形过程分析

2．1．2 流体动力学控制方程

2．2 液滴自由表面处理方法

2．2．1 自由表面常用数值算法

2．2．2 水平集方法的界面追踪技术

2．2．3 水平集函数初始化

2．2．4 水平集方法总体算法

2．3 水平集方程的离散

2．3．1 速度和水平集函数按时间离散

2．3．2 对流项离散

2．3．3 黏度和曲率项

2．4 液滴撞击冷板面凝固过程的处理方法

2．4．1 液滴凝固控制方程

2．4．2 对于动量方程和能量方程的修正

3 单液滴撞击冷板面的模型建立

3．1 软件COMSOL Multiphysics 4．2(R)简介

3．2 液滴碰撞及固化的研究方案

3．3 液滴模拟的物理模型简介

3．3．1 物理模型的简化假设

3．3．2 二维轴对称模型计算区域

3．3．3 三维模型计算区域

3．4 模拟边界条件的设定与网格划分

3．4．1 边界条件设定

3．4．2 材料属性的测定与设定

3．4．3 参数与变量

3．4．4 网格划分

3．4．5 求解器设定

3．4．6 求解控制

4 单液滴撞击板面的铺展和凝固过程的模拟结果分析与讨论

4．1 蒸馏水液滴撞击水平板面

4．1．1 蒸馏水液滴在水平板面的铺展因子

4．1．2 蒸馏水液滴在水平板面铺展过程分析

4．1．3 蒸馏水液滴在水平板面铺展过程温度分析

4．2 普鲁兰多糖液滴撞击水平板面

4．2．1 普鲁兰多糖液滴在水平板面铺展过程分析

4．3 蒸馏水液滴撞击倾斜板面

4．3．1 蒸馏水液滴在倾斜板面铺展过程分析

4．3．2 蒸馏水液滴在水平板面铺展过程温度分析

5 结论

6 展望

参考文献

8 攻读硕士期间发表论文情况

致谢