热、气、固两相流耦合在管式干燥系统中的应用及数值模拟

摘要

本课题针对高温管式膨胀设备开发中,热、流体、结构等复杂工况耦合作用下,流场、温度分布及结构优化等开展了研究工作.本课题的解决,在理论上可归结为热、流体(气、固两相)、结构耦合的CAE分析问题,涉及多个学科.建立包含各种因素的数学模型以及确定相应的边界及初始条件、筛选和测试相应的物性系数,并考虑物性系数随温度的变化,根据计算精度和设计要求,对流体和结构选取合适的单元类型,将其网格化,并引入有限元分析软件进行数值计算是本研究的关键所在.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以及气力输送理论,确定其影响的主要因素,建立了数学模型和控制方程;对研究问题的数学模型,利用ANSYS程序中的FLOTRAN CFD进行了有限元分析计算,得出整个三维模型流场的温度、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一些参数的实测值进行了比较.另外,在企业设计参数的基础上,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,验证了其模型的合理性.在以上分析的基础上,还提出了几种结构形式的高温管式膨胀设备的几何模型,对它们也进行分析以及结果比较,得出了一种较为理想的结构形式.通过详细的分析比较,本课题对高温管道式膨胀系统的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.这为该产品设计提供了可靠的仿真工具和良好的思路,同时为进一步的开发设计提供了理论依据.提出的结构形式的优化,为该系列产品拥有独立的知识产权奠定了一定的基础.该研究成果为该系列产品的研发及系列化解决了理论问题,为CAE技术在该工程领域的实际应用和推广打下了基础.其理论研究成果将对变物性气固两相流的理论和数值计算有一定的学术价值.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1两相流的研究现状

1.2气固两相流以及气力输送的研究现状

1.2.1气固两相流的研究现状

1.2.2气力输送的研究现状

1.3计算流体力学的研究现状

1.4气固两相流以及气力输送的计算机数值模拟

1.4.1气固两相流的计算机数值模拟

1.4.2气力输送的计算机数值模拟

1.5本课题的选题依据及意义

1.6本课题研究的主要内容和方法

1.6.1本课题研究的主要内容

1.6.2研究本课题采用的主要方法

第二章气固两相流理论及其在气力输送中的应用

2.1气固两相流理论基础

2.1.1基本概念[10][12][16]

2.1.2松弛过程

2.2气固两相流理论在气力输送中的应用

2.2.1颗粒群均匀悬浮运动

2.2.2颗粒群在管道内的各项压力损失

第三章本课题的问题描述及计算模型的建立

3.1问题描述及几何模型

3.1.1问题描述

3.1.2几何模型的建立

3.2计算模型的建立

3.2.1控制方程的建立

3.2.2边界条件的引入

第四章计算机数值模拟计算

4.1 ANSYS/FLOTRAN介绍

4.1.1大型有限元分析软件ANSYS

4.1.2 ANSYS/FLOTRAN CFD概述

4.1.3 ANSYS/FLOTRAN的单元

4.1.4 ANSYS/FLOTRAN的边界条件

4.2利用ANSYS/FLOTRAN分析计算

4.2.1选择分析类型

4.2.2多组份传输分析

4.2.3建立有限元类型

4.2.4物性参数的选择

4.2.5分析计算

第五章计算结果分析与结构优化比较

5.1计算结果的分析

5.1.1流场温度分析

5.1.2流场速度分析

5.1.3流场压力分析

5.1.4烟丝分布分析

5.2 6400kg/h高温管道式膨胀设备数值模拟计算

5.2.1实体几何模型

5.2.2有限元分析计算

5.2.3计算结果分析

5.3结构优化比较

5.3.1几种不同结构的几何模型

5.3.2有限元分析计算

5.3.3结果分析和结构优化

第六章结论

6.1本课题的研究成果

6.2本课题进一步的研究

参考文献

致谢

附录