对带有搅拌器回转式烘干机的两相流分析

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附录1：外文译文 出处：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 对带有搅拌器回转式烘干机的两相流分析 Seong-Oh Jeona, Sung-Hoon Choa, Geun-Yong Songb and Youn-Jea Kimc a 韩国成均馆大学机械工程研究院 b 哥伦比亚顶级国际环境有限责任公司 c 韩国成均馆大学机械工程研究院 摘要：装有搅拌器的回转式烘干机是一种结合了热空气对流干燥和回转干燥的装置。决定烘干效率的重要设计因素之一是内室的流动特性。其取决于形状、材料、叶轮的旋转速度和热空气的速度。在这项研究中，我们采用美国ANSYS公司的计算流体动力学（CFD）中的CFX软件计算了在各种条件中干燥室的流场。由于干燥室里的内部流是由热空气和水蒸汽组成的，我们进行了两相流的数值分析。我们特别得到了在非定常湍流条件下内室的容积率分布。 关键词：两相流，搅拌器，回转式烘干机，非定常流，CFD（计算流体动力学） 引言 近来，厨房垃圾的处理问题日益突出，对此世界各地努力限制以保护环境。厨房垃圾的处理方式主要是回收、焚烧,制造肥料或饲料。回收和焚烧有产生严重有害物质的问题。所以，一些国家的政府支持再循环计划，用厨房垃圾制造肥料或饲料。 要用厨房垃圾制造肥料或饲料，其水分必须被最小化。如果处理能力低,我们用离心法。但是，这种离心机械干燥有物理限制。因此，它是需要热干燥的厨房垃圾处理工业。工业设备中处理厨房废物是使用复杂的干燥系统像结合了热空气对流干燥和回转干燥与搅拌器的回转式烘干机。这个系统包括室内加热器、热流喷射器,回收产生于室内蒸汽的冷凝器和不断混合废物的搅拌器见图1(a)。 从腔室的流动特性，可推导出的干燥效率。这些被用来决定在腔室的蒸汽和空气的分布，并确定在腔室的湿度。为了设计一个最佳形状的干燥器,大量的实验来可视化干燥室的内部流动已被提交。但还存在着许多问题，花费了大量的时间和金钱的原型 。因此,要解决这些问题，得到最佳的设计因素,目前使用的方法是CFD（计算流体动力学）[ 1 ]。在本研究中，我们通过CFD方法获得流动特性室的容积率。结果以图形方式描述形成确定的设计因素和干燥效率的关系。 图1.干燥系统的模型示意图 （a） 全套设计图纸；（b） 内室 Agitator-搅拌器；Chamber-室；Hot stream injector-热流喷射器； Filter-过滤器；Condenser-冷凝器；Condensate out-冷凝液出口 数值方法 如图2所示，2009年发明的数值模型是采用三维CAD工具制造的，。它分为两个部分室和叶轮。如图1（b）所示，螺带式叶轮搅拌高粘度的物质，如膏，在这项研究中药物和奶油混合使用。 ICEM如图3所示，啮合是由先进的有限分析软件CFD预处理器组成。 因为叶轮形状是复杂的，啮合是三元素使用八叉树方法在ICEM中产生的。在叶轮的边界和流体区被创建通过棱镜法来控制网格密度进行精确的计算结果。叶轮的一部分是2-D壳网使用多个旋转架（MRF）方法创建的。而且，总元素的数目为70万左右。 室内通过MRF模拟旋转流的方法,是旋转流体区产生真正的旋转,而不是旋转框架[2]。在这种情况下，其中叶轮内部的流体区是旋转的。但它是很难选择各流体区域叶轮啮合，因为螺旋形带状叶轮的形状是非常复杂的。因此,我们把圆柱流体区包括所有的叶轮。 我们假设流体室只有蒸汽和空气,所以我们计算混合两相湍流流动。而且其蒸气与空气应该是连续和不可压缩流体。当热空气吹起，温度是423K，湿度为0％。 而且，出口条件是假设压力平均。 数值分析采用ANSYS CFX-11法。该解决方案基于FVM（有限体积法）。收敛条件被设置为直到残差是10-5的顺序并且计算的数量每节拍要反复执行约100次。 四核2.5Hz的，4GB内存计算每一种情况的运行时间平均大约为6小时。 图2.建模室的结构 图3.有限元系统 Inlet- 入口；Outlet-出口；Chamber-室；Fluid zone-流体区； Impeller-叶轮；Solid zone-固体区域；Heater-加热器 方程式中给出两相不可压缩流体的守恒方程（1）—（4）。并且，如方程式（5） - （8）中所示，室内3维湍流可以通过k-ε湍流两方程模型进行说明 。[3-5] 连续性方程： αβΓ是从β相到α相每单位体积的质量流率。这种情况只有当中间相质量转移发生时才出现。 动量方程： 由于其它相的存在，Mα描述作用于α相界面的作用力。另外，表示动量传递引起相界面传质。 体积守恒方程： 该方程可以结合相位连续性方程获得运输体积守恒方程。当我们通过相位的密度划分等式.（3），并总结了所有的阶段，我们可以有如下方程： 表(1).分析每种情况的条件 Case-例；Stream Velocity-流速；Thickness of impeller-叶轮厚度 Angular Velocity of impeller-叶轮角速度 表(2).各种热空气速度对水蒸汽的平均容积率的影响 Velocity-速度；Volume fraction-容积率 图4.各种热空气速度下的容积率分布　　 (a) 7m / s；(b) 10 m / s；(c) 13m / s k-ε两方程湍流模型: 和分别代表相间转移k和ε 此外,k值和ε值计算如下: 注意，I是湍流强度，lm是混合长度。 分析结果 容积率的模拟结果由各种热空气速度值、叶轮的转速和叶轮厚度描述。全部7种案例的生产变动参数如表1所列。从这些结果,我们确定了水蒸汽的数量影响干燥效率。 热空气速度的影响 当热空气速度是7 m / s,10 m / s和13 m / s时，我们比较了水蒸汽的容积率。在所有情况下，叶轮的角速度都是5.5 rpm，厚度都是50mm。室内顶部和侧表面的容积率见图4。由于空气和水蒸汽的密度差异使蒸汽会聚在上层边界。随着热空气速度的提高,上表面水蒸汽的体积越来越小。这是因为流入热空气的增加导致流出热空气的增加。另外,水蒸汽容积率归结于叶轮当速度的增加。这意味着吹动的热空气会使是分布在室内上表面的水蒸汽降下来。在热空气速度为13 m / s时,分布的水蒸汽越往右边越少。这些结果受叶轮的旋转方向和出口位置的影响。表2显示水蒸汽容积率的平均值。从该结果中，我们可以得出随着热空气速度的增加，水蒸汽数量减少。 表(3).叶轮速度对水蒸汽的平均容积率的影响 Angular velocity-叶轮速度；Volume fraction-容积率 图5.各种叶轮角速度下的容积率分布　 (a) 3 rpm；(b) 5.5 rpm；(c) 7 rpm 叶轮角速度的影响 图5演示了当角速度的叶轮是7米/秒, 10 m / s和13米/秒时，每小时的水蒸汽的容积率。在所有情况下热空气的速度都是10 m / s,叶轮厚度都是50mm。它指出像前分析的案例，顶室水蒸汽是上升的。随着叶轮角速度的增加, 叶轮厚度和水蒸汽的数量也增加。表3描述水蒸汽平均容积率，同样的结果也显示在图5中。减少叶轮旋转和相对增加热空气影响这些结果。从这些结果,我们发现室内水蒸汽随着角速度增加而增加。 叶轮厚度的影响 当叶轮厚度是40mm,50mm, 60mm,且热气球的速度是10米/秒，我们研究了干燥室流动特性。图6显示了各个情况水蒸汽容积率。随着叶轮厚度的增加,在顶面水蒸汽的厚度是每分钟减少的如图6所示。见表4,然而,随着叶轮厚度增加，水蒸汽平均容积率是每分钟增长的。这个原因是混合的效果是随着叶轮厚度的增加而增加的。 表4.不同的叶轮厚度对水蒸汽的平均容积率的影响 Thickness-叶轮厚度；Volume fraction-容积率 图6.不同的叶轮厚度下的容积率分布　　 (a) 40mm；(b) 50mm；(c) 60mm 总结 在这项研究中,对带有搅拌器的复杂干燥器中的多相流动特性进行数值研究。特别是研究叶轮厚度,角速度和热空气速度的影响。当热空气速度增加时,室内水蒸汽的数量减少。然而，随着叶轮角速度的增加,室内水蒸汽的数量增加。这使得烘干机效率下降。结果也表明,叶轮厚度和干燥效率之间没有关系。需要进一步的研究来找到搅拌器的增长效率和室内热传递之间的关系。 术语 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] 参考文献 [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. 附录2：外文文献 10