管式干燥气固两相流的相似性原理及耦合数值模拟

摘要

本文运用气固两相流理论、计算流体动力学和流动相似等方法，对高温管式膨胀系统的气固两相流动进行了分析和研究。 某企业已成功生产了应用于某卷烟厂2400kg/h的高温管道式膨胀设备，目前拟自主研制6400kg/h高温管道式膨胀设备及系列产品。前人根据研究问题的实际工况，对2400kg/h高温管式膨胀设备进行了数值模拟，并和2400kg/h高温管式膨胀设备的实测数据进行了比较。但是6400kg/h高温管道式膨胀设备在结构上不能采用传统类比放样的办法进行设计，必须借助于相似理论设计其结构。 高温管式膨胀系统内的湍流流场非常复杂，对其进行数值模拟非常必要，本文根据所研究对象工作的物理环境(热、流场)，综合考虑气固两相流理论、计算流体动力学理论，确定其影响的主要因素，建立了数学模型和控制方程。应用AnSYS/FLOTRAN软件，利用相似理论根据2400kg/h的高温管道式膨胀设备的模型建立6400kg/h的高温管道式膨胀设备的数学模型，并利用反复试算分析得出的高温气体以及烟丝混合气体两种介质的物性参数，对其进行了有限元分析计算对高温管式膨胀系统的内流场进行了数值模拟与分析，得出内流场的温度、速度、压力及气固两相的分布，利用ANSYS软件强大的后处理功能从各个方面对数值计算结果进行分析，并和2400kg/h的高温管道式膨胀设备的模拟的结果进行了比较，验证其模型的合理性。在以上分析的基础上，还提出了多种结构形式的高温管式膨胀设备的几何模型，对它们进行分析和结果比较，得出较为理想的结构。 结果表明，本课题对高温管道式膨胀系统的多物理场耦合数值模拟基本能够真实地反映出高温管式膨胀设备对烟丝的整个处理过程，本文的理论研究方法、数值模拟计算方法是正确可靠的。 采用数值模拟技术对工程问题中的流动与传热过程进行计算分析是一种十分经济有效的方法。该研究成果为该产品的进一步开发设计提供了理论依据，同时为气固两相流动的研究提供了手段，还为数值模拟技术在该工程领域的实际应用和推广打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2相关技术背景及发展现状

1.2.1两相流的研究现状

1.2.2计算流体力学的研究现状

1.2.3气固两相流的研究现状及其数值模拟

1.3本课题的选题依据及意义

1.4本课题研究的主要内容

第二章气固两相流的流动特性

2.1基本概念

2.1.1气固两相浓度

2.1.2气固两相流密度

2.1.3气固两相流的粘度

2.1.4气固两相流的比热和导热系数

2.2气固两相流动颗粒的动量输运过程及受力分析

2.2.1颗粒运动时的稳态气动阻力

2.2.2重力和浮力

2.2.3压力梯度力

2.2.4虚假质量力

2.2.5 Magnus升力

2.2.6 Saffman升力

2.2.7热咏力

第三章流动相似理论

3.1力学相似

3.1.1几何相似

3.1.2运动相似

3.1.3动力相似

3.1.4初始条件和边界条件相似

3.2相似准则

3.2.1雷诺准则

3.2.2弗劳德准则

3.2.3欧拉准则

3.2.4韦伯准则

3.2.5柯西准则

第四章计算模型的建立及数值模拟

4.1问题描述

4.2滑移－扩散数学模型的建立及其控制方程

4.3分析计算

4.3.1几何模型建立

4.3.2有限元网格生成

4.3.3边界条件和初始条件引入

4.3.4多组分疏运分析

4.3.5求解计算

4.4求解过程中出现的问题及解决办法

第五章计算结果分析

5.1温度分析

5.2流场速度分析

5.3流场压力分析

5.4烟丝分布分析

第六章结构优化

6.1几何模型

6.2计算结果

6.2.1烟丝分布

6.2.2温度分布

6.2.3速度分布

第七章结论与展望

7.1结论

7.2进一步研究方向

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间所发表的论文