一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并划分网格，设置模型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波干燥炉相同；步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件中设置求解模型，并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF源项；步骤三：在fluent软件中计算求解模型。对微波干燥炉腔体内部空气中的水蒸气添加吸热源项，通过对微波干燥炉数值模拟，得到腔体内部流场分布，为褐煤的微波干燥的理论和应用提供参考。

说明书

技术领域

本发明涉及一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法。

背景技术

我国已探明的褐煤保有储量占全国煤炭总储量的13％，但是褐煤 的高含水量(20％-50％)给褐煤的应用带来了诸多问题。为了提高褐煤 的利用效率，提高褐煤的品质，通常需要对褐煤进行干燥。

微波干燥是利用微波的热效应，将微波的能量传入介质材料，使 其内能增加后以水蒸气的形式释放的技术。与传统的干燥方式相比较， 微波干燥具有快速、及时、选择性地干燥物料，是未来物料干燥的一 个重要发展方向。

在微波干燥的研究中，不同干燥条件下，干燥过程可划分为4个 阶段：

①预热阶段褐煤温度迅速上升，含水率基本不变；

②压力升高阶段内部蒸汽压力迅速升高，形成较高的总压力差， 促使渗透流出现，脱水率显著增大；

③恒速干燥段，水蒸气流动的速度受内部传质阻力和所吸收的功 率大小的影响；

④降速干燥阶段，脱水率下降，温度升高。在降速干燥阶段微波 的利用效率较低，但是为了提高褐煤的干燥度最后一阶段却不可忽略。

目前微波干燥机理和应用研究大部分在食品行业，如Rami Y.Jumah和G.S.V.Raghavan研究喷动床中微波与热风联合干燥小麦 的传热传质行为，根据非平衡动力学理论建立了数学模型，研究微波 干燥小麦的行为，表明微波和热风结合比单纯热风干燥具有更高的干 燥效率；东南大学的施明恒以中成药丸为对象，对微波与热风组合干 燥进行了实验研究，得到微波功率、物料尺寸、堆积程度、气流温度 和气流速度对微波对流干燥速度的影响。李涛以橡胶为对象，数值模 拟橡胶微波加热变化过程，分析得出当微波加热时间短时效率较高， 胶料经微波加热后，其内部的焦耳热密度分布和温度分布不均匀，焦 耳热密度大小和温度大小随着微波功率的增大而增大。而采用微波对 煤进行干燥的目前主要还是实验室阶段，如杨虓等研究利用微波场对 褐煤干燥特性的研究，得到褐煤脱水速率与微波功率的关系。

当微波辐射到褐煤上时，极性分子的运行将随微波场作用而运动， 由于褐煤中水分子以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的作 用，使水温迅速升高，脱离褐煤。由于煤中蒸发的水分并不一定能被 及时排出腔体，将会有一部分水汽滞留在腔体内，还会继续吸收微波， 促使温度上升，从而降低微波的干燥效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方 法，对微波干燥炉腔体内部空气中的水蒸气添加吸热源项，通过对微 波干燥炉数值模拟，得到腔体内部流场分布，为褐煤的微波干燥的理 论和应用提供参考。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术 方案实现：

一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，其特征在于，包括如下 步骤：

步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并 划分网格，设置模型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波 干燥炉相同；

步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件 中设置求解模型，并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF源项；

步骤三：在fluent软件中计算求解模型。

优选，步骤一中，划分网格的具体步骤如下：

先划分腔体面网格，步长为0.1-0.5m；

再划分腔体体网格，步长为0.1-0.5m；

最后划分罩子表面网格，对罩子表面部分进行网格加密,同时进 行整体划分时越靠近罩子部分网格越密。

优选，步骤一中，模型的边界条件如下：

腔体入口设置为速度入口，腔体出口设置为自由流出口，泵出口 设置为压力出口，补风入口设置为压力进口，相邻两节单腔体间的上 下出、入口设置为内部界面，并通过fluent软件给边界条件设置初 始值。

本发明的有益效果是：本专利提出对干燥炉腔体内水蒸汽添加吸 热源项，采用数值方法对微波干燥褐煤腔体流场进行建模和求解，并 与试验结果对比分析，验证数值方法的可靠性；数值分析腔体结构变 化对褐煤干燥速度以及微波效率的作用机理，得出腔体内部温度、含 水率、流速的变化规律，可以用于分析微波干燥效率随流场变化的原 因，得出提高微波脱水效率的腔体结构以及运行方法。

附图说明

图1是本发明微波干燥炉单腔体模型的结构示意图；

图2是本发明20节腔体主视图；

图3是排气口温度试验值与计算值对比；

图4是排气口含水率试验值与计算值对比；

图5是工况a和b腔体温度变化曲线；

图6是工况a和b腔体含水率变化曲线；

图7是工况a和b腔体流速变化曲线；

附图的标记含义如下：

1.补风入口，2.微波入口，3.泵出口，4.上入口，5.隔板，6.下入口,7. 上出口，8.罩子，9.煤层，10.下出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详 细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施， 但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并 划分网格，设置模型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波 干燥炉相同。

其中，微波干燥炉单节腔体模型如图1所示，实施例中设单节腔 体长3m，宽3m，高1.7m，由20节单节腔体组成微波干燥炉生产线， 如图2所示，全长60m，生产线运行过程中褐煤通过皮带在腔体内从 左向右运输，皮带位于腔体底部。在煤层9上面采用导流罩子8，导 流罩子8通过泵出口3与泵体相连，形成负压抽取腔体内的水蒸气； 而在腔体的顶部设置有两个补风入口1，用于防止腔体压力过低；每 节腔体有上下两个入口，即上入口4和下入口6，两个入口之间设置 隔板5；也有上下两个出口(上出口7和下出口10)，两个出口之间 也设置隔板。相邻单节腔体间的上下出、入口是为了便于腔体内气体 流动，其中单节腔体均设置有微波入口2。

腔体的模型建立以及网格的划分是在Gambit中完成。模型中腔 体尺寸与试验的干燥炉大小相同。在有限元分析中，网格划分的是否 合适与计算结果的精度和计算效率息息相关，网格划分的越细，计算 精度越高，所花费的时间越长；反之，计算精度变低，所花费的时间 也越短。本专利中首先划分腔体面网格，再划分体网格，最后划分罩 子表面网格。具体操作如下：划分腔体面网格时Elements选择非结 构化网格Tri(三角形网格单元),Type选pave(非结构化网格划分), 步长为0.1-0.5m(最好是0.1m)，确认即可生成所需网格,将所需各 面都按照此方法划分网格。体网格的划分从Elements列表中选择 Tet\Hybrid(混合单元),从Type中选择Tgrid(混合网格),步长为 0.1-0.5m(最好是0.1m)，确认后即可生成所需的体网格。

网格质量对于数值计算的正确和稳定起着非常重要的作用，网格 质量的特征是节点的分布，光滑和偏斜，Fluent计算对网格质量的 几个主要要求:网格质量参数Skewness不能高于0.95,最好在0.90 以下,越小越好,否则使离散方程刚性增加,使迭代收敛减慢,甚至困 难；AlignmentwiththeFlow就是估计一下网格线与流动方向是 否一致,要求尽量一致,以减少假扩散；要求在流动表面附近要有足够 多的网格单元等，本次完全按照上述要求进行网格划分。

由于，罩子附近流动较为复杂，划分罩子表面网格时需采用 Gambit中的SizeFunction按钮对罩子表面部分进行网格加密,同时 进行整体划分时要求靠近罩子周围部分密,20节褐煤微波干燥炉腔 体的整体网格数为1000万左右。

边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件， 边界条件与初始条件一起并称为定解条件,只有在边界条件和初始条 件确定后,流场的解才存在,并且是唯一的。FLUENT的初始条件是在 初始化过程中完成的,边界条件则需要单独进行设定。本模型的边界 条件直接在Gamhit中设定：腔体入口设置为速度入口，腔体出口设 置为自由流出口，泵出口设置为压力出口，补风入口设置为压力进口， 相邻两节单腔体间的上下出、入口设置为内部界面。其中，在fluent 中define->boundaryconditions…在Zone选项里面选择对应边界， 就可以给边界条件设置初始值。

步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件 中设置求解模型，并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF(User definefeature用户自定义特征)源项(源项是通过将加热方程式 编写为UDF程序)。

优选，在fluent软件中设置求解模型的具体步骤如下：

(a)湍流模型选用K-epsilon模型，并通过自定义选项加入水 蒸汽吸热的UDF源项；

(b)压力-速度耦合采用Simple算法，对流项差分格式采用二 阶格式；

(c)边界条件初始值按照试验测量参数修改，对控制方程进行 耦合求解，当流场中残差小于10^-4时认为收敛，控制方程具体如下：

质量守恒方程：

$\frac{\partial }{\partial x_i}\left(u_i\right)=0---\left(3\right)$

组分质量守恒方程：

div(ρuc_s)＝div(D_sgrad(ρc_s))+S_s(4)

动量守恒方程：

$\frac{\partial \left({\mathrm{\rho u}}_k{u}_i\right)}{\partial x_k}=-\frac{\partial P}{\partial x_i}+{\mathrm{\rho f}}_i+\frac{\partial }{\partial x_k}\left(\mu \frac{\partial u_i}{\partial x_k}\right)---\left(5\right)$

能量守恒方程：

$div\left({\mathrm{\rho u}}_{i}T\right)=div\left(\frac{k}{C_p}gradT\right)+S_T---\left(6\right)$

式(3)-(6)中，u_i、u_k表示不同方向的流速，其中，当下标等于 1时，代表x方向的流速，当下标等于2时，代表y方向的流速，当 下标等于3时，代表z方向的流速；x_i、x_k表示不同方向，其中，当 下标等于1时，代表x方向，当下标等于2时，代表y方向，当下标 等于3时，代表z方向；ρ：密度；u：流体流速；s：表示组分(水 蒸气或者空气)；c_s：单位体积组分s的质量；D_s：扩散系数；S_s： 单位体积内组分s的生成率；k：湍流脉动动能；T：流体温度；C_p： 定压比热容；S_T：单位体积内热源；div()：求括号内矢量的散度； grad()：求括号内梯度；p：压强；f_i：不同方向流体加速度，其中， 当下标等于1时，代表x方向的流体加速度，当下标等于2时，代表 y方向的流体加速度，当下标等于3时，代表z方向的流体加速度；

湍流粘度μ_t可表示为k和湍流脉动动能的耗散率ε的函数，即

${\mu }_t={\mathrm{\rho C}}_{\mu }\frac{k^2}{ϵ}---\left(7\right)$

其中，C_μ＝0.09；在标准k-ε模型中，k和ε作为两个基本未知量， 对于不可压流体，与之相对应的输运方程为：

$\frac{\partial \left({\mathrm{\rho k}}_i{\mu }_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k})\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k-\rho ϵ---\left(8\right)$

$\frac{\partial \left({\mathrm{\rho ϵ\mu }}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{ϵ}})\frac{\partial ϵ}{\partial x_j}\right]+\frac{C_{1ϵ}ϵ}{k}{G}_k-C_{2ϵ}\rho \frac{{ϵ}^2}{k}---\left(9\right)$

式(8)与(9)中，μ_i，μ_k表示不同方向的湍流粘度，其中，当下标 等于1时，代表x方向的湍流粘度，当下标等于2时，代表y方向的 湍流粘度，当下标等于3时，代表z方向的湍流粘度；k_i表示不同方 向的湍流脉动动能，其中，当下标等于1时，代表x方向的湍流脉动 动能，当下标等于2时，代表y方向的湍流脉动动能，当下标等于3 时，代表z方向的湍流脉动动能；G_k：是由层流速度梯度而产生的湍 流动能；C_1δ＝1.44，C_2ε＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3；x_i、x_j、x_k表示不 同方向，其中，当下标等于1时，代表x方向，当下标等于2时，代 表y方向，当下标等于3时，代表z方向。

作为进一步的改进，褐煤微波干燥腔体涉及到不同组分的流动与 传热问题中，还会涉及到组分输送问题，可采用组分输运模型 (SpeciesTransport)，腔体不同边界可以设置不同质量百比的水蒸 气，选用H₂O和Air两种组分，由于水蒸气密度小于空气密度，在设 置中需要将H₂O放在Air前面。腔体内辐射模型选用Discrete Ordinates模型。此外，在动量方程中，密度随温度变化而变化，因 而求解中可以计入浮力项，计算过程中也加入重力计算模型。

微波加热的热源项模型比较复杂，本专利采用简化方法，按照质 量组分添加微波能量转化的热源项，优选，水蒸汽添加热源项模型如 下：

ΔQ＝mC_pΔT(1)

$S_T={\mathrm{Ar\rho }}_{mixture}{m}_{H_{2}O}\frac{|T_{mixture}-T_{sat}|}{T_{sat}}---\left(2\right)$

式(1)与(2)中，ΔQ：吸收或者放出的热量；m：水蒸气质量；C_p：定 压比热容；ΔT:吸热或者放热前后温度差；A：加热常数；r：潜热 系数，取1000KJ/Kg；ρ_mixture：混合物密度；T_mixture：混合物温度； 混合物中水的质量分数；T_sat：饱和温度。

假设腔体流场中的水汽不发生相变，水蒸气吸收微波对腔体的温 度影响表现为显热。系数A的选择是确定热源项大小的关键，根据试 验测量温度值作为边界条件，通过增减源项常数A并计算模拟，使计 算模拟得到的温度与腔体试验的测量温度相接近，从而确定源项表达 式。

将上述模型方程编写为UDF加热源项程序，保存为.c文件，在 fluent中define功能下面的 user-define->functions->compiled-UDFs，将.c文件添加进去，并 在设置中给水蒸气设置加热源项。

步骤三：在fluent软件中计算求解模型。

通过上述流程的建模和设置，按照下述操作：Solve按钮 ->Monitors->Residual…在Options选框中选择Plot，以便在计算 过程中显示动态残差；在AbsoluteCriteriaofcontinuity(绝对 标准的连续性)一栏中全部填为0.0001，这个表示计算收敛精度；将 模型在Fluent中开始迭代求解，设置迭代次数：Solve->Iterate…， 次数设为2000次，然后点击Iterate即可进行运算。计算结果测量 值与试验值对比见图3、4，腔体编号对应着20节腔体中打开的泵的 位置。从图中可以看出工况a、b的试验与计算模拟的温度和含水率 值比较接近，变化规律一致，证明计算比较合理，模型可靠。腔体内 部流场计算结果的变化曲线见图5、6、7，从图中可以看出腔体内流 场变化规律，可以得出不同腔体下温度、含水率、流速的变化规律， 微波干燥效率随流场变化的原因，从而可以分析得出提高微波脱水效 率的腔体结构以及运行方法。本专利可以为微波干燥褐煤的应用提供 理论和实践依据，同时通过本专利的方法可以节省大量试验费用。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变 换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发 明的专利保护范围内。