對(duì)帶有攪拌器回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的兩相流分析

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附錄1：外文譯文 出處：Jeon S O, Cho S H, Song G Y, et al. Two‐Phase Flow Analyses In Rotory Dryer With Agitator[C]//THE 10TH ASIAN INTERNATIONAL CONFERENCE ON FLUID MACHINERY. AIP Publishing, 2010, 1225(1): 375-381 對(duì)帶有攪拌器回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的兩相流分析 Seong-Oh Jeona, Sung-Hoon Choa, Geun-Yong Songb and Youn-Jea Kimc a 韓國(guó)成均館大學(xué)機(jī)械工程研究院 b 哥倫比亞頂級(jí)國(guó)際環(huán)境有限責(zé)任公司 c 韓國(guó)成均館大學(xué)機(jī)械工程研究院 摘要：裝有攪拌器的回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)是一種結(jié)合了熱空氣對(duì)流干燥和回轉(zhuǎn)干燥的裝置。決定烘干效率的重要設(shè)計(jì)因素之一是內(nèi)室的流動(dòng)特性。其取決于形狀、材料、葉輪的旋轉(zhuǎn)速度和熱空氣的速度。在這項(xiàng)研究中，我們采用美國(guó)ANSYS公司的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）中的CFX軟件計(jì)算了在各種條件中干燥室的流場(chǎng)。由于干燥室里的內(nèi)部流是由熱空氣和水蒸汽組成的，我們進(jìn)行了兩相流的數(shù)值分析。我們特別得到了在非定常湍流條件下內(nèi)室的容積率分布。 關(guān)鍵詞：兩相流，攪拌器，回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)，非定常流，CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)） 引言 近來，廚房垃圾的處理問題日益突出，對(duì)此世界各地努力限制以保護(hù)環(huán)境。廚房垃圾的處理方式主要是回收、焚燒,制造肥料或飼料?；厥蘸头贌挟a(chǎn)生嚴(yán)重有害物質(zhì)的問題。所以，一些國(guó)家的政府支持再循環(huán)計(jì)劃，用廚房垃圾制造肥料或飼料。 要用廚房垃圾制造肥料或飼料，其水分必須被最小化。如果處理能力低,我們用離心法。但是，這種離心機(jī)械干燥有物理限制。因此，它是需要熱干燥的廚房垃圾處理工業(yè)。工業(yè)設(shè)備中處理廚房廢物是使用復(fù)雜的干燥系統(tǒng)像結(jié)合了熱空氣對(duì)流干燥和回轉(zhuǎn)干燥與攪拌器的回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)包括室內(nèi)加熱器、熱流噴射器,回收產(chǎn)生于室內(nèi)蒸汽的冷凝器和不斷混合廢物的攪拌器見圖1(a)。 從腔室的流動(dòng)特性，可推導(dǎo)出的干燥效率。這些被用來決定在腔室的蒸汽和空氣的分布，并確定在腔室的濕度。為了設(shè)計(jì)一個(gè)最佳形狀的干燥器,大量的實(shí)驗(yàn)來可視化干燥室的內(nèi)部流動(dòng)已被提交。但還存在著許多問題，花費(fèi)了大量的時(shí)間和金錢的原型 。因此,要解決這些問題，得到最佳的設(shè)計(jì)因素,目前使用的方法是CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）[ 1 ]。在本研究中，我們通過CFD方法獲得流動(dòng)特性室的容積率。結(jié)果以圖形方式描述形成確定的設(shè)計(jì)因素和干燥效率的關(guān)系。 圖1.干燥系統(tǒng)的模型示意圖 （a） 全套設(shè)計(jì)圖紙；（b） 內(nèi)室 Agitator-攪拌器；Chamber-室；Hot stream injector-熱流噴射器； Filter-過濾器；Condenser-冷凝器；Condensate out-冷凝液出口 數(shù)值方法 如圖2所示，2009年發(fā)明的數(shù)值模型是采用三維CAD工具制造的，。它分為兩個(gè)部分室和葉輪。如圖1（b）所示，螺帶式葉輪攪拌高粘度的物質(zhì)，如膏，在這項(xiàng)研究中藥物和奶油混合使用。 ICEM如圖3所示，嚙合是由先進(jìn)的有限分析軟件CFD預(yù)處理器組成。 因?yàn)槿~輪形狀是復(fù)雜的，嚙合是三元素使用八叉樹方法在ICEM中產(chǎn)生的。在葉輪的邊界和流體區(qū)被創(chuàng)建通過棱鏡法來控制網(wǎng)格密度進(jìn)行精確的計(jì)算結(jié)果。葉輪的一部分是2-D殼網(wǎng)使用多個(gè)旋轉(zhuǎn)架（MRF）方法創(chuàng)建的。而且，總元素的數(shù)目為70萬(wàn)左右。 室內(nèi)通過MRF模擬旋轉(zhuǎn)流的方法,是旋轉(zhuǎn)流體區(qū)產(chǎn)生真正的旋轉(zhuǎn),而不是旋轉(zhuǎn)框架[2]。在這種情況下，其中葉輪內(nèi)部的流體區(qū)是旋轉(zhuǎn)的。但它是很難選擇各流體區(qū)域葉輪嚙合，因?yàn)槁菪螏钊~輪的形狀是非常復(fù)雜的。因此,我們把圓柱流體區(qū)包括所有的葉輪。 我們假設(shè)流體室只有蒸汽和空氣,所以我們計(jì)算混合兩相湍流流動(dòng)。而且其蒸氣與空氣應(yīng)該是連續(xù)和不可壓縮流體。當(dāng)熱空氣吹起，溫度是423K，濕度為0％。 而且，出口條件是假設(shè)壓力平均。 數(shù)值分析采用ANSYS CFX-11法。該解決方案基于FVM（有限體積法）。收斂條件被設(shè)置為直到殘差是10-5的順序并且計(jì)算的數(shù)量每節(jié)拍要反復(fù)執(zhí)行約100次。 四核2.5Hz的，4GB內(nèi)存計(jì)算每一種情況的運(yùn)行時(shí)間平均大約為6小時(shí)。 圖2.建模室的結(jié)構(gòu) 圖3.有限元系統(tǒng) Inlet- 入口；Outlet-出口；Chamber-室；Fluid zone-流體區(qū)； Impeller-葉輪；Solid zone-固體區(qū)域；Heater-加熱器 方程式中給出兩相不可壓縮流體的守恒方程（1）—（4）。并且，如方程式（5） - （8）中所示，室內(nèi)3維湍流可以通過k-ε湍流兩方程模型進(jìn)行說明 。[3-5] 連續(xù)性方程： αβΓ是從β相到α相每單位體積的質(zhì)量流率。這種情況只有當(dāng)中間相質(zhì)量轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)才出現(xiàn)。 動(dòng)量方程： 由于其它相的存在，Mα描述作用于α相界面的作用力。另外，表示動(dòng)量傳遞引起相界面?zhèn)髻|(zhì)。 體積守恒方程： 該方程可以結(jié)合相位連續(xù)性方程獲得運(yùn)輸體積守恒方程。當(dāng)我們通過相位的密度劃分等式.（3），并總結(jié)了所有的階段，我們可以有如下方程： 表(1).分析每種情況的條件 Case-例；Stream Velocity-流速；Thickness of impeller-葉輪厚度 Angular Velocity of impeller-葉輪角速度 表(2).各種熱空氣速度對(duì)水蒸汽的平均容積率的影響 Velocity-速度；Volume fraction-容積率 圖4.各種熱空氣速度下的容積率分布　　 (a) 7m / s；(b) 10 m / s；(c) 13m / s k-ε兩方程湍流模型: 和分別代表相間轉(zhuǎn)移k和ε 此外,k值和ε值計(jì)算如下: 注意，I是湍流強(qiáng)度，lm是混合長(zhǎng)度。 分析結(jié)果 容積率的模擬結(jié)果由各種熱空氣速度值、葉輪的轉(zhuǎn)速和葉輪厚度描述。全部7種案例的生產(chǎn)變動(dòng)參數(shù)如表1所列。從這些結(jié)果,我們確定了水蒸汽的數(shù)量影響干燥效率。 熱空氣速度的影響 當(dāng)熱空氣速度是7 m / s,10 m / s和13 m / s時(shí)，我們比較了水蒸汽的容積率。在所有情況下，葉輪的角速度都是5.5 rpm，厚度都是50mm。室內(nèi)頂部和側(cè)表面的容積率見圖4。由于空氣和水蒸汽的密度差異使蒸汽會(huì)聚在上層邊界。隨著熱空氣速度的提高,上表面水蒸汽的體積越來越小。這是因?yàn)榱魅霟峥諝獾脑黾訉?dǎo)致流出熱空氣的增加。另外,水蒸汽容積率歸結(jié)于葉輪當(dāng)速度的增加。這意味著吹動(dòng)的熱空氣會(huì)使是分布在室內(nèi)上表面的水蒸汽降下來。在熱空氣速度為13 m / s時(shí),分布的水蒸汽越往右邊越少。這些結(jié)果受葉輪的旋轉(zhuǎn)方向和出口位置的影響。表2顯示水蒸汽容積率的平均值。從該結(jié)果中，我們可以得出隨著熱空氣速度的增加，水蒸汽數(shù)量減少。 表(3).葉輪速度對(duì)水蒸汽的平均容積率的影響 Angular velocity-葉輪速度；Volume fraction-容積率 圖5.各種葉輪角速度下的容積率分布　 (a) 3 rpm；(b) 5.5 rpm；(c) 7 rpm 葉輪角速度的影響 圖5演示了當(dāng)角速度的葉輪是7米/秒, 10 m / s和13米/秒時(shí)，每小時(shí)的水蒸汽的容積率。在所有情況下熱空氣的速度都是10 m / s,葉輪厚度都是50mm。它指出像前分析的案例，頂室水蒸汽是上升的。隨著葉輪角速度的增加, 葉輪厚度和水蒸汽的數(shù)量也增加。表3描述水蒸汽平均容積率，同樣的結(jié)果也顯示在圖5中。減少葉輪旋轉(zhuǎn)和相對(duì)增加熱空氣影響這些結(jié)果。從這些結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)室內(nèi)水蒸汽隨著角速度增加而增加。 葉輪厚度的影響 當(dāng)葉輪厚度是40mm,50mm, 60mm,且熱氣球的速度是10米/秒，我們研究了干燥室流動(dòng)特性。圖6顯示了各個(gè)情況水蒸汽容積率。隨著葉輪厚度的增加,在頂面水蒸汽的厚度是每分鐘減少的如圖6所示。見表4,然而,隨著葉輪厚度增加，水蒸汽平均容積率是每分鐘增長(zhǎng)的。這個(gè)原因是混合的效果是隨著葉輪厚度的增加而增加的。 表4.不同的葉輪厚度對(duì)水蒸汽的平均容積率的影響 Thickness-葉輪厚度；Volume fraction-容積率 圖6.不同的葉輪厚度下的容積率分布　　 (a) 40mm；(b) 50mm；(c) 60mm 總結(jié) 在這項(xiàng)研究中,對(duì)帶有攪拌器的復(fù)雜干燥器中的多相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值研究。特別是研究葉輪厚度,角速度和熱空氣速度的影響。當(dāng)熱空氣速度增加時(shí),室內(nèi)水蒸汽的數(shù)量減少。然而，隨著葉輪角速度的增加,室內(nèi)水蒸汽的數(shù)量增加。這使得烘干機(jī)效率下降。結(jié)果也表明,葉輪厚度和干燥效率之間沒有關(guān)系。需要進(jìn)一步的研究來找到攪拌器的增長(zhǎng)效率和室內(nèi)熱傳遞之間的關(guān)系。 術(shù)語(yǔ) ux absolute viscosity [Ns/m2] (x=α,β) Px Born rate of turbulence kinetic energy[-] (x=α, β) γ Volume fraction [-] P Absolute pressure [N/m2] Tx Local mean temperature [K] (x=α, β) Ui Velocity components [m/s] (i=1, 2, 3) I Turbulence strength [-] ρ Fluid density [kg/m3] 參考文獻(xiàn) [1] Chuichi Arakawa, 1994, Computational Fluid Dynamics for Engineering, University of Tokyo Press, Tokyo. [2] Edward L. Paul, Victor A. Atiemo-Obeng and Suzanne M. Kresta, 2004, Handbook of industrial Mixing, John Wiley & Sons, New Jersey. [3] ANSYS CFX User’s Guide, 2007, ANSYS Inc., [4] Patankar, S. V., 1980, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemishpere, Washington, D.C. [5] Coto, A., Ashihara, K., Sakurai, T. and Saito, Su., 1999, “Compact Design of Diffuser Pumps Using Three Dimensional Inverse Design method”, Proceedings of the 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, No. FEDSM99-6847, pp. 1-14. 附錄2：外文文獻(xiàn) 10