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1、单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟张振伟摘 要：本文利用 Fluent 软件混合相模型进行模拟，得到干燥机内部流场的温度、 速度和压力变化情况；利用离散相模型模拟得到干燥机内物料颗粒的运动轨迹。为 深入了解干燥机理和结构设计改进提供依据 关键词：，气固两相流，混合相，离散相，数值模拟1.前言滚筒干燥机是一种以对流为主的传热方式使物料加热、水分汽化的干燥器，广 泛应用在化工、轻工、煤炭、建材以及矿冶行业。其优点是圆筒空间大、物料流动 阻力小、操作弹性大，容易清扫等。单通道滚筒干燥机的回转筒结构如图 1，在回转筒两端分别安装进风加料室和 出风排料室。物料依靠旋转的筒体边移动边翻滚，在扬料抄板的
2、作用下不断的被抄 起和撒落，与进入回转筒内的热空气充分换热达到干燥的目的。图1单通道滚筒干燥机的回转筒结构2.流体有限元模型的建立本文采用的是0 1.8x16m滚筒干燥机，其工作参数：电机型号Y200L1-6,电机 功率18.5KW，电机转速960rpm,减速机型号BWD-B7-43-18.5，减速机速比43， 筒体转速 3.88r/min。用Pro/E软件建立三维模型，然后导入到Gambit前处理器对流体模型进行网格 划分，得到整体网格单元 1168058，整体网格节点 409805.图 2 流体模型的网格划分进风加料罩上分别定义入料口和入风口为VELOCITY_INLET；排风出料罩上 分
3、别定义出料口和出风口为PRESSURE_OUTLET；回转筒外壁定义为WALL。后 处理中使用混合模型和湍流模型，选择SIPMLE算法耦合求解速度场和压力场，采 用一阶迎风差分格式离散。3.模拟结果及分析针对热风和物料的气固两相流的运动进行研究，分别将物料颗粒视为连续流体 和离散颗粒，分析气固两相流的温度场、速度场和压力场，并对物料颗粒在回转筒 内的分布进行模拟分析。3.1 温度场分析图 3 截面 y=0 温度图滚筒内温度是逐渐降低的，如图3所示，入风口处气体温度为400C，物料进 入滚筒内吸收大部分热量，温度升高快；同时，入风口处热风温度高，蒸发的速率 大，导致了在入风口附近温度梯度变化大，
4、大约从400C降到320C；被干燥物料在 热风和倾斜滚筒及扬料抄板的共同作用下继续前行，当温度从271337C范围内变 化时，此时物料含湿量降低，伴随内部水分向外部迁移，物料表面水分继续蒸发， 当物料到达出口附近时达到最终含湿量同时低温混合气体由出风口排出。3.2 速度场分析 2.86e+0-1I 2.72e+01I 2.58e+01 2.43e+012.29e+012.15e+012.00e+011.8Eie+i：H1.72e+01-1.57e+0-1-1.43e+0-11.29e+011.14e+011.00e+018.58e+007.15e+00 5.72e+i：i0I 4.29 e+0
5、0I 2.86e+00I -1.43e+00 O.OOe+OO图 4 截面 y=0 速度图入风口处速度最大为27m/s,进入滚筒后速度减小，如图4所示，距入风口 5m处，轴向速度减小的明显，大致在527m/s范围内变化，之后离入风口越远速度越稳定，以2m/s恒速运动。在出风口处速度开始增大为8m/s，因为出风口处连接引风机，引风机抽走热风产生了负压，压差变大使出风口处混合介质的速度变大。另外，出料口处容积小，导致了此处的速度梯度也发生了变化，流体在流经小面积时迫使速度增大。3.3 压力场分析 6.50e+0-1I 5.86e+0-1I 5.22e+01 4.57e+0-13.93e+013.2
6、9e+01I 2.S5e+012.00e+011.36e+017.21 e+007.8Be-01-5.63 e+00-1.21e+01-1.85e+01-2.49e+01I -3.13e+01I -3.77e+01I -4.42 e+01I -5 .OB e+01I -5.70 e+01 -Ei.34e+01 2.15e+02I 2.04e+02I 1.9：3e+02*-1.83e+021.72e+02-1.6-1e+021.50e+021.40e+021.2!3e+021.18e+021.i：i7e+029.B7e+0-18.59e+017.52e+01B.44e+015.37e+01 4.
7、30e+0-1I 3.22e+0-1I 2.15e+0-1I 1.076+0-1 2.13e-0T图 5 截面 y=0 静压图图6截面y=0动压图 2.34e+02I 2.19e+02I 2.05e+02 1.90e+021.75e+021 .B-1 e+021.46e+02 1.32 e+021.17 e+021.03 e+028.83 e+017.38e+0-15.93e+014.4Be+013.03e+011.57e+01 1.21 e+00I -1.33 e+01I -2.78 e+01I -4.24e+0-1*-5.69e+0-1rz图 7 截面 y=0 总压图如图 5所示，远离入风
8、口静压逐渐变大，到达35帕时趋于平稳；在出风口和出料口附近静压值也为负，因为热空气要依靠负压，在引风机工作的情况下产生真空 吸力将热空气从出风口排走。图 67 动压和总压在入风口附近有梯度变化，从入风 口沿轴线方向递减，下降到一定值后，从距进风口 4m 处到排风出料罩之间大部分 区域保持平稳。此外，如图 6和图7所示，动压和总压的变化基本一致，说明总压 受动压变化影响大。3.4 离散相分析物料简化成均匀的球状颗粒，选择 uniform 方法，将颗粒直径分别设置为质量流量为 3.1kg/s。0.05mm、0.15mm 和 0.5mm，Vz2.21 e+01I1 23e+011 1De*011.1
9、4e+D19 81e+0n8 5Be+O07 15e+O0&.1 3&+004 90e+OQ一 0.03 m / s，283 K ，图 8 D=0.05 m m 颗粒滞留时间分布图 9 D=0.15 m m 颗粒滞留时间分布2.8Be+012.72e*012.57e+012.43e+01 2 29e)1 2.14e+012.00e*011.72&+01. 3.75e*01H 3 .56e*01I 3.38e*01I 3 .19e*01I 3.00e+01I 2.81e+01 2.63e+01Fz2.44e*01.2.25e*01I 2.06e+01I 1.88e*O1I 1 69e+01I 1
10、.50e*01I 1.31e+01I 1.13e-H)1I 9.38*0I 7.50*0I 5.e3e+00I 3.75e*00I 1.88*0 0.00eK)0图 10 D=0.5 m m 颗粒滞留时间分布如图810所示，直径为0.05 mm的颗粒追随性好，跟随着气流沿Z轴负方向运动，一部分颗粒到达排风出料罩后随着上升气流从出风口排出，另一部分颗粒经出料口被捕集。直径为0.15 mm的颗粒质量大，重力也大，进入滚筒内下沉，同时又被抄板扬起，受到热空气吹拂，在滚筒内呈螺旋形前行，最后到达出料罩。当物料直径继续增大到 0.5mm 时,受到热风的影响更小，出风口基本没有物料溢出，颗粒在滚筒内停留时间也变长。4.结 论应用Fluent软件模拟单通道滚筒干燥机内部气固两相流温度场、速度场、压力 场，通过离散相模拟颗粒运动轨迹。得到滚筒干燥机内温度场变化情况；速度场模 拟结果反映出流体速度的大小、分布以及流向；压力场在出风口和出料口附近出现 负值，这是由滚筒干燥机的用途和工艺决定的。颗粒运动模拟，得出颗粒直径越小， 质量越轻，受热风影响越显著；颗粒直径越大，离心力越大，在滚筒内呈螺旋状前 行。参考文献：1. 崔春芳，童忠良.干燥新技术及应用M,北京：化学工业出版社，2008, 122.2. 张凯，王瑞金,王刚.Fluent技术基础与应用实例M,北京:清华大学出版社,2010,52.
