振动流化床内温度场和流场的数值模拟文档格式.docx

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化学工业的产品如肥料、染料、无机盐到医药工业、粮食、食品、饲料的生产过程均离不开干燥，产品经过干燥以后具有良好的扩散性、均性。

正确地完成干燥过程有利于保证和改进产品的质量，同时对提高生产效率，促进国民经济的发展有十分重要的作用。

现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的综合国力和国民生活质量的水平密切相关，从某种意义上说，它标志着这个国家国民经济和社会文明的发展程度。

现在中国的经济处于飞速的发展期，各行业也处于发展的转型期，干燥设备制造业也亟需进行改进和优化，以便适应大环境的发展。

传统的工业生产普遍采用的干燥技术主要有：

厢式干燥、隧道干燥、转筒干燥、转鼓干燥、带式干燥、盘式连续干燥、卧式桨叶式干燥、流化床干燥、改型流化床干燥、喷动床干燥、喷雾干燥、气流干燥、真空冷冻干燥、太阳能干燥、微波和高频干燥、红外热辐射干燥等。

此外在各个行业，例如谷物、水果和蔬菜、木材、茶叶、乳品、中药材等行业也有适合自身特点的专有干燥技术。

这些传统的干燥技术发展历史较长、成熟可取，在我国以及世界已经得到广泛的应用。

近些年来，国际上涌现出一批新型的干燥技术，作为代表的有：

脉冲燃烧干燥、对撞流干燥、冲击穿透干燥、声波场干燥、超临界流体干操、过热蒸汽干操、接触吸附干燥等等。

这些新技术相对于传统干燥技术在机理上有一定的突破，但在工业化应用方面仍有待于完善。

流化床干燥是现代干燥技术的一种，是60年代发展起来的一种干燥技术，目前在化工、轻工、医药、食品以及建材等方面都得到了广泛的应用。

由于干燥过程中固体颗粒悬浮在干燥介质中，因而流体与固体接触面较大，热容量系数可达8000～25000

（按干燥器总体积计算），又由于物料剧烈搅动，大大减小了气膜阻力，因而热效率较高，可达60%～80%（干燥结合水时为30%～40%）。

流化床干燥装置密封性能好，传动机械又不接触物料，因而不会有杂质混入，这对要求纯度高的制药工业来说也是十分重要。

目前国内的流化床干燥装置，从其类型上看分为单层、多层（2～5），卧式和喷雾式流化床、喷动流化床等。

从被干燥的物料来看，大多数的产品为粉状（如氨基匹林、乌洛托品等），颗粒状（如各种片剂、谷物等），晶状（如氯化铵、涤纶、硫氨等）。

被干燥的湿含量一般为10%～30%，物料的颗粒度在120目以内。

单层流化床可分为连续、间歇两种操作方法。

连续操作多应用于比较容易干燥的产品，或干燥程度要求不很严格的产品。

多层流化床干燥装置与单层相比，再相同的条件下，设备体积小，产品干燥程度较为均匀，产品质量也较好控制。

多层床因气体分布板数增多，床层阻力也相应的增加。

多层床热利用率高，所以它适用于降速阶段的物料干燥。

普通的流化床干燥机在干燥颗粒时，可能会存在下述问题：

当颗粒粒度较小时易形成沟流或死区；

颗粒分布范围大时夹带会相当的严重；

由于颗粒的返混，物料在机内滞留时间不同，干燥后的颗粒含湿量不均；

物料湿度稍大时会产生团聚和结块现象，而使流化恶化等。

为了克服上述问题，出现了数种改型的流化床，其中振动流化床就是一种较为成功的改型流化床。

振动流化床就是将机械振动施加于流化床上。

调整振动参数，使返混严重的普通流化床，在连续操作时能得到较为理想的活塞流。

同时由于振动的导入，普通流化床的上述问题会得到相当大的改善。

工业中常见的流化床分为对流式、传导式和辐射式。

振动流化床有如下特点：

（1）由于施加振动，可使最小的流化气速降低，因而可显著的降低空气需要量，进而降低粉尘夹带，配套热源、风机、旋风分离器等也可相应的缩小规格，成套设备造价会较大幅度下降，节能效果显著。

（2）可方便地依靠调整参数来改变物料在机内的滞留时间。

其活塞流式的运行降低了对物料粒度均匀性及规则性的要求，易于获得均匀的干燥产品。

（3）振动有助于物料的分散，如选择合适振动参数，对普通流化床易团聚或产生沟流的物料有可能顺利流化干燥。

（4）由于无激烈的返混，气流速度较普通的流化床较低，对物料粒子的损伤小。

干燥易损伤物料，在干燥过程中要求不破坏晶形或对粒子表面光亮度有要求的物料最为合适。

（5）由于施加振动，会产生噪声。

同时，机器个别零件的寿命短于其他类型干燥机。

自60年代以来，原苏联学者就发表了对振动流化床的报导，此后东欧、加拿大等国学者作了大量的探索[2]。

但在理论研究方面则于1986年在上海召开的全国第二次干燥技术交

流会开始，国内才陆续有振动流化床研究的论文发表。

铁岭精工（集团）股份有限公司率先于1983年建起了我国第一套用于实验目的的小型实验装置，并随后开发了系列工业用振动流化床干燥机。

几所高等院校及科研单位，如天津轻工业学院、上海化工研究院、中国农业大学等，也分别安装了形式各异的试验装置，对振动流化床的各种参数及其对干燥速率的影响进行了实验研究。

（二）课题研究的目的

虽然振动流化床干燥机应用领域很广泛，但是其传热传质的过程是十分复杂的。

很多技术还缺乏能够准确指导实践的科学理论和设计方法，实际应用中依靠经验和小规模试验的数据来指导还是主要方式，有关其干燥过程的原理及其加工的工艺参数对产品质量影响的研究还有待于进一步深入。

本课题主要是针对振动流化床干燥机进行温度场和流场的数值模拟，是干燥机优化内部结构和运行参数，提高热效率，节约能源，降低成本的重要依据。

本课题从工程应用的角度出发，综合以往的数值模拟方法和优势，运用FLUENT分析软件对振动流化床干燥机进行温度场和流场的数值模拟，进而分析最优的操作参数，可以在保证较高的干燥质量的前提下，更少的消耗能量，这无疑在能源紧张的今天具有重大的现实意义。

同时，也可以更详细更全面的进行各部分的传热传质的研究，为以后振动流化床干燥机的发展提供一种可行的依据。

（三）选题依据﹑理论意义和实际应用价值

干燥机的主要特性：

①干燥机对干燥物料的适应能力（是否能达到物料要求的干燥程度、干燥产品的均匀程度）、生产能力是否符合要求。

②干燥机对产品的质量有无损伤（保持晶体形状、色泽、分解、变性、龟裂等）。

③干燥装置热效率、投资费、操作费及环境保护等。

④操作连续性、安全性、可靠性等。

振动流化床干燥机作为干燥机的一种，也具有以上的主要特性。

目前对振动流化床的研究在流体力学、传热、传质方面已有了大量的报导，但对机械结构、刚度和强度方面的研究仍不充分，此外对该机型的模拟放大问题仍主要是根据经验和小型的实验设备，理论研究比较滞后。

本课题是应用有限元软件对振动流化床干燥机在干燥物料时的温度场和流场进行模拟，主要用到传热学和流体力学领域的相关知识。

有限元法拥有高的计算精度、较强的适应性、并且计算格式规范统一，这些优点都可以使得有限元计算结果成为各类工业产品设计和性能

评估的可靠依据。

同时有限元分析的方法已经成为工程设计中不可缺少的一种重要方法，在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、电磁场分析、流场分析等领域也有了广泛的应用。

这种技术所作的研究，可以用来分析最优的操作参数，可以保证在得到较好的干燥质量的情况下，减少能量的浪费。

此外，可以对振动流化床干燥机进行更加全面的传质传热研究，而所有这一切都对我国干燥行业的发展有着很重要的现实意义。

二、文献综述

国内外研究现状、发展动态；

所阅文献的查阅范围及手段

国内外研究现状、发展动态

在干燥领城，80％以上的科技和工程文献都是最近20年内出现的，最值得指出的是这种发展是在全世界范围内的共同发展[1]。

事实上，过去十年来，西方国家和日本在干燥技术研究和发展方面放缓，北美的干燥研发活动也逐年下降；

而南美,特别是巴西,干燥研发活动明显上升。

与此同时有关干燥节能降耗的研究论文也较少,每年在5篇以内,可见这方面仍是一个薄弱环节。

目前每年有250多个有关干燥的项目在美国专利局获得专利，近100个在欧盟专利局获得专利，这些数字都是工业界的注意力转向干燥技术开发的一个很好的证明。

而其他一些曾被学术界给予更多关注的单元操作，如吸收、结晶、膜分离等，其获得的专利数目则低得多。

流化床是60年代发展起来的一种干燥技术，目前在化工、轻工、医药、食品、以及建材工业都得到了广泛的应用。

振动流化床作为成功改型的流化床，近30年内在干燥领域得到迅速推广【1】。

振动流化床解决了在传统流化床中不易流化﹑宽粒度分布和粘性团块状物料高效节能干燥的难题。

有关振动流化床干燥的基础研究最早开始于前苏联和东欧国家，苏联学者A.C.金兹布尔格【2】对振动流化床的流体动力学和振动流化床的干燥过程中的传热传质进行了研究，提出了床层颗粒的运动机理，分析了振动参数对颗粒表面传热传质系数的影响。

W.Kroll,V.Chlenov&

N.Mikhailov【3,4】对振动流化床的流体力学和传递特性进行了开创性研究，并给出了振动流化床与水平底板间传热实验结果。

1976年，英国科学家Gutman【5】首次提出了振动流化床粒子的跳跃高度的概念，建立了振动流化床与垂直放置的静止板面间的传热模型。

国内外很多学者对振动流化床的流体力学特性作了很多的研究，诸如气泡行为的研究，床层压降的研究，床层孔隙率和均匀性的研究，最小流速的研究等。

同时国内外也出现了很多关于振动流化床对物料分离应用的研究，诸如不同粒子类型的分选，还有对纳米级或者超细颗粒的流化态影响的研究。

王亭杰等【6】研究振动流化床波在流化床中的传播，通过气泡扰运动，能够破碎床层中的气泡，形成良好的气固接触状态。

骆振福【7】通过对振动流化床中气泡的受力分析，揭示了振动在气泡形成过程中对气泡破碎作用机理，同时给出流化床中气泡生成时间的计算关联式。

振动流化床的床层压降主要通过实验和经验关联式获得。

YoshihideM,NodaK等【8,9】通过实验得到粘性细粉振动流化床时床层压降。

ErdeszR,Gupta等【10,11】通过实验关联了振动流化床起始流化时床层压降的计算式。

上世纪80年代以后，加拿大McGill大学的Mujumdar【12】

讨论了振动流化床中空气动力学和热传递特性，关联式，发现在气体速度低时，振动使床层压降增加，这是由于床层密度增加的缘故，但在气体速度较高时，压降则比固定床底。

90年代后国内的学者叶世超【13】深入研究了振动流化床的床层压降，在理论上成功地解释了振动流化床压降降低的现象；

从最小流化速度的原始定义和物理概念出发，建立了振动流化床最小的流化速度的数学表达式，为研究振动流化床的操作提供了分析的依据。

YoshihideM等【14】通过Ergun公式对床层压降进行了预测，但是实验结果的实用性受到其实验条件的限制，具有很大的局限性。

YujiT等【15】采用离散单元方法（DNM）对振动流化床粒子运动进行了数值模拟，分析了床层压降随时间的变化规率。

在颗粒的分选过程中，空隙率的分布直接影响分选效果。

Erdeaz等【16】提出了流化床内气体可压缩模型，床层空隙率随振动激励做正弦波动。

PakowskiZ等【17】研究了两种物料（PVC,SIO）情况下气流对空隙率的影响，综合考虑了影响空隙率的各因素。

普通的最小流化速度可以从压降—气速曲线的两条直线的截交点就可以很好地估计出来，但是由于振动流化床的最小流化速度转折在很宽的气速范围内，因此按传统的定义来估计振动流化床的最小的流化速度是不合适的。

PakowakiZ,GuptaRahul等【17,18】给出了最小流化速度的预测计算式和经验方程，但都未考虑颗粒间的吸引力，因此针对于黏性颗粒或物料有较大的出入。

YoshihideM等【14】用Ergun方程来计算预测最小流化速度，A类颗粒的最小流化速度计算值与实验值非常的吻合，而C类颗粒则因为团聚现象有很大的出入。

俞厚忠【19】通过研究分析提出了振动流化床的起始流化速度的关联式。

靳海波等【20,21】依据大量的实验数据给出起始流化速度的关联式。

JoyAS等【22】设计研究了振动流化床分选装置，该装置倾斜安装，尺寸长度为381mm,宽为127mm,用于分选具有不同密度的矿物。

董丽萍等【23】在矩形有机玻璃的振动流化床中，对小米和钛精矿双组分体系进行颗粒的混合分离实验。

张济宇等【24】利用振动流化床分离工业焦渣废弃物，分离后的焦炭产品中的含渣量及渣中的含焦炭量均小于5%。

以上所述的国内外的研究大都依据现有的实验条件观察实验现象，进而根据实验数据进行分析，最后获得相应的关联式或者经验公式。

而这种研究方法首先是研究的周期长，需要建立实验平台，然后借助于相关的仪器进行测量，最后进行分析，对于一般的企业和机构来说这部分是很难实现的。

其次，即使能够拥有足够的实验条件，在研究时也很难做到全面的考虑各种条件的影响和研究条件变化时的流化床各个参数的变化。

而现代计算流体技术的发展恰恰解决了这些问题。

早在2003年，清华大学就有研究生做了含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数值模拟的研究【27】,

综合考虑了干燥管内气固两相间的传热和传质、气固两相温度和含湿量的变化，提出了一个描述含湿煤灰颗粒气流干燥过程的一维数学模型，并用Matlab中的Simulink仿真软件进行了数值求解。

2005年，南京航空航天大学有研究生做了微波对流联合干燥特性的数值模拟【28】，着重考察了沿半径方向上物料含湿量、水蒸汽压力、温度等随干燥时间的变化关系。

2006年，上海交通大学的研究生做了喷雾干燥烟气脱硫塔流场数值模拟【29】，采用湍流Κ-ε模型及随机轨道模型，运用通用的计算流体力学软件FLUENT进行脱硫塔内流场模拟。

2007年，东南大学葛仕福副教授发表了多孔小颗粒对流干燥的数值模拟的论文【30】，采用全隐式有限差分法求解得到了模拟结果。

以上可以看出，国内院校对干燥过程数值模拟的研究一直没有间断，而且研究方向越来越深入。

但在理论研究方面我国与丹麦、加拿大、日本等国尚有一定差距。

（二）所阅文献的查阅范围及手段

主要通过以下数据库查询相关资料并且阅读相关书籍

中文数据库：

中国科技期刊数据库1989-2010

中国学术期刊全文数据库1994-2010

万方数据库：

中国科学技术成果库1986-2010

中国专利文献数据库1985-2010

中国学术会议论文数据库1989-2010

中国学位论文数据库1977-2010

中国优秀博硕士论文1999-2010

国家科技图书文献中心（中文）1980-2010

外文数据库：

美国《科学引文索引》（SCI）1975-2010

世界专利索引（DII）1963-2010

欧洲专利数据库（Esp@cenet）2000-2010

CurrentContentsConnect1998-2010

美国《工程索引》（EICOMPEN）1998-2010

主要参考文献：

【1】潘永康.现代干燥技术.北京：

化学工业出版社，1998.9.

【2】A.C.金兹布尔格，高元奎译.食品干燥原理与技术基础，北京：

轻工业出版社，1986.

【3】W.Kroll.ForschungaufderGebietsdesIngenieurwesan,1954,20,EdA910:

2.

【4】V.ChlenovandN.Mikhailov,Vibrofluidizedbeds,Izdate’stvo,Mosco,1972.

【5】R.G.Gutman.VibratedBedsofPoeders:

Part1-ATheoreticalModelfortheVibratedBed,Trans.Instn.Chem.Engrs,1976,54:

174-183.

【6】王亭杰，汪展文，等.振动波在流化床中的传播行为[J].化工学报，1996,47（6）：

718-726.

【7】骆振福，陈清如，等.振动流化床的形成机理[J].中国矿业大学学报，2000,29（3）：

230-234.

【8】YoshihideMawatarietal.Favorablevibratedfluidizationconditionsforcohesivefineparticles[J].PowerTechnology,2005,（154）:

4-56.

【9】NodaK,MawatariYetal.Flowpatternsoffineparticlesinavibratedfluidizedbedunderatmosphericorreducedpressure[J].PowerTechnology,1998,（99）,11-14.

【10】ErdesxK,RotmosZ.Bedexpansionandpressuredropinvibro-fluidizedlayers[J].Drying’84:

169-177.

【11】GuptaR,MujumdraAS.Aero-gynamicsofavibratedfluidizedbed[J].CanadianJournalofChemicalEngineering,1980,（58）:

332-338.

【12】Y.K.Pan,Z.Y.Li,A.S.MujumdarandT.Kudra.DryingofaRootGropinVibro-fluidiziedBeds,DryingTechnology,1997,15

（1）：

215-223.

【13】叶世超.振动流化床水平换热管传热特性的研究，四川大学博士论文，2000.

【14】YoshihideMawatari,YujiTatemotoetal.Predictionofminimumfluidizationvelocityforvibratedfluidizedbed[J].PowderTechnology,2003（131）:

66-70.

【15】YujiTatemoto,YoshihideMawatarietal.Numericalsimulationofparticlemotioninvibratedfluidizedbed[J].ChemicalEngineeringScience,2004,（59）:

437-447.

【16】ErdeszK,MujundarASetal.Numericalinvestigationofaphenomenologicalmodelforvibratedfluidbedsfordryingprocesses[J].DryingTechnology,1989,7（3）:

487-502.

【17】PakowkiZ,MujumdarASetal.Theoryandapplicationofvibratedbedsandvibratedfluidbedsfordryingprocesses[J].AdvancesinDrying,1993,（3）:

245-306.

【18】GuptaRahul,LeungPeteretal.Dryingofgranularmaterialsinavibratedfluidizedbed[J].Drying’80:

201-207.

【19】俞厚忠.振动流化床干燥器[J].化学世界，1984（5）:

186-188.

【20】靳海波，张济宇等.振动流化床中双组分颗粒流化特性的研究[J].煤化工,1998,84（3）:

25-29.

【21】靳海波，张济宇等.Geldartp’sA,B和D类粒子振动流化床空气动力学的研究[J].燃料化学学报.1998,26（4）,196-289.

【22】JoyASetal.Solidmixingkineticsandsegregationinavibrostabilizedfluidbed[J].TheCanadianJournalofChemicalEngineering,1987,65（8）:

56-59.

【23】董丽萍，叶世超等.振动流化床中颗粒的混合与分离[J].化工装备技术,2005,26（5）:

8-11.

【24】张济宇，陆荣耀等.工业焦渣废弃物振动流化床连续分离[J].中国颗粒学会首届年会论文集.北京：

1997,461-466.

【25】EcclesERA,MujumdarAS.Bubblephenomenoninaeratedvibratedbedsofsmallparticles.DryingTechnology,1997,15:

95-116.

【26】WangY,WangTJ,YangYetal.Resonancecharacteristicsofavibratedfluidizedbedwithahighbedhold-up.PowerTechnology,2002,127:

196-202.

【27】梁栋，王智微，李定凯，吕子安.含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数值模拟.热力发电，2004,33

（2）.

【28】余莉，明晓，蒋彦龙.微波对流联合干燥特性的数值模拟.重庆大学学报（自然科学版），2005.

【29】王雷，章明川，田凤国，谢广录.运行参数对喷雾干燥烟气脱硫效率影响的数值模拟.2005,20（3）,263-269.

【30】葛仕福，郑荣和，施明恒.多孔颗粒对流干燥的数值模拟.热科学与技术.2008,7

（2）,105-107.

三、研究内容

1．研究构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术

研究构想

从工程应用的角度出发，综合以往的数学模型的相关知识，对振动流化床干燥机内流体的温度场和流场进行数值模拟，得到其温度场和流场的变化规律，从而达到优化其内部结构及运行参数，提高热效率、节约能源的目的。

研究思路和主要研究内容

（1）利用三维软件Pro/E建立振动流化床干燥机内流体的三维有限元模型。

（2）选择最合适流化床的数值模拟方法，包括理论模型的选择、计算域网格的划分、数值计算方法的选择。

（3）分析干燥机内的气固两相流的流场，包括三维速度、压力和湍流的形式。

（4）利用流体分析