基于SIMPLE算法的气流干燥耦合场研究与数值仿真

论文摘要

气流干燥是对流干燥方法中的一种,是将加热后的空气通入干燥器,物料一方面随热气流并流输送,一方面以对流传热的方式,将热量传给湿物料,湿物料中的水分受热而汽化,最后达到干燥目的。从干燥过程中的传热传质现象来看,它是一个复杂的各物理场耦合的问题。气流在输送物料地过程中,不断的与被干燥的物质发生热量与质量的传递。当含有水分的物料吸收了热量温度开始升高,达到汽化蒸发的温度后,水分由液态变为气态进入到混合的气体中,物料颗粒质量因此变小湿度降低。与此同时,高温气体的温度下降而相对湿度变大。这一过程的进行,必然影响到流体场中压力、速度、密度、扩散系数以及浓度的变化。而这种变化又反过来影响到干燥过程中汽化蒸发作用的发生。最初由Patankar和Spalding提出的SIMPLE算法,在传统意义上是为求解单相流动与热交换问题的计算方法。但近年来,已被Crowe等人推广为可用于求解多相流动。该算法认为,压力场是决定速度场的重要原因,速度场进而影响到其它被动标量(如温度、浓度等)的输运。当然,计算得到的温度、浓度场又回过头来影响到密度、扩散系数等,这些系数又会对输运过程产生作用。因而此过程须反复求解才能得到最后收敛解。文中介绍了多相流数值模拟的理论模型,根据所选择的离散颗粒模型(DPM),采用基于SIMPLE算法的数值方法对存在传热与传质现象的管式气流干燥耦合场进行了成功的求解。在此基础上,又对新型的旋流干燥系统进行了数值仿真以证明该系统的可行性。本文的研究工作涉及流体力学、气力输运、多相流理论、计算工程等学科。其理论研究对多物理场耦合的多相流理论和数值计算有一定的学术价值,对系统干燥过程的研究及其数值模拟具有一定工程指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 相关技术背景及发展现状
• 1.2.1 CFD技术发展简述
• 1.2.2 多相流的研究现状
• 1.3 课题研究的意义及主要内容
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 课题的主要内容
• 第二章 计算流体动力学理论基础
• 2.1 流体动力学的控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.1.5 控制方程的补充说明
• 2.2 有限体积法（FVM）
• 2.2.1 常用的数值方法比较
• 2.2.2 一维稳态问题算例说明
• 2.2.3 常用的空间与时间域离散格式
• 2.3 SIMPLE算法
• 2.3.1 交错网格
• 2.3.2 动量方程的离散
• 2.3.3 SIMPLE算法计算流程
• 第三章 气流干燥过程气相流场数值计算
• 3.1 管式气流干燥系统及几何模型
• 3.2 数学模型（控制方程组）
• 3.3 控制方程的离散化形式
• 3.4 网格划分与初、边值条件
• 3.4.1 计算模型的网格划分
• 3.4.2 初值条件
• 3.4.3 边界条件
• 3.5 基于MATLAB的求解过程
• 3.5.1 MATLAB简介及语言特点
• 3.3.2 基于MATLAB的数值求解策略
• 3.6 数值计算结果的比较与分析
• 第四章 多相流理论模型与气流干燥过程模拟
• 4.1 多相流理论模型
• 4.1.1 连续介质模型
• 4.1.2 离散颗粒模型
• 4.1.3 流体拟颗粒模型
• 4.1.4 小结
• 4.2 FLUENT软件在多相流中的应用
• 4.2.1 FLUENT软件简介
• 4.2.2 FLUENT的多相流模型
• 4.2.3 多相流模型的选择
• 4.3 求解气流干燥过程中的耦合场
• 4.3.1 离散相模型的数值求解方法
• 4.3.2 气流干燥模型的假设
• 4.3.3 利用FLUENT进行求解
• 4.4 计算结果分析与讨论
• 第五章 旋流干燥系统的设计仿真
• 5.1 基于FLUENT的计算机数值试验
• 5.2 几何模型的建立及相关参数确定
• 5.3 旋流场的求解与结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B